เครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า (เชิงอนุมาน) Electromechanical Indicating Instruments ปิยดนัย ภาชนะพรรณ์

เครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า เป็นเครื่องวัดปริมาณไฟฟ้า ที่แสดงค่าปริมาณที่วัด โดยทำให้เข็มชี้เคลื่อนที่บนสเกลที่ถูกปรับตั้งไว้แล้ว ขณะทำการวัด เข็มชี้จะเคลื่อนที่จากตำแหน่งเดิม ไปชี้ค่าบนสเกล เมื่อเลิกทำการวัด เข็มชี้จะเคลื่อนที่กลับสู่ตำแหน่งเริ่มต้น (เดิม) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

เครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า

ประเภทเครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า แบ่งตามชนิดของรูปคลื่นสัญญาณ เครื่องวัดกระแสตรง (Direct Current) 2. เครื่องวัดกระแสสลับ (Alternating Current) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

แบ่งตามการนำไปใช้งาน - เครื่องวัดในห้องปฏิบัติการวัด (Laboratory Standard Instrument) - เครื่องวัดแบบหิ้ว (Portable Instruments) - เครื่องวัดแบบติดแผง (Panel; Switch Board Instruments) แบ่งตามผลที่นำมาใช้ให้มันทำงาน - ผลแม่เหล็ก (Magnetic) เช่น Ammeter, Voltmeter - ผล Electrodynamic เช่น Ammeter, Voltmeter, Wattmeter - ผล Electromagnetic เช่น Ammeter, Voltmeter, Wattmeter และ Watt-hour Meter

ลักษณะการทำงานของเครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า วัดค่าจากปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดเคลื่อนที่หรือขดลวดหมุน (moving coil) ซึ่งเป็นส่วนเคลื่อนที่ของเครื่องวัด (Meter Movement) ขดลวดเคลื่อนที่จะมีเข็มชี้ (Pointer) ติดอยู่ ซึ่งจะเคลื่อนที่หมุนพร้อมกันเพื่อชี้ค่าที่วัดได้จากสเกลบนหน้าปัด ค่าที่วัดได้ มาก/น้อย ขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสที่ไหลผ่านขดลวด Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ชนิดของขดลวดเคลื่อนที่ (Type of Moving Coils) 1) ขดลวดเคลื่อนที่แบบดาร์สันวัล (D’Arsonval Moving Coil) 2) ขดลวดเคลื่อนที่แบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ (Electrodynamometer Moving Coil) 3) ขดลวดเคลื่อนที่แบบใบพัดเหล็ก (Iron - Vane Moving Coil) 4) ขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล (Thermocouple Moving Coil) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval ค.ศ.1820 Hans Christian Oersted พบว่าเมื่อกระแสไหลผ่านลวดตัวนำ จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นล้อมรอบ ค.ศ.1881 Jacques D’Arsonval นำหลักการนั้นมาทำเป็น Moving Coil Galvanometer พัฒนาเป็นพื้นฐานของเครื่องมือวัดไฟฟ้าในปัจจุบัน จึงเรียกว่าส่วนเคลื่อนที่มิเตอร์แบบ D’Arsonval มีชื่อเรียกอีกอย่างว่า Permanent Magnet Moving Coil (PMMC) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

กระแสไหลผ่านลวดตัวนำ จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นล้อมรอบ

การค้นพบของ Hans Christian Oersted

หลักการเบื้องต้นของ Moving Coil Galvanometer

String Galvanometer ใช้อำนาจแม่เหล็กจากสนามแม่เหล็กโลก (Natural Magnetic Field of the earth)

I N S

โครงสร้างของขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval Front Side Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ที่รองรับแกนขอลวดเคลื่อนที่ (Jewel Bearing) จะต้องไม่มีแรงเสียงทานกับปลายแกนของขดลวด 1. ที่รองรับแกนแบบตัว วี (V Jewel Bearing)

ที่รองรับแกนขอลวดเคลื่อนที่ (Jewel Bearing) 2. ที่รองรับแกนแบบห้อยแขวนเทาท์แบนด์ (Taut Band Suspension)

หลักการทำงานของขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้ขดลวดจะเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น สนามแม่เหล็กถาวรจะผลักให้ขดลวดเคลื่อนที่หมุน ซึ่งจะทำให้เข็มชี้หมุนด้วย เข็มจะชี้ค่าที่วัดได้บนสเกล เป็นไปตามปริมาณกระแสที่ไหลผ่านขดลวด Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

แรงทางกลของเครื่องมือวัด แรงที่ทำให้เข็มชี้เคลื่อนที่ มีอยู่หลายชนิด และ บางครั้งเรียกว่า “แรงบิด (Torque)” แบ่งแรงทางกลได้เป็น 3 ชนิด ดังนี้ 1. แรงเบี่ยงเบนหรือแรงขับ (Deflection of Operating Force) 2. แรงควบคุมหรือแรงสปริง (Controlling of Spring Force) 3. แรงหน่วงหรือแดมปิ้ง (Damping Force) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

1. แรงเบี่ยงเบนหรือแรงขับ (Deflection of Operating Force) แรงที่ทำให้หน้าที่พาเข็มชี้ให้บ่ายเบี่ยง หรือเคลื่อนที่ออกไปชี้ค่าบนสเกล การสร้างแรงอาศัยผลของอำนาจแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อมีกระแส (ปริมาณที่ต้องการวัดค่า) ไหลผ่านขดลวด จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะเหนี่ยวนำแกนเหล็กเคลื่อนที่ ทำให้เข็มชี้เคลื่อนที่ไปชี้ค่าบนสเกล Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

2. แรงควบคุมหรือแรงสปริง (Controlling of Spring Force) เป็นแรงที่ควบคุมแรงเบี่ยงเบน หรือ คอยต้านแรงเบี่ยงเบน เพื่อให้เข็มชี้เคลื่อนที่ไปชี้ค่าที่ถูกต้องบนสเกล ถ้าไม่มีแรงควบคุม เข็มอาจจะเคลื่อนที่เลยค่าที่ถูกต้อง หรือ ไม่ยอมกลับมาที่จุดเริ่มต้นเมื่อเลิกวัดแล้ว เข็มชี้จะหยุดเคลื่อนที่ เมื่อ “แรงเบี่ยงเบนกับแรงควบคุมเท่ากัน” Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ใช้สปริงก้นห้อยสร้างแรงควบคุม

ด้านข้าง

สร้างแรงบิดควบคุมโดยใช้น้ำหนักถ่วง

3. แรงหน่วงหรือแดมปิ้ง (Damping Force) แรงที่ทำหน้าที่หน่วงไม่ให้เข็มชี้เกิดการแกว่ง หรือ สวิงขณะที่เข็มชี้เกิดการเคลื่อนที่ แรงหน่วงมี 3 ระดับ 1. หน่วงพอดี (Critical Damping) ไว, แกว่งน้อยมาก 2. หน่วงมากไป (Over Damping) เข็มเคลื่อนช้า 3. หน่วงน้อยไป (Under Damping) แกว่ง Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ลักษณะการหน่วง

สร้างแรงหน่วงโดยใช้การเหนี่ยวนำด้วยกระแสไหลวนในจานอลูมิเนียม เพื่อหยุดการสั่นหรือแกว่งของเข็มชี้

สร้างแรงหน่วงโดยใช้ลูกสูบ

สร้างแรงหน่วงโดยใช้อากาศ หรือ ของเหลว

สมการแรงบิด (Torque Equation) เมื่อกระแสไหลผ่านขดลวดจำนวน 1 รอบ จะทำให้เกิดแรงผลักกันระหว่างสนามแม่เหล็กของขดลวดเคลื่อนที่ในแต่ละด้านและเกิดแรง F Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

แรง F จะเกิดทั้ง 2 ด้านของขดลวดที่มีจำนวน n รอบ เมื่อ B - ความหนาแน่นของเส้นแรงแม่เหล็กในช่องว่างอากาศ (Wb/m2 หรือ tesla) i - กระแสไฟฟ้า (A) l - ความยาวของขดลวด (m) แรง F จะเกิดทั้ง 2 ด้านของขดลวดที่มีจำนวน n รอบ [N]

แรงที่เกิดในแนวรัศมี r จะเกิดเป็น แรงบิดเบี่ยงเบน (Deflecting Torque : Td) ถ้าให้ d เป็นเส้นผ่านศูนย์กลางขดลวด จะได้ Td เป็น [N.m] ถ้าพิจารณาจากพื้นที่หน้าตัด (A)ของลวดตัวนำที่พัน จะได้ Td เป็น [N.m]

ตัวอย่างที่ 1 เครื่องมือวัดแบบ D’Arsonval มีขดลวด 100 รอบ ความหนาแน่นสนามแม่เหล็กในช่องว่างอากาศเท่ากับ 0.2 tesla ขดลวดมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 cm ยาว 1.5 cm กระแสไหลผ่านขดลวด 1 mA จงหา แรงบิดเบี่ยงเบน (Td) ที่จะเกิดขึ้น [N.m] Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

แรงบิดควบคุม (Control Torque, Tc) แรงบิดที่ใช้ต้านกับแรงบิดเบี่ยงเบน Td แรงที่เกิดจากสปริงก้นหอย [N.m] เมื่อ K - ค่าคงที่ของสปริงก้นหอย - มุมที่เข็มชี้เคลื่อนที่ (องศา)

เมื่อเข็มชี้หยุดนึ่ง แสดงว่า Td = Tc จะได้ ถ้าให้เข็มหยุดที่มุม ซึ่งเป็นมุมเบี่ยงเบน จะหาค่าได้จาก สรุป - มุมเบี่ยงเบนแปรผันตามค่ากระแส - สเกลของมุมที่เปลี่ยนไปจะเป็นแบบเชิงเส้น (linear)

สเกลแบบเชิงเส้นของเครื่องมือวัด D’Arsonval

ขดลวดเคลื่อนที่แบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ (Electrodynamometer Moving Coil) ประกอบด้วยขดลวดสนามแม่เหล็กไฟฟ้า 2 ชุด - ขดลวดคงที่ (Fixed Coils) - ขดลวดเคลื่อนที่ (Moving Coils)

โครงสร้างขดลวดเคลื่อนที่แบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ Air Damping

การใช้งานอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ ใช้วัดได้ทั้งสัญญาณกระแสไฟฟ้าตรงและกระแสสลับ ใช้วัดแรงดัน กระแส กำลังไฟฟ้า วาร์มิเตอร์ ความถี่ และ ตัวประกอบกำลังไฟฟ้า เหมาะสำหรับใช้งานวัดกระแสสูงๆ จะมีความแม่นยำหรือความถูกต้องจากการวัดที่ความถี่ย่าน 25 – 125 Hz

หลักการทำงาน (กระแสตรง) กระแสที่ต้องการวัด จะไหลในขดลวดคงที่ ซึ่งจะสร้างอำนาจสนามแม่เหล็ก เหมือนกับแม่เหล็กถาวร กระแสจะไหลผ่านขดลวดเคลื่อนที่ ซึ่งจะสร้างอำนาจสนามแม่เหล็กออกมาผลักกับสนามแม่เหล็กจากขดลวดคงที่ ส่งผลให้ขดลวดเคลื่อนที่มีการหมุน ขอลวดเคลื่อนที่หมุน  เข็มชี้หมุนตาม มีแรง Air Damping จากการใช้ใบพัด ไว้เป็นแรงหน่วง

หลักการทำงาน (กระแสสลับ) กระแสสลับ ใน 1 คาบ จะมีสัญญาณที่เป็น ค่าบวก และ ค่าลบ ต้องพิจารณาการทำงานทีละ 0.5 คาบ

ป้อนกระแสเข้าด้านบน ขดลวดคงที่ ด้านบนเกิดเป็นขั้วใต้ (S) ด้านล่างเป็นขั้วเหนือ (N) ขดลวดเคลื่อนที่ เกิดเป็นขั้วเหนือ (N) ทางด้านซ้ายมือ เกิดเป็นขั้วใต้ (S) ทางด้านขวามือ ขั้วแม่เหล็กเหมือนกันผลักกัน  เข็มชี้หมุนไปในทิศตามเข็ม

ป้อนกระแสเข้าด้านล่าง ขดลวดคงที่ ด้านบนเกิดเป็นขั้วเหนือ (N) ด้านล่างเป็นขั้วใต้ (S) ขดลวดเคลื่อนที่ เกิดเป็นขั้วเหนือ (N) ทางด้านขวามือ เกิดเป็นขั้วใต้ (S) ทางด้านซ้ายมือ ขั้วแม่เหล็กเหมือนกันผลักกัน  เข็มชี้หมุนไปในทิศตามเข็ม (เช่นกัน)

แรงบิดเบี่ยงเบน (Td) ที่ทำให้ขดลวดหมุน จะมีค่าสัดส่วนตรงกับกำลังสองของกระแสที่ไหลผ่าน สเกลของอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์จะเป็นแบบ Square Law Scale

Square Law Scale

ขดลวดเคลื่อนที่แบบใบพัดเหล็ก (Iron – Vane Moving Coil) มีชื่อเรียกอีกอย่างว่า “Repulsion Moving Vane” ประกอบด้วย ขดลวดคงที่ (Fix Coil) และ ใบพัดเหล็กอ่อน 2 ใบ (Iron Vane) ใบพัดเหล็กอ่อน จะยึดติดกับขดลวดคงที่ 1 อัน ส่วนอีกอันจะอยู่กับแกนของเข็มชี้ Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

โครงสร้างขดลวดเคลื่อนที่แบบใบพัดเหล็ก

หลักการทำงานขดลวดเคลื่อนที่แบบใบพัดเหล็ก เมื่อมีกระแสไหลผ่านขดลวดคงที่จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น สนามแม่เหล็กจะทำให้ใบพัดเหล็กอ่อนทั้งสองถูกเหนี่ยวนำเป็นแม่เหล็กอ่อนที่มีขั้วแม่เหล็กเหมือนกัน ขั้วแม่เหล็กเหมือนกัน จึงเกิดการผลักกันทำให้เข็มชี้เคลื่อนที่ เข็มชี้มาก / น้อย เป็นไปตามกำลังสองของกระแสไฟฟ้า (I2) ที่ไหลผ่านขดลวดคงที่  สเกลมิเตอร์เป็นแบบ Square Law Meter Scale Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

การใช้งานมิเตอร์แบบใบพัดเหล็กเคลื่อนที่ สามารถใช้งานได้กับกระแสตรงและกระแสสลับ การวัดกระแสตรง - จะมีกระแสไหลวนในขดลวดคงที่ขณะใบพัดเหล็กอ่อนเคลื่อนที่  เกิดความผิดพลาดในการวัด - ใช้ทำเป็นเครื่องวัดการชาร์จแบตในรถยนต์ การวัดกระแสสลับ - เปอร์เซ็นต์ผิดพลาด 5 – 10 % - ใช้กับย่านความถี่ 25 – 125 Hz

ขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล (Thermocouple Moving Coil) ประกอบด้วย 3 ส่วน คือ - ขดลวดความร้อน - เทอร์โมคัพเปิล - ขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arvanson ใช้วัดได้ทั้งกระแสตรงและกระแสสลับที่มีความถี่สูงๆ (> 50 MHz) วัดกระแสได้มากถึง 50 mA Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

โครงสร้างขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล

วงจรสมมูลของขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล

หลักการทำงานขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล เมื่อมีกระแสไหลผ่านขดลวดความร้อน จะเกิดความร้อนที่รอยต่อของเทอร์โมคัพเปิล เทอร์โมคัพเปิลจะแปลงความร้อนให้เป็นแรงดันไฟฟ้า 0 – 10 mV ป้อนให้กับขดลวดเคลื่อนที่ ขดลวดเคลื่อนที่เมื่อได้รับแรงดัน จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แล้วเกิดเป็นแรงบิดตามหลักขดลวดแบบ PMMTC Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง กระแส อุณหภูมิ และแรงดัน ในตัวขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล