Princip fungování voltmetu a typy voltmeterů

Co je Voltmetr?

Voltmetr je přístroj pro měření napětí. Měří napětí mezi dvěma uzly. Víme, že jednotkou rozdílu potenciálů jsou volty. Tedy jde o měřicí přístroj, který měří rozdíl potenciálů mezi dvěma body.

Princip fungování voltmetu

Hlavním principem voltmetu je, že musí být připojen paralelně tam, kde chceme měřit napětí. Paralelní připojení se používá, protože voltmetr je konstruován tak, aby měl velmi vysokou hodnotu odporu. Pokud by tento vysoký odpor byl připojen sériově, pak by proud skoro nulový, což znamená, že obvod by byl otevřen.

Pokud je připojen paralelně, pak se impedancí zatěžovacího prvku kombinuje s vysokým odporem voltmetu a tedy kombinace dává téměř stejnou impedanci, jakou měl zatěžovací prvek. V paralelním obvodu víme, že napětí je stejné, takže napětí mezi voltmetrem a zatěžovacím prvkem je téměř stejné a tedy voltmetr měří napětí.
Pro ideální voltmetr má odpor nekonečnou hodnotu a tedy proud, který odebírá, je nulový, takže nedochází ke ztrátám energie v přístroji. To však není prakticky dosažitelné, protože nemůžeme mít materiál s nekonečným odporem.

Klasifikace nebo typy voltmeterů

Podle principu konstrukce máme různé typy voltmeterů, a to zejména –

1. Stálý magnet pohyblivé cívky (PMMC) voltmetr.

2. Pohyblivé železo (MI) voltmetr.

3. Elektrodynamometrický typ voltmetr.

4. Typ s diodovým členem voltmetr

5. Indukční typ voltmetr.

6. Elektrostatický typ voltmetr.

7. Digitální voltmetr (DVM).

V závislosti na tom, jaký typ měření provádíme, máme -

1. DC voltmetr.

2. AC voltmetr.

Pro DC voltmetry se používají PMMC přístroje, MI přístroje mohou měřit jak AC, tak DC napětí, elektrodynamometrický typ, tepelné přístroje mohou měřit jak DC, tak AC napětí. Indukční přístroje se nepoužívají kvůli své vysoké ceně a nepřesnosti měření. Diodový typ voltmeteru, elektrostatický typ a také digitální voltmetr (DVM) mohou měřit jak AC, tak DC napětí.

PMMC voltmetr

Když se vodič nesoucí proud umístí do magnetického pole, působí na něj mechanická síla, pokud je připojen k pohyblivému systému, s pohybem cívky se ukazatel posouvá po stupnici.
PMMC přístroje mají stálé magnety. Jsou vhodné pro měření DC, protože zde je deflexe úměrná napětí, protože odpor je pro daný materiál přístroje konstantní a tedy, pokud se polarita napětí obrátí, deflexe ukazatele se také obrátí, takže se používá pouze pro měření DC. Tento typ přístroje se nazývá přístroj typu D’Arsonval. Má výhody lineární stupnice, nízké spotřeby energie, vysoké přesnosti.
Hlavní nevýhody jsou –
Měří pouze DC veličiny, vyšší cena atd.

Kde,
B = Plošná hustota toku v Wb/m2.
i = V/R, kde V je napětí, které se měří, a R je odpor zatěžovacího prvku.
l = Délka cívky v metrech.
b = Šířka cívky v metrech.
N = Počet závitů v cívce.

Rozšíření rozsahu u PMMC voltmeteru

U PMMC voltmeterů máme možnost rozšíření rozsahu měření napětí. Stačí připojit odpor sériově s přístrojem a můžeme rozšířit rozsah měření.

Nechť,
V je napětí zdroje v voltech.
Rv je odpor voltmeteru v ohmech.
R je externí odpor připojený sériově v ohmech.
V1 je napětí na voltmeteru.
Pak externí odpor, který má být připojen sériově, je dán vztahem

MI voltmetr

MI přístroje znamenají pohyblivé železo. Používají se pro měření jak AC, tak DC, protože deflexe θ je úměrná druhé mocnině napětí za předpokladu, že impedance přístroje je konstantní, takže bez ohledu na polaritu napětí ukazatel ukazuje směrovou deflexi, dále jsou klasifikovány do dvou dalších typů,

1. Přitahovací typ.

2. Odpuzující typ.

Kde, I je celkový proud proudící v obvodu v Amp. I = V/Z
Kde, V je napětí, které se měří, a Z je impedance zatěžovacího prvku.
L je vlastní indukčnost cívky v Henry.
θ je deflexe v Radiánech.

Princip přitahovacího typu MI přístroje

Pokud je neomagnetizované měkké železo umístěno do magnetického pole, je přitahováno k cívce, pokud je k systému připojen ukazatel a proud je vedl skrz cívku jako výsledek aplikovaného napětí, vytvoří magnetické pole, které přitahuje železný kus a vytváří odstředivý moment, v důsledku čehož se ukazatel pohybuje po stupnici.

Princip odpuzujícího typu MI přístroje

Když jsou dva železné kusy magnetizovány stejnou polaritou předáním proudu, což je provedeno aplikací napětí na voltmetr, pak mezi nimi dochází k odpuzování a toto odpuzování vytváří odstředivý moment, v důsledku čehož se ukazatel pohybuje.
Výhody jsou, že měří jak AC, tak DC, jsou levné, mají malé třecí chyby, jsou robustní atd. Hlavně se používají pro měření AC, protože při měření DC bude chyba větší kvůli hysterézi.

Elektrodynamometrický typ voltmeteru

Elektrodynamometrické přístroje se používají, protože mají stejnou kalibraci pro AC i DC, tedy pokud je kalibrován pro DC, můžeme měřit i AC bez další kalibrace.

Princip elektrodynamometrického typu voltmeteru

Máme dvě cívky, pevnou a pohyblivou. Pokud se na obě cívky aplikuje napětí, v důsledku čehož proud