Вольтметры аналоговые

Аналоговые вольтметры: принцип действия, классификация и применение в электроэнергетике

Аналоговый вольтметр – это электроизмерительный прибор непосредственной оценки, предназначенный для измерения напряжения (разности электрических потенциалов) в электрических цепях постоянного и переменного тока. Результат измерения отображается в виде углового или линейного перемещения указателя (стрелки) относительно градуированной шкалы. Несмотря на активное вытеснение цифровыми приборами в сегменте переносных устройств, аналоговые вольтметры сохраняют значительные позиции в составе стационарных щитовых и панельных установок, а также в областях, где важна визуальная оценка динамики изменения сигнала.

Принцип действия и устройство

В основе работы подавляющего большинства аналоговых вольтметров лежит преобразование электрической энергии измеряемого напряжения в механическую энергию перемещения подвижной части измерительного механизма. Это преобразование осуществляется посредством вращающего момента, величина которого зависит от измеряемого напряжения. Противодействующий момент создается механическими спиральными пружинами. Угол поворота подвижной части, а следовательно, и стрелки, пропорционален действующему значению напряжения (для переменного тока) или его постоянной составляющей.

Основные элементы конструкции аналогового вольтметра:

• Измерительный механизм (ИМ) – преобразует электрическую величину в механическое перемещение.
• Отсчетное устройство – включает в себя шкалу, проградуированную в вольтах, милливольтах или киловольтах, и указатель (стрелку).
• Корпус с защитным стеклом – обеспечивает механическую защиту и крепление прибора.
• Добавочные резисторы (для вольтметров) – включаются последовательно с измерительным механизмом для расширения пределов измерения и снижения влияния ИМ на режим цепи.
• Выпрямитель (для вольтметров переменного тока) – преобразует переменный ток в постоянный для измерения его среднего выпрямленного значения с последующей градуировкой шкалы в действующих значениях синусоидального напряжения.

Классификация аналоговых вольтметров

Классификация осуществляется по нескольким ключевым признакам: роду измеряемого тока, типу измерительного механизма, назначению и классу точности.

1. По роду измеряемого тока

• Вольтметры постоянного тока: Применяются магнитоэлектрические, реже – электродинамические и электростатические измерительные механизмы.
• Вольтметры переменного тока: Используются электромагнитные, электродинамические, выпрямительные, электростатические и термоэлектрические системы. Частота измеряемого напряжения обычно составляет 50 Гц (промышленная), но существуют приборы для звукового и высокочастотного диапазонов.
• Универсальные вольтметры: Комбинированные приборы, способные измерять напряжение как постоянного, так и переменного тока за счет переключения внутренних цепей (выпрямителей, преобразователей).

2. По типу измерительного механизма (системы)

Тип ИМ определяет основные метрологические и эксплуатационные характеристики прибора.

Сравнительная характеристика измерительных систем аналоговых вольтметров

Система ИМ	Принцип действия	Основное применение	Преимущества	Недостатки
Магнитоэлектрическая	Взаимодействие магнитного поля постоянного магнита с током в подвижной рамке.	Вольтметры постоянного тока высокой точности.	Высокая чувствительность, точность, равномерная шкала, малое собственное потребление мощности, слабое влияние внешних магнитных полей.	Сложность конструкции, пригодность только для постоянного тока (без выпрямителя), чувствительность к перегрузкам.
Электромагнитная	Втягивание ферромагнитного сердечника, связанного со стрелкой, в катушку с током.	Щитовые вольтметры переменного тока промышленной частоты.	Простота и надежность конструкции, стойкость к перегрузкам, низкая стоимость, пригодность для постоянного и переменного тока.	Неравномерная шкала (сужена в начале), большее собственное потребление мощности, влияние внешних магнитных полей, меньшая точность.
Электродинамическая	Взаимодействие магнитных полей неподвижной и подвижной катушек, по которым протекает ток.	Прецизионные (образцовые) лабораторные вольтметры переменного тока высокой точности.	Высокая точность для переменного тока, пригодность для постоянного и переменного тока, слабое влияние формы кривой напряжения.	Неравномерная шкала, высокая стоимость, большое собственное потребление, чувствительность к внешним магнитным полям и перегрузкам.
Выпрямительная	Комбинация магнитоэлектрического измерителя с полупроводниковым выпрямительным мостом.	Универсальные и специализированные вольтметры переменного тока широкого частотного диапазона.	Высокая чувствительность, равномерная шкала, широкий частотный диапазон (до десятков кГц).	Точность зависит от стабильности параметров выпрямителей, пригодность в основном для синусоидальных сигналов (градуировка в действующих значениях).
Электростатическая	Взаимодействие заряженных подвижных и неподвижных электродов.	Измерение высоких напряжений (до сотен кВ) постоянного и переменного тока, в т.ч. высокочастотных.	Минимальное собственное потребление мощности (только на заряд электродов), пригодность для широкого частотного диапазона, независимость показаний от формы кривой и рода тока.	Низкая чувствительность к малым напряжениям, неравномерная шкала, громоздкость, высокая стоимость, влияние внешних электростатических полей.

3. По назначению

• Щитовые (панельные): Устанавливаются на щитах управления, распределительных устройствах, пультах. Имеют повышенную стойкость к вибрациям, стандартные габаритные размеры (например, квадратные 96х96 мм, прямоугольные 120х60 мм), классы точности 1.0; 1.5; 2.5.
• Переносные (лабораторные): Предназначены для точных измерений в лабораторных и полевых условиях. Имеют более высокие классы точности (0.1; 0.2; 0.5), многопредельные переключатели и часто комбинируются в мультиметры (тестеры).
• Высоковольтные (киловольтметры): Для измерения высоких напряжений, часто используют электростатические или магнитоэлектрические системы с большими добавочными резисторами, размещаемыми в специальных изолирующих конструкциях.
• Селективные (избирательные): Для измерения напряжения в узкой полосе частот. Строятся по схеме выпрямительного вольтметра с усилителем и избирательными фильтрами.
• Фазочувствительные (векторметры): Для измерения составляющих напряжения в полярной или прямоугольной системе координат.

Ключевые технические характеристики

• Класс точности: Основная приведенная погрешность, выраженная в процентах от верхнего предела измерения. Определяет допустимые отклонения показаний от истинного значения. Ряды классов: 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 4.0.
• Внутреннее сопротивление (Rвн): Сопротивление вольтметра постоянному току или полное сопротивление на переменном токе. Выражается в Ом/В для вольтметров с унифицированным чувствительным элементом. Чем выше Rвн, тем меньше влияние прибора на режим измеряемой цепи (меньше потребляемый ток). Магнитоэлектрические и выпрямительные системы имеют высокое Rвн (до десятков кОм/В), электромагнитные – низкое (сотни Ом/В).
• Диапазон измеряемых напряжений: От долей милливольта до сотен киловольт. Расширение пределов осуществляется с помощью добавочных резисторов (для постоянного и низкочастотного переменного тока) или делителей напряжения (емкостных, резистивно-емкостных).
• Диапазон рабочих частот: Для переменного тока. Электромагнитные системы работают в узком диапазоне (45-1000 Гц), выпрямительные и электростатические – до сотен кГц и выше.
• Чувствительность к перегрузкам: Способность выдерживать кратковременные превышения номинального напряжения без повреждений и остаточных изменений параметров.

Расширение пределов измерения. Добавочные резисторы

Для измерения напряжений, превышающих номинальное напряжение измерительного механизма U_н, последовательно с ним включается добавочный резистор R_д. При этом на ИМ приходится лишь часть измеряемого напряжения U. Коэффициент расширения предела n = U / U_н.

Сопротивление добавочного резистора рассчитывается по формуле: R_д = R_вн

• (n — 1), где R_вн – внутреннее сопротивление вольтметра (ИМ). Добавочные резисторы изготавливаются из материалов с высоким удельным сопротивлением и низким температурным коэффициентом (манганин, константан) для обеспечения стабильности показаний.

Особенности измерения переменного напряжения

Большинство аналоговых вольтметров переменного тока градуируются в действующих (среднеквадратичных, RMS) значениях синусоидального напряжения. Однако разные системы ИМ реагируют на разные параметры тока:

• Электромагнитные, электродинамические, термоэлектрические системы – реагируют на действующее значение.
• Выпрямительные системы с магнитоэлектрическим ИМ – реагируют на среднее выпрямленное значение (U_ср.в). Для синусоиды выполняется соотношение: U_д = k_ф
• U_ср.в, где k_ф ≈ 1.11 – коэффициент формы. Шкала проградуирована с учетом этого коэффициента.
• Электростатические системы – реагируют на среднеквадратичное значение, не зависящее от формы кривой.

При измерении несинусоидальных напряжений (например, в цепях с тиристорными регуляторами, инверторами) необходимо учитывать тип ИМ и вносить поправки в показания, так как реальный коэффициент формы сигнала будет отличаться от синусоидального. Это является существенным недостатком выпрямительных и электромагнитных вольтметров в современных сетях с нелинейными нагрузками.

Области применения и выбор аналогового вольтметра

Аналоговые вольтметры продолжают использоваться в следующих ключевых областях:

• Распределительные устройства (РУ) и щиты управления: Для оперативного визуального контроля уровня напряжения. Преимущество – мгновенное восприятие отклонения стрелки от нормального положения, оценка тенденции изменения (растет/падает).
• Лабораторный практикум и учебные стенды: Наглядность изучения законов электротехники.
• Измерение высокочастотных напряжений: Электростатические вольтметры, где цифровые аналоги могут иметь значительные погрешности из-за наводок.
• Системы, где недопустимо использование источников питания: Электростатические вольтметры, не потребляющие энергию от измеряемой цепи.

Критерии выбора:

• Род тока и форма напряжения: Постоянный/переменный, синусоидальная/несинусоидальная форма.
• Диапазон напряжений и частот.
• Требуемый класс точности: Для технологического контроля достаточно 1.5-2.5, для поверочных работ – 0.1-0.5.
• Влияние на цепь: Выбор прибора с максимально высоким внутренним сопротивлением (Ом/В) для измерений в высокоомных цепях.
• Условия эксплуатации: Стойкость к вибрациям, магнитным полям, климатическим факторам.
• Тип монтажа: Щитовой или переносной.

Поверка и техническое обслуживание

Аналоговые вольтметры, используемые в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, подлежат периодической поверке. Основные операции включают в себя: внешний осмотр, проверку на прочность изоляции, определение основной погрешности на всех пределах измерения с помощью образцовых средств измерения (калибраторов напряжения, потенциометров). Регулировка осуществляется калиброванными подстроечными резисторами в цепях добавочных сопротивлений или магнитным шунтом в системе ИМ. Техническое обслуживание заключается в поддержании чистоты, проверке надежности контактов и, при необходимости, демпфировании колебаний стрелки.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается измерение напряжения аналоговым и цифровым вольтметром?

Аналоговый вольтметр преобразует напряжение непосредственно в механическое отклонение, являясь пассивным преобразователем. Цифровой вольтметр (ЦВ) использует активную схему аналого-цифрового преобразователя (АЦП), предварительное усиление/ослабление сигнала и микропроцессорную обработку. ЦВ обладает существенно более высоким входным сопротивлением (1 МОм и выше на постоянном токе, что минимизирует влияние на цепь), большей точностью и разрешающей способностью, но может иметь задержку отображения и не дает такой же наглядности при наблюдении за быстро меняющимися сигналами, как стрелочный прибор.

Почему на некоторых щитах до сих пор используют аналоговые вольтметры, а не цифровые индикаторы?

Основные причины: наглядность контроля отклонений (оператор на расстоянии видит положение стрелки и ее колебания), высокая надежность и ремонтопригодность (не содержит сложной электроники), устойчивость к электромагнитным помехам (ЭМП) большой мощности, характерным для подстанций, независимость от наличия вспомогательного питания (для электростатических и некоторых других систем), а также низкая стоимость.

Как правильно подключить аналоговый вольтметр в цепь?

Вольтметр всегда подключается параллельно участку цепи или источнику напряжения, на котором необходимо измерить разность потенциалов. Для расширения пределов измерения необходимо использовать штатные добавочные резисторы или делители, входящие в комплект прибора. При измерении высоких постоянных напряжений необходимо соблюдать полярность. При работе в цепях выше 1000 В необходимо использовать дополнительные средства защиты и изоляции.

Что означает класс точности 1.5 на шкале вольтметра?

Это означает, что основная приведенная погрешность прибора в рабочих условиях не превышает ±1.5% от верхнего предела измерения на данной шкале. Например, для вольтметра с пределом 300 В максимально допустимая абсолютная погрешность на всей шкале составляет ±4.5 В. Следовательно, при измерении напряжения 100 В реальное значение может находиться в диапазоне от 95.5 В до 104.5 В. Важно: относительная погрешность в точке измерения (например, на отметке 50 В) будет уже не 1.5%, а (4.5 В / 50 В)

• 100% = 9%.

Почему вольтметр переменного тока на основе магнитоэлектрического измерителя с выпрямителем может показывать неверное значение в цепи с импульсным напряжением?

Потому что такой вольтметр откалиброван для синусоидальной формы напряжения. Он измеряет среднее выпрямленное значение и умножает его на фиксированный коэффициент 1.11. Для несинусоидальных сигналов соотношение между действующим и средним значением (коэффициент формы k_ф) другое. Например, для меандра (прямоугольного сигнала) k_ф = 1.0. Поэтому прибор, откалиброванный для синуса, будет завышать показания для меандра примерно на 11%. Для корректного измерения несинусоидальных напряжений необходим прибор истинного среднеквадратичного значения (True RMS), обычно реализуемый в цифровом виде или на основе термоэлектрического преобразователя.

Как влияет внутреннее сопротивление вольтметра на результат измерения?

Вольтметр, подключаясь параллельно цепи, шунтирует ее участок, что может привести к изменению режима работы цепи и, как следствие, к методической погрешности измерения. Чем меньше внутреннее сопротивление вольтметра R_V по сравнению с сопротивлением участка цепи R_цепи, к которому он подключен, тем больше ток через вольтметр и тем значительнее падение напряжения на R_цепи из-за этого шунтирования. Для минимизации погрешности необходимо, чтобы R_V >> R_цепи (как минимум, на два порядка). Поэтому для измерений в высокоомных цепях (например, в электронных схемах) критически важно использовать вольтметры с очень высоким входным сопротивлением.