Измерване на електрическо напрежение

За непосредствено измерване на напрежения в електрически вериги се използват волтметри. Основните изисквания към разнообразната гама устройства, предлагани на пазара, са точност, голямо вътрешно съпротивление, консумация на малка мощност и способността им да не изменят режима на работа на веригата.

Тенденциите в развитието им са свързани с увеличаване на точността и бързодействието, автоматизиране на процеса на измерване, получаване на резултата от измерването в удобен вид и др.

Приложение намират основно два вида волтметри: аналогови (стрелкови) и цифрови. Аналоговите волтметри обикновено биват с магнитоелектрически измервателен механизъм за постоянни напрежения и електромагнитни, електродинамични и феродинамични при променливи напрежения.

Последните измерват ефективната стойност на променливите напрежения, дори и когато не са синусоидални. Комбинираните уреди използват при променлив ток детекторен (изправителен) измервателен механизъм. В общия случай те измерват средната стойност по модул на променливото напрежение. За единство те са градуирани в ефективна стойност за синусоидален режим.

На практика това означава, че ако се измерва синусоидално напрежение, то показанието е точно неговата ефективна стойност, а ако се измерва несинусоидално напрежение, показанието е средната стойност на напрежението, умножена по 1,11.

При цифровите волтметри производителите имат два подхода. По-елементарните цифрови волтметри измерват променливите напрежения, както детекторните волтметри, т. е. измерват средната стойност, която показват, умножена по 1,11 (показват вярно ефективната стойност само при синусоидални напрежения).

По-усъвършенстваните цифрови волтметри измерват винаги ефективната стойност на променливите напрежения, дори и когато те не са синусоидални. Обикновено върху тях има означението “true RMS”.

Основно предимство на цифровите измервателни уреди пред аналоговите е високата точност на измерването. При обикновените аналогови волтметри тя е около 0,1% и то само при най-прецизните аналогови уреди, а съществуват цифрови електронни волтметри с точност 0,001% и по-висока.

Непосредственото отчитане на резултата от цифровото показание на индикаторните лампи намалява допълнителната субективна грешка, така характерна за аналоговите измервателни уреди. Цифровите волтметри превъзхождат аналоговите и по бързодействие. С помощта на цифрови електронни волтметри се постига бързина на измерването, която е немислима при аналоговите стрелкови уреди.

В това понятие се включва скоростта, с която се установяват цифровият код, съответстващ на измерваната аналогова величина, и самата цифрова индикация. Докато аналоговите уреди извършват едно измерване през няколко секунди, цифровите електронни волтметри могат да извършват до няколко стотици хиляди измервания в секунда, като съществуват и специални бързодействащи цифрови електронни волтметри, извършващи милиони измервания в секунда.

Цифровите електронни волтметри позволяват да се въведе автоматизация на процеса на измерването. За да се проведе измерването с цифров електронен волтметър, е необходимо само да му се подаде измерваното напрежение. Избирането на обхвата и указването на полярността може да се извършва автоматично.

Автоматизира се и процесът на калибриране - съществуват цифрови електронни волтметри с автоматично калибриране на нулевото показание и показанието при пълен обхват. Автоматичното прехвърляне на поляритета и на обхватите на волтметрите също така намалява грешката на оператора.

Много от тези волтметри имат изходи за непрекъснато регистриране на измерваните величини. Данните в цифров вид могат да бъдат обработвани без влошаване на точността на измерването.

Цифровите волтметри освен постоянно напрежение могат да измерват също и променливо напрежение, постоянен ток и съпротивление. Тези функции изискват допълнително обработване на сигналите, след което те могат да бъдат измервани от цифровия волтметър за постоянно напрежение.

Основен блок на цифровите електронни волтметри е аналогово-цифровият преобразувател. Чрез него се извърша преобразуването на напрежение в цифров код. Според вида на преобразуваното напрежение аналогово-цифровите преобразуватели могат да се разделят на аналогово-цифров преобразувател за постоянно напрежение, за променливо и за импулсни напрежения.

Обикновено при цифровите електронни волтметри се практикува първоначално преобразуване на променливо напрежение в постоянно, а след това използването на аналогово-цифров преобразувател за постоянно напрежение.

Аналогово-цифровите преобразуватели за постоянно напрежение могат да се разделят в две основни групи - с косвено преобразуване на напрежението и с директно преобразуване. В първата група напрежението се преобразува в честота, интервал от време и във фаза. Във втората група преобразуването става с последователно уравновесяване, с паралелно преобразуване и преобразуване с брояч и аналогово-цифров преобразувател.

Цифровите електронни волтметри обикновено носят наименование, което се определя от типа на преобразуването. Най-разпространените типове електронни волтметри са: цифров волтметър с времеимпулсно преобразуване; цифров волтметър с кодовоимпулсно преобразуване; цифров волтметър с поразредно кодиране (уравновесяване); цифрови волтметри с непрекъснат баланс и интегриращи цифрови волтметри.

Избор на обхвата на волтметъра
Задължително е обхватът на волтметъра да е по-голям от измерваното напрежение. В противен случай измерваното напрежение не може да бъде отчетено, а при по-големи претоварвания уредът вероятно ще бъде повреден.

При многообхватните волтметри често няколко обхвата са по-големи от измерваното напрежение. Тогава е препоръчително да се работи с най-малкия от тях, защото при него измерването е най-точно. Ако няма никаква ориентировъчна информация за измерваната стойност, най-напред измерването трябва да се извърши на най-големия обхват, при който опасността от претоварване на уреда е най-малка.

Ако получената стойност е по-малка от някой от по-малките обхвати, то измерването трябва да се повтори на най-малкия от обхватите, който все пак е по-голям от получената стойност, за да бъде измерването най-точно.

Влияние на вътрешното съпротивление
Начинът на включване на волтметрите определя изискването те да имат колкото се може по-голямо вътрешно съпротивление. Тогава те имат малка собствена консумация и съответно по-малка методична грешка поради това, че почти не променят режима на работа на електрическата верига, в която се включват.

Това важи най-вече при измерване на електродвижещо напрежение (например на източници, термодвойки и др.). В това отношение по-добре се представят цифровите волтметри и по принцип всички електронни волтметри.

 От стрелковите волтметри с най-голямо съпротивление (най-малка собствена консумация) са магнитоелектрическите и детекторните волтметри. Недостатък на електромагнитните и електродинамичните волтметри е малкото им вътрешно съпротивление, особено при по-малките обхвати. При многообхватните стрелкови волтметри с увеличаването на обхвата им расте и вътрешното им съпротивление.

Измерване на напрежение с мултимери
Както е известно, мултимерите са подходящи уреди за измерване на ток, напрежение, съпротивление и много други величини. При измерване на постоянно напрежение чрез превключвателя се избира обхватът, в който е очакваната стойност на напрежението.

Когато тя е неизвестна, се започва с най-големия обхват, и след появата на показанието той евентуално се променя за осигуряване на максимално точно измерване, т. е. на най-много значещи цифри.

При избора на обхват на входа на ADC се подава подходяща част от измерваното напрежение и същевременно се премества десетичната точка на дисплея. Минималното постоянно напрежение, което може да бъде измерено, е около 1 mV, а максималното - няколкостотин V.

При измерване на променливи напрежения мултимерът вътрешно ги преобразува в постоянни. Повечето мултимери могат да измерват само ефективни стойности на синусоидални напрежения, каквото би трябвало да е мрежовото.

При всякаква друга форма преобразуването не е точно, като грешката е толкова по-голяма, колкото формата на напрежението е по-различна от синусоида. Съществуват и мултимери за точно измерване при произволна форма. В този случай вместо ефективна е правилно да се използва понятието средноквадратична стойност.