เครื่องวัดแบบชี้ค่ากระแสสลับ AC Indicating Instruments ปิยดนัย ภาชนะพรรณ์

เครื่องวัดแบบชี้ค่ากระแสสลับ พื้นฐานของไฟฟ้ากระแสสลับ ชนิดของเครื่องมือวัดแต่ละชนิด - เอซีโวลต์มิเตอร์ (AC Voltmeter) หรือ เครื่องวัดแบบเรียงกระแสไฟฟ้า (Rectifier Instrument) - เครื่องวัดแบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ (Electrodynamometer) - เครื่องวัดแบบใบพัดเหล็กเคลื่อนที่ (Iron-Vane Moving Coil Meter) - เครื่องวัดแบบเทอร์โมคัพเปิล (Thermocouple Meter) - เครื่องวัดแบบไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Meter) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ความแตกต่างระหว่างสัญญาณ DC กับ AC AC Signal DC Signal Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

สัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ สัญญาณไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาด (Amplitude) ทิศทาง (Direction) และความถี่ (Frequency) ตามคาบเวลา (Time Period) สัญญาณมีลักษณะแตกต่างกัน เช่น Sine Wave, Triangle Wave, Square Wave, Pulse และ Spike Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

การผลิตสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

สัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ Vm Im i ตามหลัง v เป็นมุม

การผลิตแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ 1 เฟส (Instantaneous 1 phase Voltage Generation)

จุด มุม v 0o 0 V 7 210o -0.5 V 1 30o 0.5 V 8 240o -0.866 V 2 60o 0.866 V 9 270o - 1.0 V 3 90o 1.0 V 10 300o 4 120o 11 330o 5 150o 12 360o 6 180o

การผลิตแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ 3 เฟส (Instantaneous 3 phase Voltage Generation) ขดลวด 3 ชุด ทำมุมต่างกันทางไฟฟ้า 120 o Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

การวัดค่าสัญญาณกระแสสลับ เนื่องจากสัญญาณแปรตามเวลา จะวัดโดยตรงไม่ได้ การวัดต้องใช้ค่าลักษณะเฉพาะบางอย่างแทน ค่าที่กำหนดมี 3 ชนิด 1. ค่ายอดถึงยอด (Peak to Peak) 2. ค่าเฉลี่ย (Average Value) 3. ค่าประสิทธิผล (Root Mean Square, RMS) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ค่ายอดถึงยอด (Peak to Peak, Ep-p) ค่าแรงดันนับจากยอดบวกถึงยอดลบของรูปคลื่น บางทีจะใช้ค่าสูงสุดแทน (Maximum Value) Ep-p – แรงดัน Peak 2 Peak

ค่าเฉลี่ย (Average Value, Eav) พื้นที่ทั้งหมดภายใต้เส้นโค้งหารด้วยช่วงเวลา พื้นที่ใต้เส้นโค้ง ความยาวของช่วงเวลา

ค่าเฉลี่ยของแรงดันกระแสสลับ ผลรวมของพื้นที่ใต้กราฟใน 1 คาบ (T) ของสัญญาณ AC  0 ค่า Eav ใน 1 คาบของสัญญาณ AC มีค่าเท่ากับ 0

ค่าประสิทธิผล (Root Mean Square, Erms) ค่า rms ของ f (t) ระหว่าง t2 – t1 คือ Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

กรณีสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับที่เป็น sine wave หาค่า rms ได้เป็น

ฟอร์มแฟคเตอร์ (Form Factor) อัตราส่วนของ ค่า rms ต่อ ค่าเฉลี่ย ของสัญญาณต่างๆ ฟอร์มแฟคเตอร์ของแรงดัน ฟอร์มแฟคเตอร์ของกระแส Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

เครื่องวัดแบบชี้ค่าแรงดันกระแสสลับ AC Indicating Voltage Meter

เอซีโวลต์มิเตอร์ (AC Voltmeter) เนื่องจากขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval จะทำงานเฉพาะกับไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เท่านั้น สัญญาณที่จะวัดจะต้องแปลงสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ  สัญญาณไฟฟ้ากระแสตรง ก่อนต่อเข้าขดลวดเคลื่อนที่ แปลงสัญญาณ AC ให้เป็น DC โดยใช้วงจรเรียงกระแส (Rectifier Circuit) ความไวของ AC Meter จะต่ำกว่า DC Meter (ขดลวดชุดเดียวกัน) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

วงจรเรียงกระแส (Rectifier) ใช้ไดโอด (Diode) ทำหน้าที่เรียงกระแสไฟฟ้า เพื่อเปลี่ยนแรงดันกระแสสลับให้เป็นแรงดันกระแสตรง วงจรเรียงกระแสที่ใช้ในเอซีโวลต์มิเตอร์มี 2 วงจร คือ 1. วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Half Wave Rectifier) 2. วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full Wave Rectifier) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ไดโอด (Diode) เป็นอุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ p - n ซึ่งสามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกไหลผ่านตัวมันได้ทิศทางเดียว A K Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ลักษณะการทำงานของไดโอด A K Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

สัญญาณจากวงจรเรียงกระแส Half Wave AC signal Full Wave

วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบครึ่งคลื่น Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบครึ่งคลื่น แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบครึ่งคลื่น กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น มีการต่อวงจรที่เป็นที่นิยมอยู่ 2 แบบ แบบแทปกลางหม้อแปลง (Center Tab Transformer) 2. แบบบริดจ์ (Bridge) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น แบบแทปกลางหม้อแปลง Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ครึ่งคาบบวก (+) ** ลูกศร คือ ทิศทางอิเล็กตรอน ครึ่งคาบลบ (-)

วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น แบบบริดจ์ (Bridge) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ครึ่งคาบบวก (+) ** ลูกศร คือ ทิศทางอิเล็กตรอน ครึ่งคาบลบ (-)

วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

เพื่อให้สัญญาณขาออกเป็น DC มากขึ้น จะมีการต่อตัวกรองที่ด้านขาออก Low pass Filter

สัญญาณที่ได้เมื่อผ่านตัวกรอง ใกล้เคียงสัญญาณ DC มากขึ้น

เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสครึ่งคลื่น (Half Wave Rectifier AC Voltmeter) ขดลวดเคลื่อนที่ PMMC Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

การออกแบบ เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสครึ่งคลื่น สมมติให้ความต้านทาน (Rd) และ แรงดัน (Vd) คร่อมไดโอดเป็นศูนย์ พิจารณาวงจรเฉพาะช่วงสัญญาณเป็นครึ่งไซเคิลบวก (VP, IP) Vm Vm Im ** มีแต่โหลดความต้านทาน v กับ i อินเฟสกัน

ครึ่งไซเคิลบวก (+) จะได้ Half Wave (ac) (dc)

แทนค่า VP , IP จะได้ จาก จะได้

ความไวของเครื่องวัดกระแสสลับ (Half Bridge) กระแสตรง (DC) กระแสสลับ (AC) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ตัวอย่างที่ 1 จงคำนวณหาค่าความต้านทานอนุกรมของ AC Voltmeter เพื่อให้ขดลวดเคลื่อนที่มี ต้องการขยายย่านวัดเป็น 10 V 10 Vrms Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

จาก จะได้

ตัวอย่างที่ 1 ขดลวดเคลื่อนที่มี ให้ขยายย่านวัดเป็น AC Voltmeter แบบเรียงกระแสครึ่งคลื่น เป็น 10 V, 50 V และ 100 V จงหา 1. ค่า Rs1, Rs2 และ Rs3 2. ความไวกระแสสลับของมิเตอร์

ย่าน V1=10 ย่าน V1=50

ย่าน V1=100 V1 = Rm + Rs1 ความต้านทาน ภายในแต่ละย่าน V2 = Rm + Rs1+ Rs2 V3 = Rm + Rs1+ Rs2+ Rs3

ค่าความไวของเครื่องมือวัด AC

ไดโอดเรียงกระแสไฟฟ้า แบบ 3 ขา มีไดโอดอีกตัว (D2) ไว้คอยป้องกันกระแสย้อนกลับ (Reverse Current) ของไดโอด D1 Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

จะมีกระแสไหล ถึงแม้จะเป็นการไบอัสแบบย้อนกลับ

ตัวอย่างที่ 2 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดมีค่า 10 Vrms จงคำนวณหา 1) ค่า Rs 2) ค่า Sac และ Sdc

จากวงจร จะได้

หา Sac และ Sdc

AC Voltmeter แบบครึ่งคลื่น โดยใช้ไดโอด 3 ขา แบบหลายย่าน Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ตัวอย่างที่ 3 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดเป็น 30 Vrms และ 50 Vrms จงคำนวณหาความต้านทานอนุกรม Rs1 และ Rs2 100

วิธีการวิเคราะห์ทำนองเดียวกับ ตัวอย่างที่ 2 ย่านวัด V1 = 30 Vrms

ย่านวัด V2 = 50 Vrms IT เท่าเดิม

เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสเต็มคลื่น (Full Wave Rectifier AC Voltmeter) นิยมใช้มากกว่า Half Wave เพราะมีความไวมากกว่า มักใช้แบบ Bridge มากกว่าแบบ แทปจากกึ่งกลางหม้อแปลง - ช่วง input มีค่าบวก สัญญาณผ่าน D2 และ D4 - ช่วง input มีค่าลบ สัญญาณผ่าน D3 และ D1

การออกแบบ เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสเต็มคลื่น สมมติให้ความต้านทาน (Rd) และ แรงดัน (Vd) คร่อมไดโอดเป็นศูนย์ พิจารณาวงจรทั้งครึ่งไซเคิลบวกและลบ (VP, IP) Vm Vm Im ** มีแต่โหลดความต้านทาน v กับ i อินเฟสกัน

ครึ่งไซเคิลบวก (+) และ ครึ่งไซเคิลลบ (-) จะได้ Full Wave (ac) (dc)

แทนค่า VP , IP จะได้ จาก จะได้

ความไวของเครื่องวัดกระแสสลับ (Full Bridge) กระแสตรง (DC) กระแสสลับ (AC) Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ข้อควรระวัง !!! มิเตอร์ที่ใช้หลักการเรียงกระแส เราต้องการค่าที่อ่านบทสเกลเป็น rms แต่ขดลวดเคลื่อนที่ของเครื่องวัดตอบสนองต่อค่าเฉลี่ยของรูปคลื่น ถ้าเอาเครื่องวัดไปวัดสัญญาณที่ไม่ใช่รูป sine ค่าที่อ่านออกมาจะผิดจากไปจากความเป็นจริง ต้องใช้ Form Factor เข้ามาเกี่ยวข้อง Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurements, EE&CPE, NU

ตัวอย่างที่ 4 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดมีค่า 10 Vrms จงคำนวณหา 1) ค่า Rs 2) ค่า Sac และ Sdc

หา Sac และ Sdc

ตัวอย่างที่ 5 วงจร AC Voltmeter ดังรูป จงคำนวณหาความต้านทานอนุกรม Rs และความไวของมิเตอร์

หา Sac และ Sdc

ตัวอย่างที่ 6 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดเป็น 30 Vrms และ 50 Vrms จงคำนวณหาความต้านทานอนุกรม Rs1 และ Rs2

ย่าน 10 Vrms

ย่าน 30 Vrms

หา Sac และ Sdc สามารถหา Sac ได้จาก ย่าน 10 V ย่าน 30 V

เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสเต็มคลื่นชนิดครึ่งบริดจ์ (Half Bridge Full Wave Rectifier AC Voltmeter) ใช้แก้ปัญหาเมื่อวัดค่าแรงดัน AC ค่าต่ำๆ (สเกลไม่เป็นเชิงเส้น) เหมาะสำหรับใช้สัญญาณ AC ปริมาณต่ำๆ - ค่า R3 และ R4 จะมีค่าต่ำๆ

การออกแบบ Half Bridge Full Wave ครึ่งบวก ครึ่งลบ

ตัวอย่างที่ 7 วงจร AC Voltmeter ดังรูป ใช้งานที่ย่านวัด 100 Vrms จงหาค่า Rs เมื่อกำหนดให้วงจรมีค่าต่างๆ ดังนี้

R3 = R4 คำนวณช่วงใดก็ได้

ผลการโหลดของ AC Voltmeter (Loading Effect of AC Voltage) ความไวของ AC Voltmeter ทั้งแบบ Half Wave และ Full Wave น้อยกว่าความไวของ DC Voltmeter ส่งผลให้การโหลดของ AC Voltmeter จะมีมากกว่า DC Voltmeter

ตัวอย่างที่ 8 มิเตอร์ดังรูป ตั้งย่านไว้ที่ 10 V จงคำนวณหา

จงคำนวณหา ค่าแรงดันไฟฟ้า VR2 ที่วัดด้วย DC Voltmeter เมื่อสวิตช์ต่อจุด A และเกิดค่าความผิดพลาดจากการวัดเท่าไร 2. ค่าแรงดันไฟฟ้า VR2 ที่วัดด้วย AC Voltmeter แบบ Half Waveเมื่อสวิตช์ต่อจุด B และเกิดค่าความผิดพลาดจากการวัดเท่าไร 3. ค่าแรงดันไฟฟ้า VR2 ที่วัดด้วย AC Voltmeter แบบ Full Waveเมื่อสวิตช์ต่อจุด B และเกิดค่าความผิดพลาดจากการวัดเท่าไร

หา VR2 เมื่อยังไม่ต่อมิเตอร์ + VR2 -

หา VR2 เมื่อวัดด้วย DC Voltmeter Rin จาก

ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter + VR2 - ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter

หา VR2 เมื่อวัดด้วย Half Wave AC Voltmeter Rin จาก

ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter + VR2 - ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter

หา VR2 เมื่อวัดด้วย Full Wave AC Voltmeter Rin จาก

ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter + VR2 - ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter

เครื่องวัดแบบชี้ค่าขนาดกระแสสลับ AC Indicating Ampere Meter

เอซีแอมป์มิเตอร์แบบเรียงกระแส (Rectifier AC Ammeter) มีการใช้หม้อแปลงกระแส (Current Transformer) เพื่อ - เพิ่มแรงดันอินพุตไปป้อนวงจรเรียงกระแส - ลดกระแสอินพุตที่ไหลเข้าขดลวดเคลื่อนที่

อัตราส่วนหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า จำนวนขดลวด Precision Resistance อัตราส่วนหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า จำนวนขดลวด แรงดัน s – secondary (ทุติยภูมิ) p – primary (ปฐมภูมิ)

ตัวอย่างที่ 9 จาก AC Ammeter ในรูป จงคำนวณหาขนาด Ifs ของขดลวดเคลื่อนที่ ถ้าหม้อแปลงกระแสมี Ns=2000, Np=5 และ Ip=100 mA

หากระแส Is จะได้ หาจากกระแส Ifs จาก Form Factor กรณี Full Wave จะได้

ตัวอย่างที่ 9 จาก AC Ammeter ในรูป จงคำนวณหาขนาด RL เมื่อกำหนดให้มี Ns=2000, Np=5 Ip=100 mA , Ifs = 1mA ไดโอดเป็น Si (Vd = 0.7 V)

เขียนวงจรสมมูลของระบบได้เป็น หากระแสไฟสูงสุดของมิเตอร์

แรงดันไฟฟ้าสูงสุดของด้านทุติยภูมิ แรงดันไฟฟ้า rms ของด้านทุติยภูมิ

หากระแส rms ของมิเตอร์ จาก Form Factor

หาค่ากระแส IL และ RL

เอซีแอมป์มิเตอร์แบบแคลมพ์ออน (Clamp On AC Ammeter) มีการใช้งานเหมือนกับหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า - ขดลวดปฐมภูมิคล้องกับสายไฟ เพื่อให้เกิดการเหนี่ยวนำ - ขดลวดทุติยภูมิจะมีกระแสไหล เป็นสัดส่วนกับกระแสที่ไหลในขดลวดปฐมภูมิ กระแสจากขดลวดทุติยภูมิจะต่อเข้าวงจร Rectifier แปลงจากกระแสสลับเป็นกระแสตรง แล้วจึงต่อเข้ากับขดลวดเคลื่อนที่ เหมาะสำหรับใช้วัดค่ากระแสสูงๆ

มี 3 ส่วน คือ Ohmmeter, Ammeter และ Voltmeter

ลักษณะการใช้งานมิเตอร์แบบ Clamp On