เครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า (เชิงอนุมาน) Electromechanical Indicating Instruments Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, NU

เครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า เป็นเครื่องวัดปริมาณไฟฟ้า ที่แสดงค่าปริมาณที่วัด โดยทำให้เข็มชี้เคลื่อนที่บนสเกลที่ถูกปรับตั้งไว้แล้ว ขณะทำการวัด เข็มชี้จะเคลื่อนที่จากตำแหน่งเดิม ไปชี้ค่าบนสเกล เมื่อเลิกทำการวัด เข็มชี้จะเคลื่อนที่กลับสู่ตำแหน่งเริ่มต้น (เดิม)

เครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า (Indicating Instruments)

ประเภทเครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า แบ่งตามชนิดของรูปคลื่นสัญญาณ เครื่องวัดกระแสตรง (Direct Current) 2. เครื่องวัดกระแสสลับ (Alternating Current)

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

Watt Meter มักใช้หลักการทาง Electrodynamic

ลักษณะการทำงานของเครื่องวัดไฟฟ้าแบบชี้ค่า วัดค่าจากปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดเคลื่อนที่หรือขดลวดหมุน (moving coil) ซึ่งเป็นส่วนเคลื่อนที่ของเครื่องวัด (Meter Movement) ขดลวดเคลื่อนที่จะมีเข็มชี้ (Pointer) ติดอยู่ ซึ่งจะเคลื่อนที่หมุนพร้อมกันเพื่อชี้ค่าที่วัดได้จากสเกลบนหน้าปัด ค่าที่วัดได้ มาก/น้อย ขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสที่ไหลผ่านขดลวด

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)

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)

The d'Arsonval galvanometer

Hans Christian Oersted Jacques D’Arsonval

กระแสไหลผ่านลวดตัวนำ จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นล้อมรอบ

แม่เหล็กไฟฟ้า จากการค้นพบของ Hans Christian Oersted

Left Hand Rule or Motor Rule หลักการเบื้องต้นของ Moving Coil Galvanometer

String Galvanometer ใช้อำนาจแม่เหล็กจากสนามแม่เหล็กโลก (Natural Magnetic Field of the earth)

อีกรูปแบบหนึ่งของ D’Arsonval Galvanometer

โครงสร้างของขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval Front Side

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 http://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Electrical_Measurements/DArsonval_Galvanometer/DArsonval_Galvanometer.html

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)

1. แรงเบี่ยงเบนหรือแรงขับ (Deflection of Operating Force) แรงที่ทำให้หน้าที่พาเข็มชี้ให้บ่ายเบี่ยง หรือเคลื่อนที่ออกไปชี้ค่าบนสเกล การสร้างแรงอาศัยผลของอำนาจแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อมีกระแส (ปริมาณที่ต้องการวัดค่า) ไหลผ่านขดลวด จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะเหนี่ยวนำแกนเหล็กเคลื่อนที่ ทำให้เข็มชี้เคลื่อนที่ไปชี้ค่าบนสเกล

N S

2. แรงควบคุมหรือแรงสปริง (Controlling of Spring Force) เป็นแรงที่ควบคุมแรงเบี่ยงเบน หรือ คอยต้านแรงเบี่ยงเบน เพื่อให้เข็มชี้เคลื่อนที่ไปชี้ค่าที่ถูกต้องบนสเกล ถ้าไม่มีแรงควบคุม เข็มอาจจะเคลื่อนที่เลยค่าที่ถูกต้อง หรือ ไม่ยอมกลับมาที่จุดเริ่มต้นเมื่อเลิกวัดแล้ว เข็มชี้จะหยุดเคลื่อนที่ เมื่อ “แรงเบี่ยงเบนกับแรงควบคุมเท่ากัน”

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

ลักษณะการหน่วง

สร้างแรงหน่วงโดยใช้การเหนี่ยวนำด้วยกระแสไหลวนในจานอลูมิเนียม เพื่อหยุดการสั่นหรือแกว่งของเข็มชี้

สร้างแรงหน่วงโดยใช้ลูกสูบ

สร้างแรงหน่วงโดยใช้อากาศ หรือ ของเหลว

สมการแรงบิด (Torque Equation) เมื่อกระแสไหลผ่านขดลวดจำนวน 1 รอบ จะทำให้เกิดแรงผลักกันระหว่างสนามแม่เหล็กของขดลวดเคลื่อนที่ในแต่ละด้านและเกิดแรง F

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]

แรงบิดเบี่ยงเบน (Deflecting Torque, Td) 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]

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 (งานทางไฟฟ้ากำลัง) จะมีความแม่นยำหรือความถูกต้องจากการวัดที่ความถี่ย่าน 25 – 125 Hz

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

+ - N S N S B

หลักการทำงาน (กระแสสลับ, AC) 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

โครงสร้างขดลวดเคลื่อนที่แบบใบพัดเหล็ก

หลักการทำงานขดลวดเคลื่อนที่แบบใบพัดเหล็ก เมื่อมีกระแสไหลผ่านขดลวดคงที่จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น สนามแม่เหล็กจะทำให้ใบพัดเหล็กอ่อนทั้งสองถูกเหนี่ยวนำเป็นแม่เหล็กอ่อนที่มีขั้วแม่เหล็กเหมือนกัน ขั้วแม่เหล็กเหมือนกัน จึงเกิดการผลักกันทำให้เข็มชี้เคลื่อนที่ เข็มชี้มาก / น้อย เป็นไปตามกำลังสองของกระแสไฟฟ้า (I2) ที่ไหลผ่านขดลวดคงที่  สเกลมิเตอร์เป็นแบบ Square Law Meter Scale

การทำงานของขดลวดเคลื่อนที่แบบใบพัดเหล็ก

การใช้งานมิเตอร์แบบใบพัดเหล็กเคลื่อนที่ สามารถใช้งานได้กับกระแสตรง (DC) และ กระแสสลับ (AC) การวัดกระแสตรง - จะมีกระแสไหลวนในขดลวดคงที่ขณะใบพัดเหล็กอ่อนเคลื่อนที่  เกิดความผิดพลาดในการวัด - ใช้ทำเป็นเครื่องวัดการชาร์จแบตเตอรี่ในรถยนต์ 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

เทอร์โมคัปเปิ้ล (Thermocouple) เมื่อนำลวดโลหะ 2 เส้นที่ทำด้วยโลหะต่างชนิดกันมาเชื่อมต่อปลายทั้งสองเข้าด้วยกัน ถ้าปลายจุดต่อทั้งสองมีอุณหภูมิต่างกัน จะเกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจรเส้นลวดทั้งสอง ถ้าเปิดปลายจุดต่อด้านหนึ่งออก จะทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าขึ้นที่ปลายด้านเปิดแรงเคลื่อนไฟฟ้านี้เรียก “ซีเบ็ค โวลเตจ (Seebeck Voltage)”

A B Seebeck Voltage

โครงสร้างขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล

วงจรสมมูลของขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล

หลักการทำงานขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล เมื่อมีกระแสไหลผ่านขดลวดความร้อน จะเกิดความร้อนที่รอยต่อของเทอร์โมคัพเปิล เทอร์โมคัพเปิลจะแปลงความร้อนให้เป็นแรงดันไฟฟ้า 0 – 10 mV ป้อนให้กับขดลวดเคลื่อนที่ ขดลวดเคลื่อนที่เมื่อได้รับแรงดัน จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แล้วเกิดเป็นแรงบิดตามหลักขดลวดแบบ PMMC

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง กระแส อุณหภูมิ และแรงดัน ในตัวขดลวดเคลื่อนที่แบบเทอร์โมคัพเปิล

End of Lesson