Измерение электрических величин

ИЗМЕРЕНИЕ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Лабораторный практикум

Йошкар-Ола

2021

УДК 621.317.3(076)
ББК 31.221

И 37

Авторы: В. М. Бастраков, Е. В. Кобылина, Н. А. Забродина, А. Г. Забродин,
А. И. Сютова, Л. В. Левашова

Рецензенты: доктор технических наук, профессор кафедры транспортнотехнологических машин ПГТУ А. В. Егоров;
кандидат технических наук, заведующий кафедрой энергообеспечения 
предприятий ПГТУ А. А. Медяков

Печатается по решению

редакционно-издательского совета ПГТУ

Измерение электрических величин: лабораторный практи
кум / В. М. Бастраков, Е. В. Кобылина, Н. А. Забродина и др. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2021. – 52 с.
ISBN 978-5-8158-2250-4

Предложены лабораторные работы, посвященные измерению элек
трических параметров различными методами и средствами, а также исследованию метрологических характеристик средств измерений электрических величин.

Для студентов машиностроительных направлений подготовки, а 

также направлений «Материаловедение и технологии материалов», «Агроинженерия», «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».

УДК 621.317.3(076)
ББК 31.221

ISBN 978-5-8158-2250-4
 Бастраков В. М. и др., 2021
 Поволжский государственный
технологический университет, 2021

И 37

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................................................. 4

Правила техники безопасности 
при выполнении лабораторных работ .................................................. 6

Лабораторная работа № 1
Измерение напряжения и силы переменного тока......................... 7

Лабораторная работа № 2
Косвенные измерения электрического сопротивления .............. 11

Лабораторная работа № 3
Измерение сопротивления по мостовой схеме .............................. 14

Лабораторная работа № 4
Измерение индуктивного сопротивления индуктивности ......... 22

Лабораторная работа № 5
Измерение потребляемой мощности............................................... 27

Лабораторная работа № 6
Исследование основных метрологических характеристик 
электромеханических измерительных приборов ......................... 31

Лабораторная работа № 7
Методы измерения параметров электрических цепей................ 37

Лабораторная работа № 8
Определение внутреннего сопротивления 
электроизмерительного прибора..................................................... 43

Библиографический список................................................................. 51

ВВЕДЕНИЕ

Жизнедеятельность современного человека как в быту, так и на 

производстве невозможно представить без использования электрической энергии. Её эффективное использование в значительной степени 
определяется достоверностью и точностью измерений электрических 
величин. 

При измерениях электрических величин реализуется большинство 

видов и методов измерений, рассматриваемых в общей теории измерений. Выполнение лабораторных работ по измерениям электрических 
величин позволит студентам лучше усвоить основные положения метрологии. В качестве средств измерений используются электромеханические аналоговые приборы, измерительные мосты, компенсаторы 
напряжения (потенциометры) и цифровые измерительные приборы.

Отличительные признаки приборов (единица измеряемой вели
чины, принцип действия, род тока, класс точности, степень защищенности от магнитных и электрических полей, год выпуска и др.) наносят на шкалу или корпус в виде условных обозначений.

В электромеханических приборах измеряемая величина преобра
зуется в другую электрическую величину, воздействующую на подвижный элемент отсчетного устройства, состоящего из шкалы и указателя.

В измерительных мостах реализуется метод сравнения измеряе
мой величины с мерой. К достоинствам измерений с помощью мостовых схем следует отнести высокую точность измерений и чувствительность, возможность измерения различных величин, в том числе и 
не электрических.

Компенсаторы напряжения – это приборы сравнения, в которых 

измеряемая ЭДС (или напряжение) уравновешивается соответствующим падением напряжения на компенсационном сопротивлении (реохорде) при прохождении по нему тока от внешнего источника. Результаты измерений получаются с высокой точностью, особенно в 
компенсаторах постоянного тока.

В цифровых измерительных приборах (ЦИП) измеряемая вели
чина преобразуется в цифровой код, в соответствии с которым 

представляется в цифровой форме на отсчетном устройстве. ЦИП 
имеют следующие достоинства: объективность и удобство отсчета 
результатов измерений, высокая точность при полной автоматизации процесса, высокое быстродействие, возможность сочетания с 
микропроцессорными устройствами и возможность дистанционной 
передачи результатов измерений. Недостатки заключаются в большей по сравнению с аналоговыми средствами измерений сложности 
и стоимости, меньшей наглядности представления информации и 
надежности.

Особенностью измерений большинства электрических величин 

является то, что средства измерений включаются в электрическую 
цепь объектов измерений, отчего происходит перераспределение 
энергии между ними и, соответственно, изменяется величина измеряемого параметра. Таким образом, появляется соответствующая составляющая погрешности измерения. Характеристики средств измерений, описывающие их свойства отбирать или отдавать энергию через свои входные или выходные цепи, называют импедансными или 
просто импедансами. Конкретные способы оценки составляющих, 
обусловленных взаимодействием средства измерений с объектом, зависят от характера этого взаимодействия и вида импедансной характеристики.

В практике электрических измерений распространен случай, ко
гда средство измерений потребляет энергию от объекта измерений и 
соответствующее свойство описывается входным импедансом, т.е. 
входным сопротивлением. Импедансные характеристики электронного средства измерений нормируются представлением его входных 
цепей в виде эквивалентной схемы замещения и задания значений составляющих её элементов. Чаще всего нормируемыми параметрами 
элементов схем замещения являются минимально допустимые значения внутреннего сопротивления и максимально допустимое значение 
входного тока.

Основной целью выполнения предлагаемых лабораторных работ 

является освоение методик измерений различных электрических величин различными методами и средствами. Для достижения этой 
цели нужно выполнить задачи, поставленные в каждой работе.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ 

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Электрический ток опасен для человека. Он может вызвать 

ожоги, судорожное сокращение мышц, паралич центральной нервной 
системы и сердца. Проходящий по внутренним органам человека 
электрический ток в 0,001 А чувствителен, в 0,005 А – опасен, а в 
0,1 А – смертелен. Величина опасного напряжения Uоп = 0,05· rчел, где 
rчел – сопротивление участка тела, находящегося под напряжением
(зависит от нервного напряжения, влажности поверхности тела, степени возбуждения и т.д.). Напряжение в 127 В повлечь за собой тяжелую электротравму. Главная причина поражения током – неосторожное прикосновение руками к незащищенным токоведущим элементам, находящимся под напряжением. 

При работе в электротехнических лабораториях нужно выпол
нять следующие основные правила:

• производить сборку электрических схем и переключений в них 

только при отключенном напряжении;

• после сборки схемы пригласить преподавателя (лаборанта) для 

её проверки и получения разрешения на подключение напряжения;

• не касаться руками неизолированных элементов электрических 

схем (например, клемм), находящихся под напряжением;

• после выполнения переключений в схеме вновь пригласить 

преподавателя (лаборанта) для проверки схемы;

• не оставлять без внимания электрическую схему, находящуюся 

под напряжением;

• надежно закреплять концы проводов клеммами, под одну 

клемму ставить не более двух проводов;

• все переключения и регулировки на лабораторном стенде, 

включения и выключения тумблеров должны выполняться одним человеком и только одной рукой;

• при обнаружении неисправностей на стенде, а также при появ
лении дыма или специфического запаха горелой изоляции стенд 
нужно обесточить и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

При поражении человека электрическим током нужно отключить 

напряжение от стенда, освободить пострадавшего от стесняющей 
одежды, сделать искусственное дыхание и немедленно вызвать врача.

Лабораторная работа № 1 

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ 

И СИЛЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Задачи: 
1) ознакомиться с видами и средствами измерений напряжения и 

силы электрического тока, схемами подключения средств измерений;

2) выявить составляющие погрешности измерений и определить 

их значения. 

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Для прямых измерений падения напряжения и силы электриче
ского тока отечественная промышленность выпускает аналоговые 
приборы: 

• амперметры: электромагнитные с пределами измерений 

10-4…300 А; магнитоэлектрические с пределами измерений 10-10…104 А;
электродинамические (классов точности 0,05; 0,1; 0,2; 0,5) с пределами измерений 10-2…10 А;

• вольтметры: магнитоэлектрические с пределами измерений 

10-9...106 В; электромагнитные – 1,5…600 В; электродинамические высокого класса точности – 7,5…600 В; электрические – 0,075…300 кВ. 

К измеряемому объекту амперметры включаются последова
тельно (рис. 1.1), а вольтметры – параллельно (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Схема измерения 

силы тока

Рис. 1.2. Схема измерения падения 

напряжения

Так как включение средств измерений в исследуемую цепь ис
кажает режим этой цепи, то измерения электрических параметров 
сопровождаются соответствующей составляющей погрешности измерения.

Включение амперметра, имеющего сопротивление RА, приводит 

к тому, что вместо тока I = U/Rх, который протекал в этой цепи до 
включения амперметра, после включения амперметра в цепи пойдет 
ток

A
X

A
R
R

U
I

+

=
,
(1.1)

где Rх – сопротивление нагрузки.

Погрешность, вызванную изменением режима цепи при подклю
чении амперметра, можно вычислить следующим образом:

ΔI = IA – I = 

А
Х
R
R

U

+

–

Х
R

U = – I

A
Х

A

R
R

R

+

.             (1.2)

В относительной форме

I = –
%
100
%
100

Х

A

A
Х

A

R

R

R
R

R
−


+

.

При определении падения напряжения на нагрузке подключение 

вольтметра с внутренним сопротивлением RV (рис. 1.2) также вызовет 
погрешность. Если до включения вольтметра падение напряжения на 
нагрузке было UН = I∙RН, то после включения вольтметра

UV = I

V
Х

Х
V

R
R

R
R

+

.

Отсюда погрешность измерения 

U = UV – U = –

V
Х

Х

V
Х

Х

R
R

UR

R
R

IR

+

−
=

+

2

.
(1.3)

В относительной форме 

%
100
%
100

−



+

−
=

V

X

V
X

X

U
R

R

R
R

R

.

Эти погрешности можно отнести к методическим погрешностям, 

которые можно компенсировать введением в результаты измерений 

поправок, равных по величине значениям погрешностей с обратным 
знаком.

При измерении переменного тока приборы фиксируют действи
тельные значения токов и напряжений. Для оценки значений переменных токов и напряжений используют также понятия амплитудного (Um, Im) и среднего (Uср, Iср) значений за полупериод Т/2, которые можно определить по соотношениям Um/U = KA и U/Uср = КФ
(или Im / I = KA и I / Iср = KФ). При синусоидальном изменении формы 

кривой Ка =
2 и КФ = 1,11.

При измерении силы тока и падения напряжения на нагрузке их 

истинные значения будут отличаться от результатов измерений на величину возможных погрешностей используемых средств измерений. 

Для аналоговых средств измерений электрических параметров 

пределы допускаемых погрешностей измерений устанавливаются 
классами точности в абсолютной, относительной и приведенной формах. Соответствующие обозначения классов точности, вид тока и 
принцип действия прибора указаны на лицевой панели.

Порядок выполнения работы

1. По градуировке шкалы и условным обозначениям установить 

принцип действия приборов и основные характеристики.

2. Снять показания амперметра при положении переключателя 

«Вкл.» и отключенном вольтметре.

3. Включить вольтметр, установив штекер в гнездо в (см. рис. 1.2),

и записать показание прибора. 

4. Определить методические погрешности от подключения при
боров и внести поправки в результаты наблюдений.

5. Определить амплитудные и средние значения тока и напряжения.
6. По классу точности приборов определить пределы допускае
мых погрешностей измерений тока и напряжения.

7. Записать результаты измерений.
8. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Какими методами и средствами можно измерять силу тока и 

напряжение? Укажите их достоинства и недостатки.

2. В чем особенность измерения электрических параметров?
3. Почему вольтметры должны иметь большие внутренние сопро
тивления, а амперметры – малые?

4. Как определить предел допускаемой погрешности прибора по 

известному классу точности?

5. Какие составляющие погрешности влияют на погрешность из
мерения тока и напряжения?

6. Как записывается результат однократного измерения?
7. Могут ли быть отрицательными абсолютная и относительная 

погрешности?

8. Как изменяется достоверность измеряемой величины, если 

число измерений возрастает?

Литература: [2, с. 197…200].

Лабораторная работа № 2

КОСВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Задачи: 
1) ознакомиться с методами и средствами измерения электрического 

сопротивления, схемами подключения средств измерений к объектам;

2) освоить методику определения составляющих погрешности из
мерения электрического сопротивления.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

На практике большинство электрических измерений связано с 

определением сопротивлений нагрузки. Наиболее распространенным 
является способ амперметра – вольтметра, который может применяться для измерения различных по величине сопротивлений. Достоинство этого метода состоит в том, что через резистор можно пропускать такой же ток, который протекает через объект в рабочих условиях, что важно при измерении нелинейных сопротивлений. 

Значение сопротивления определяется по закону Ома:

A
V
Х
I
U
R
/
=

, 
(2.1)

где UV и IA – показания вольтметра и амперметра соответственно. 

При этом погрешность измерения состоит из погрешностей

вольтметра, амперметра и схемы подключения.

Действительные значения сопротивления: 
для схемы на рис. 2.1, а

V
V
A

V

V
A

V

Х

V

Х
R
U
I

U

I
I

U

I

U
R

/
−

=

−

=
=
;

для схемы на рис. 2.1, б

A

A
A
V

Х

A
Х
V

Х
I

R
I
U

I

R
I
U
R
−
=
−
=
,