Spændingsmåler

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Til måling af elektriske spændinger bruges en spændingsmåler (også kendt som spændingsmålere eller i daglig tale som et voltmeter [1] ).

Under målingen konverteres den målte variabel til en visning af dens multiplum af enheds volt . Spændingsmåleren består af den faktiske målemekanisme eller måleelektronikken, et display og om nødvendigt en seriemodstand eller spændingsdeler til tilpasning af måleområdet . Til laboratorieapplikationer er der omskiftelige multimetre med flere måleområder og for andre målte variabler, som kaldes multimetre .

Der er displayløse måleenheder til industrielle applikationer.

Kredssymbol for et voltmeter. Bogstavet V inde i cirklen er baseret på spændingsenheden.

Udførelsesformer

Digitale måleenheder

Digitalt multimeter

Med de digitale spændingsmålere , der normalt bruges i dag, vises spændingen direkte i form af cifre . Den analoge spænding, der skal måles, tappes ved høj modstand (parallel forbindelse) og konverteres til et digitalt signal ved hjælp af en analog-digital konverter , som styrer det numeriske display.

Fordelen ved digitale voltmetre ligger i deres mekaniske ufølsomhed, let læsbarhed af displayet, mulighed for betjening i alle rumlige positioner, højere målenøjagtighed, betydeligt højere inputmodstande, især med små spændingsmåleområder og lavere fremstillingsomkostninger. Mange digitale multimetre tilbyder også automatisk valg af rækkevidde, og ud over direkte spænding kan de også måle vekselstrøm eller blandet spænding - ofte med en effektiv værdiovervågning.

Ulempen ved numerisk angivelse af måleenheder er, at kronologiske fremskridt ikke kan følges så godt. Derfor tilbyder nogle digitale spændingsmålere også en skala i form af et søjlediagram eller en grafisk vist markør i displayfeltet (svagt genkendelig i billedet af multimeteret under talfeltet). Opløsningen på det numeriske display er begrænset til 1 ciffer ; se digital måleteknologi og digitale multimetre .

Analoge måleenheder

Ammeter og voltmeter på en strømforsyningsenhed
Historiske spændings- og strømmålere (omkring 1920)

Elektrostatiske målemekanismer

I tilfælde af et elektrostatisk voltmeter fører spændingen til en markørafbøjning uden strømstrøm. Den mekaniske kraft opstår ved frastødning af ladninger med samme navn eller tiltrækning af ladninger med samme navn. Det enkleste elektrostatiske voltmeter er elektroskopet og blev hovedsageligt brugt til at måle højere DC -spændinger. Mere præcise måleenheder havde tre elektroder, hvoraf den ene var et bevægeligt monteret metalplade mellem de to andre elektroder. Spændingen blev forbundet til både faste elektroder og en pol til den bevægelige [2] . Enhederne har ofte en lyspeger (displayprincip for spejlgalvanometeret , som dog ikke er en af ​​de elektrostatiske måleenheder). De er også velegnede til vekselstrøm .

Jern i bevægelse og målemekanismer til bevægelig spole

Spændingsmåling foregår via omvej for at måle en strøm, der er proportional med spændingen på grund af drivspolens modstand, muligvis suppleret med en seriemodstand. Enheden måler faktisk en strøm med dens markørafbøjning, men skalaen er mærket med de tilsvarende spændingsværdier. I målemekanismen med bevægelig spole genererer Lorentz-kraften markørens afbøjning. Med målemekanismen for jern i bevægelse er det magnetisk frastødning af jerndele, der er placeret inde i en fast spole. Flytende spole måleudstyr har altid en seriemodstand, bevægelige jernmålere ofte ikke - med disse kan spolen være designet med en tilstrækkelig høj modstand. Bevægelige spolemåleinstrumenter måler den polaritet-korrekte middelværdi; For at måle AC -spænding skal du have en måle -ensretter. Målemekanismer i bevægeligt jern måler den effektive værdi ; de har ikke brug for en ensretter. Måleapparater med disse målemekanismer er normalt markeret på skalaen med en nøjagtighedsklasse .

Elektrisk feltmåler

Elektriske feltmålere , der primært bruges til at måle den elektriske feltstyrke , er velegnede til berøringsfri måling. Hvis måleafstanden til et objekt er defineret, kan de bruges som spændingsmålere. [3] [4]

Rør voltmeter

Tube voltmetre er spændingsmålere , der er udstyret med elektronrør og har en meget højere inputmodstand end det ellers var muligt i deres tid. I dag er de blevet fuldstændig erstattet af digitale måleenheder udstyret med elektrometerforstærkere (operationsforstærkere med JFET- eller MOS -indgang).

Senderen

Inden for industriel metrologi og automatiseringsteknologi anvendes der ikke måleindretninger, men måttetransducere, der leverer et standardiseret elektrisk signal til central behandling. Med hensyn til analog teknologi kan dette være et standardsignal , f.eks. Som 4… 20 mA. Det kan også være et digitalt udgangssignal til transmission via en databus , som i denne sammenhæng kaldes en feltbus . Disse måleenheder med et digitalt målesignal ved udgangen kaldes så også måleomformere .

Spændingsomformere (specielle måletransformatorer) bruges som måttetransducere til måleområdejustering og til potentiel adskillelse ved høje AC -spændinger . Udgangsspændingens nominelle værdi er fortrinsvis 100 V.

Kompensator

Spændingskompensatorer er velegnede til præcisionsmålinger og til måling uden strømbelastning på måleobjektet (i hvert fald ved kalibrering). De erstattes dog af elektroniske enheder med sammenlignelige kvalifikationer.

brug

Voltmeteret er forbundet til de to punkter i et kredsløb, mellem hvilket spændingen skal måles. Hvis du vil måle spændingen, der falder hen over en komponent eller måleobjekt, er voltmeteret forbundet parallelt. Dette kan gøres ved korte tests med testprober uden at skulle intervenere i kredsløbet. Derfor er spændingsmåling den mest almindelige form for elektrisk styring. Aktuelle målte værdier kan ofte opnås indirekte fra en spændingsmåling, hvis værdien af modstanden R er kendt, over hvilken målingen foretages (strøm I = U / R med U = målt spænding).

Måleområde
Hver målemekanisme i bevægelig spole eller jern har en maksimal afbøjning (fuld afbøjning) ved en maksimal strøm I maks . Samtidig har den en iboende modstand (intern modstand R i ), hvilket betyder, at der ved fuld afbøjning er en maksimal spænding på målemekanismen ( U max = R iI max ). For yderligere måleområder betjenes den via omskiftelige seriemodstande, se under analogt multimeter . Hvis den maksimale spænding overskrides, kan målemekanismen eller seriemodstandene overbelastes. For måleapparater med et klassesymbol angives en tilladt overbelastningskapacitet ved standardisering.

Dette overbelastningsproblem eksisterer ikke i denne form med digitale spændingsmålere, da deres interne modstand er meget høj og derfor kun konverterer lidt strøm. Hvis slutværdien af ​​måleområdet overskrides, afhængigt af versionen, skifter en flertrins spændingsdeler automatisk til det næste højere måleområde.

Af sikkerhedsmæssige årsager er den maksimalt tilladte spænding normalt i området 700 V til 1000 V og er delvis trykt på måleindretningen og delvist angivet i brugsanvisningen.

Måleområdejustering, fejl på grund af internt forbrug

Ideel måleenhed vs. ægte måleenhed

Ækvivalent kredsløbsdiagram for den virkelige spændingsmåleapparat

En ideel måleenhed har intet internt forbrug fra måleobjektet; det betyder, at voltmeterets indre modstand skal være uendelig stor. I virkeligheden trækker den imidlertid en strøm som en ohmsk modstand. Dette identificeres i det ækvivalente kredsløbsdiagram ved en parallel forbindelse af den ideelle måleenhed med dens interne modstand. Det er vokset historisk - på grund af målemekanismen med bevægelig spole, der har været almindelig i lang tid - er der stadig delvis en serieforbindelse. Så - hvis kredsløbssymbolet skal stå for en ideelt tabsfri måleenhed - skal dets modstand have værdien nul, hvilket dog ikke er foreneligt med en betegnelse som spændingsmåleapparat.

Til enheder med målemekanisme til bevægelig spole

Måleområdeforlængelse til spændinger med målemekanisme med bevægelig spole

For at tilpasse et bevægeligt spolet voltmeter til det ønskede måleområde , er det forbundet i serie med en passende seriemodstand R v . Af spændingen U MBE, der kan måles i slutningen af ​​måleområdet, tildeles en del U max til målemekanismen, resten U v = U MBE - U max til seriemodstanden.

eksempel
Målemekanismen har en modstand R m = 750 Ω og afbøjer ved den maksimale strøm I max = 200 µA op til slutværdien af skalaen . Det skal bruges i en spændingsmålingsenhed til måleområdet U MBE = 10 V. Ved fuld afbøjning er spændingen U max = R m hen over målemekanismen · I max = 750 Ω · 0,200 mA = 150 mV. Så der skal være U v = 10,00 V - 0,15 V = 9,85 V ved seriemodstanden. Da strømmen på 200 µA også strømmer igennem den, resulterer dette i R v = U v / I max = 9,85 V / 0,2 mA = 49,25 kΩ. Den samlede modstand for serieforbindelsen (intern modstand R U i måleenheden) er derefter R U = R v + R m = 50,00 kΩ.

I tilfælde af multimetre baseret på bevægelig spole er I max normalt en konstant, der er gældende for alle måleområder, eller omvendt, den interne modstand er forskellig i hvert område - jo større måleområde, desto større. For let beregning af den interne modstand er en spændingsrelateret modstand ρ = 1 / I max specificeret for voltmetre i Ω / V (ohm pr. Volt), også som en konstant for alle måleområder. Denne information skal ganges med den respektive øvre områdeværdi for at opnå den faktiske interne modstand.

eksempel
Den ovenfor beregnede måleenhed har en målemekanismemodstand på 750 Ω med et måleområde på 150 mV. Dette indebærer ρ = 750 Ω / 150 mV = 5,00 kΩ / V. Hvis du bruger den til et måleområde på 10 V, har den derfor modstanden R U = ρ · U MBE = 5 kΩ / V · 10 V = 50 kΩ, som beregnet på en anden måde ovenfor.
Spændingsmåling i et kredsløb
Udskiftningsspændingskilde til dette

Det faktum, at den strøm, der bestemmer målingen, strømmer gennem voltmeteret, betyder, at hver måling forfalsker de oprindelige forhold på måleobjektet, da der trækkes en (ekstra) strøm til målingen. Dette bør derfor holdes så lille som muligt, dvs. voltmeteret R U 's modstand skal være så høj som muligt.

Mål i det viste billede i det øvre kredsløb, spændingen faldet over R 1 spænding U 1 kan måles, det bemærkes, at kilden til denne spænding a kilde modstand R q = R 1 || R 2 har. (Bemærk: Den ideelle spændingskilde for kilden til U 0 har en nulkildemodstand.) Nedenstående kredsløb er elektrisk ækvivalent med kredsløbet ovenfor. Hvis måleenheden er forbundet til den, opnås en mindre måleværdi U m i stedet for U 1 , fordi R q og R U danner en spændingsdeler . Den resulterende tilbagekoblingsafvigelse , givet som den relative måleafvigelse f , er

eksempel
Med R q = 5 kΩ og R U = 50 kΩ: en delvis spænding falder på grund af voltmeterets strømforbrug inde i spændingskilden ved R q i forholdet mellem modstandene 5 kΩ / (5 kΩ + 50 kΩ) = 9 %; den målte værdi bestemmes med en relativ måleafvigelse på - 9%.

Med digital-elektroniske enheder

Måleområdeudvidelse med digital-elektronisk måleenhed

Med digitale spændingsmålere er det ikke normalt at udvide området med en seriemodstand; den interne modstand for disse måleenheder er typisk 1 til 20 MΩ i alle områder; Standarden er 10 MΩ. Her bruges der snarere spændingsdelere ; i tilfælde af multimetre er dette indbygget internt. På grund af den høje interne modstand forekommer problemet med feedbackafvigelse (fejl i kredsløbspåvirkning) ikke i samme omfang som ved voltmetre med bevægelig spole.

Ulempen ved en så høj intern modstand er, at spændingsdisplayet ikke er klart, når der måles på frakoblede kredsløbsdele; den påvirkes derefter af felter i miljøet, der genindlæser kredsløbsdelen (f.eks. en afbrudt eller afbrudt linje eller bare den mållinje, der ikke er tilsluttet) ved hjælp af påvirkning eller induktion.

eksempel
Hvis måleenheden har en intern modstand på 10 MΩ og kilden 5 kΩ, går delen 5 kΩ / (5 kΩ + 10 MΩ) = 0,5 ‰ af kildemodstanden tabt fra spændingen, der skal måles. Denne systematiske måleafvigelse på - 0,5 ‰ ligger inden for eller under måleudstyrets fejlgrænser og kan normalt negligeres.

Se også

  • Måling kategorier med hensyn til de tilladte anvendelsesområder måle og teste udstyr til elektrisk udstyr og systemer.

Weblinks

Commons : Voltmeters - Samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. ^ Begrebet voltmeter er blevet erstattet i standardiseringen, da volt betegner enheden og ikke den fysiske mængde , der faktisk måles.
  2. A. Varduhn, W. Nell: Handbook of Electrical Engineering bind II . Fachbuchverlag, Leipzig 1951, side 159
  3. ^ Manfred Beyer, Wolfram Boeck, Klaus Möller, Walter Zaengl: Højspændingsteknologi. Springer, 1986, Corrected Reprint 1992, s. 289
  4. [1] Beskrivelse af enheden