เครื่องวัดแบบชี้ค่ากระแสตรง DC Indicating Instruments Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurement, NU

เครื่องวัดแบบชี้ค่ากระแสตรง ใช้พื้นฐานของขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval มาใช้วัดสัญญาณกระแสตรง สามารถใช้เป็นเครื่องมือวัดต่างๆ ดังนี้ - Ammeter วัดกระแส - Voltmeter วัดแรงดัน - Ohmmeter วัดความต้านทาน - Multi-meter วัดกระแส, แรงดัน, ความต้านทาน

Multi-meter DC Ammeter

DC Ammeter

แอมมิเตอร์กระแสตรง (DC Ammeter) ใช้ขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval (PMMC) เป็นส่วนประกอบสำคัญ ต้องมีปรับปรุงเรื่องพิสัยการวัด (range) เนื่องจาก ขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval สามารถวัดได้แต่ค่ากระแสน้อยๆ ( )

ในวงจรแอมมิเตอร์ จะแทนในส่วน ขดลวดเคลื่อนที่ (PMMC) ด้วยวงจรสมมูลดังรูป Im  กระแสที่ไหลผ่านขดลวดเคลื่อนที่ (Ifs = กระแสที่ไหลผ่านขดลวดสูงสุด) Rm  ความต้านทานภายใน (ความต้านทานขดลวดภายในขดลวดเคลื่อนที่)

โครงสร้างของ DC Ammeter

การขยายพิสัยการวัด ของ DC Ammeter เป็นการทำให้เครื่องมือวัด สามารถวัดกระแสได้ มากกว่า ค่ากระแส Im สามารถทำได้โดยต่อความต้านทานขนานเพื่อแบ่งกระแส (Shunt) ความต้านทานที่ต่อเข้ามาเรียก RShunt, Rsh เป็นความต้านทานค่าต่ำ ที่แบ่งกระแสจากขดลวดเคลื่อนที่ รู้ค่า Im, Rm  หาขนาด Rsh เพื่อใช้วัดกระแสได้สูงขึ้น

Ish  กระแสผ่าน Rsh Rsh  ความต้านทานของชันต์

+ Vm - ใช้หลักการทางวงจรไฟฟ้า มาวิเคราะห์หาค่า Rsh + Vsh - วงจรขนาน สมการโนด จะได้

ในกรณีที่ต้องการให้มิเตอร์วัดกระแสได้ n เท่าของ Im สามารถคำนวณหาค่า Rsh ได้จาก จะได้ จาก

ตัวอย่างที่ 1 จงคำนวณหาค่า Rsh ของแอมป์มิเตอร์ ที่มีค่ากระแสสเกลสูงสุด 1 mA และมีค่าความต้านทานภายในขดลวด 100 โดยต้องการใช้วัดกระแสระดับ 0 – 100 mA

สมการโนด (KCL) จะได้

ตัวอย่างที่ 2 แอมมิเตอร์เครื่องหนึ่งใช้ขดลวดเคลื่อนที่มีความต้านทาน 99 โอห์มกระแสไฟฟ้าเต็มสเกล 0.1 mA ต่อขนานกับชันต์ 1 ohm จงคำนวณหากระแสไฟฟ้ารวมที่ไหลเข้ามิเตอร์ แล้วเข็มชี้ไปที่ตำแหน่งกึ่งกลางของเต็มสเกล เข็มชี้ไปกึ่งกลาง  ครึ่งหนึ่งของกระแสไฟฟ้าเต็มสเกล (Ifs) จะได้

จาก จะได้ จากการใช้สมการโนด จะได้กระแสที่ไหลเข้ามิเตอร์ เป็น

Swamping Resistance ทำจาก ทองแดง (Cu) หรือ แมงกานิน (Mn) - สัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำ ใช้ชดเชยอุณหภูมิ เนื่องมาจากกระแสไหลผ่านความต้านทานขดลวด (I2R)  กระแสสูง  อุณหภูมิสูง อุณหภูมิที่สูงขึ้น จะสปริงก้นหอยจะลดความเครียดลง ทำให้เข็มมิเตอร์อ่านค่ากระแสได้ต่ำกว่าค่าจริง

แอมมิเตอร์หลายย่านวัดแบบ Single Shunt ในแต่ละย่านวัดจะมีความต้านทานชันท์แยกอิสระต่อกัน เปลี่ยนย่านวัดโดยใช้สวิตช์เลือก (Selector Switch) ข้อเสีย ขณะเปลี่ยนย่านวัด กระแสจะไหลเข้าขดลวดเคลื่อนที่จนเกิดความเสียหายได้ แก้ปัญหาโดย ใช้สวิตช์เลือกย่านแบบต่อก่อนตัด (Make before Break Switch)

แอมมิเตอร์หลายย่านวัดแบบ Ayrton Shunt บางครั้งเรียก “Universal Shunt” การหาค่า Ra, Rb, Rc จะหามาจากแต่ละย่านวัด (I1, I2, I3)

ย่านวัด I1 หา Rsh1 จากวงจร จาก จะได้

ย่านวัด I2 หา Rsh2 จากวงจร

วงจรขนาน จาก จะได้

จะได้ Rsh2 เท่ากับ หาค่า Rsh2 ได้ จะสามารถหาค่า Ra ได้จาก

ย่านวัด I3 หา Rsh3 จากวงจร

วงจรขนาน จาก จะได้

จะได้ Rsh3 เท่ากับ ** หาค่า Rsh2 , Rsh3 (Rc) ได้ จะสามารถหาค่า Rb ได้จาก

สรุป การออกแบบแอมมิเตอร์แบบ Ayrton Shunt ย่านวัด I1 (ย่านวัดต่ำสุด) ย่านวัด I2

สรุป การออกแบบแอมมิเตอร์แบบ Ayrton Shunt (ต่อ) ย่านวัด I3 (ย่านวัดสูงสุด) กรณีเพิ่มย่านการวัดเป็น I4, I5 ก็จะคำนวณค่า Rsh4, Rsh5 ทำนองเดียวกับกรณีย่านการวัด I2, I3

ตัวอย่างที่ 3 จงหาความต้านทาน Ra, Rb, Rc ของแอมมิเตอร์แบบ Ayrton Shunt

ย่านวัด I1 (10 mA)

ย่านวัด I2 (100 mA) หา Ra และ Rsh2

ย่านวัด I3 (1 A) หา Rc (Rsh3 )และ Rb

ออกแบบแอมมิเตอร์แบบ Ayrton Shunt ได้เป็น

ความผิดพลาดเนื่องจากการใส่แอมมิเตอร์เข้าไปในวงจร (Ammeter Insertion Effects, Ammeter Loading Effects) การต่อแอมมิเตอร์เข้าไป เหมือนเป็นการเพิ่มความต้านทานเข้าไปในวงจร กระแสที่ไหลในวงจรจะเปลี่ยนไป มาก/น้อย ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนความต้านทานเดิมกับความต้านทานของแอมมิเตอร์

ก่อนใส่แอมมิเตอร์ ค่ากระแสต้องการ หลังใส่แอมมิเตอร์ ได้ค่ากระแส กระแสลดลงจากเดิม

ตัวอย่างที่ 4 ต้องการวัดกระแสที่ไหลผ่าน Rc ของวงจรดังรูป โดยแอมมิเตอร์ที่ใช้วัดมีความต้านทานภายใน 78 Ohm จงคำนวณหาค่าเปอร์เซ็นความผิดพลาดจากการต่อแอมมิเตอร์เข้าไปในวงจร

กรณีไม่ได้ต่อแอมมิเตอร์

ใช้กฏการแบ่งกระแส (Current Divider) เพื่อหากระแสที่ไหลผ่าน Rc

กรณีต่อแอมมิเตอร์

ใช้กฏการแบ่งกระแส (Current Devider) เพื่อหากระแสที่ไหลผ่าน Rc

เปอร์เซ็นต์ของความผิดพลาด (Percentage of Error)

กรณีที่แอมมิเตอร์มี Rsh ต่อขนานอยู่เพื่อการขยายพิสัย จะทำให้แอมมิเตอร์มีความต้านทานภายใน (Rin) เท่ากับ Rin

Rin กรณี กระแสของย่านวัด I มีค่ามากกว่า กระแสไฟฟ้าขดลวด Im เท่ากับ n เท่า จะได้ ความต้านทานภายใน เท่ากับ

ก่อนต่อ ผลจาก Loading Effect หลังต่อ

ค่าความถูกต้อง (Accuracy : A) เปอร์เซ็นต์ค่าความผิดพลาด คือ

ข้อควรระวังในการใช้แอมมิเตอร์ ความผิดพลาดเนื่องจากความฝืด (Friction Error) เนื่องจากส่วนเคลื่อนที่จะถูกวางให้หมุนอยู่บนเดือย ซึ่งอาจมีความฝืดเกิดขึ้น ความผิดพลาดเนื่องจากอุณหภูมิ (Temperature Error) เกิดจากเส้นแรงแม่เหล็ก แรงของสปริง และขดลวดในมิเตอร์ มีค่าที่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ ห้ามต่อแอมมิเตอร์คร่อมแหล่งกำเนิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า เพราะจะมีค่ากระแสสูงมากจากแหล่งกำเนิด ไหลผ่านแอมมิเตอร์

ข้อควรระวังในการใช้แอมมิเตอร์ (ต่อ) การต่อแอมมิเตอร์เข้ากับวงจรต้องต่อให้ถูกขั้ว มิฉะนั้นเข็มจะตีกลับข้าง ทำให้มิเตอร์เสียหาย ถ้ายังไม่แน่ใจว่ากระแสที่วัดมีค่าเท่าไร ให้ตั้งแอมมิเตอร์ไว้ที่พิสัยที่ค่ากระแสสูงที่สุด