เครื่องวัดไฟฟ้า

เครื่องวัดไฟฟ้า

เครื่องวัดไฟฟ้าเบื้องต้น  ได้แก่ แอมมิเตอร์ และ โวลต์มิเตอร์ เครื่องวัดดังกล่าวได้รับการดัดแปลงจากแกลแวนอมิเตอร์ (galvanometer)  ชนิดขดลวดเคลื่อนที่ (หลักการทำงานจะกล่าวถึงในหัวข้อ 16.8) ซึ่งประกอบด้วยขดลวดอยู่ระหว่างขั้วแม่เหล็กและที่ขดลวดมีเข็มชี้ติดอยู่ดังรูป 16.37

 

รูป 16.37 ส่วนประกอบของแกลแวนอมิเตอร์

 

เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวด สนามแม่เหล็กจากขั้วแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า จะทำให้ขดลวดหมุนและเข็มชี้เบนไป ปริมาณการเบนของเข็มชี้ขึ้นกับกระแสไฟฟ้าในขดลวด กระแสไฟฟ้าที่ทำให้เข็มเบนได้เต็มสเกลมีค่าจำกัดค่าหนึ่ง เรียกว่า กระแสไฟฟ้าสูงสุด หรือหรือ \displaystyle I_G  แกลแวนอมิเตอร์สามารถวัดกระแสไฟฟ้าในช่วง  \displaystyle 0 - I_G ได้ โดยนำไปต่ออนุกรมกับวงจร ดังรูป 16.38

รูป 16.38 แกลแวนอมิเตอร์วัดกระแสไฟฟ้า ในช่วง \displaystyle 0 - I_G

 

                เนื่องจากแกลแวนอมิเตอร์ประกอบด้วยขดลวดดังนั้นจึงมีความต้านทานค่าหนึ่ง สมมติเท่ากับ \displaystyle R_G  เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวด จะเกิดความต่างศักย์ระหว่างขั้วของแกลแวนอมิเตอร์ ถ้ากระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดเท่ากับ \displaystyle I_G  ความต่างศักย์ขณะนี้เป็น<b>ความต่างศักย์สูงสุด</b>  หรือ  \displaystyle V_G  มีค่าเท่ากับ \displaystyle I_G R_G   แกลแวนอมิเตอร์จึงสามารถวัดความต่างศักย์ในช่วง \displaystyle 0 - V_G ได้โดยการนำไปต่อขนานกับส่วนของวงจร  ดังรูป 16.39

 

รูป 16.39 แกลแวนอมิเตอร์วัดความต่างศักย์ในช่วง \displaystyle 0 - V_G

 

                - แกลแวนอมิเตอร์วัดกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ที่ได้ไม่เกิน\displaystyle I_G   และ \displaystyle V_Gตามลำดับ ซึ่งมีค่าน้อย หากต้องการดัดแปลงแกลแวนอมิเตอร์ให้วัดกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ได้มากขึ้น จะทำได้อย่างไร

 

               แอมมิเตอร์ 

การดัดแปลงแกลแวนอมิเตอร์เป็น  แอมมิเตอร์ (ammeter) เพื่อวัดกระแสไฟฟ้าได้สูงสุดตามที่ต้องการ I ทำได้โดยนำตัวต้านทานที่เรียกว่า ชันต์ (shunt)  ซึ่งมีความต้านทาน\displaystyle R_s  มาต่อขนานกับแกลแวนอมิเตอร์ เพื่อแบ่งกระแสไฟฟ้าที่ต้องการวัดเป็นสองส่วน คือส่วนหนึ่งที่ผ่านแกลแวนอมิเตอร์เท่ากับ  \displaystyle I_G  ส่วนที่เหลือที่ผ่านชันต์เท่ากับ  \displaystyle I_s   ดังรูป 16.40

รูป 16.40 หลักการสร้งแอมมิเตอร์

 

                - การออกแบบแอมมิเตอร์ให้วัดกระแสไฟฟ้าได้ตามที่ต้องการ จะต้องใช้ชันต์ที่มีความต้านทานเท่าใด

 

                เนื่องจากแกลแวนอมิเตอร์และชันต์ต่อขนานกัน ดังนั้นความต่างศักย์ระหว่างปลายของชันต์จะเท่ากับความต่างศักย์ระหว่างขั้วของแกลแวนอมิเตอร์

                หรือ           \displaystyle I_S R_S&nbsp; = I_G R_G 
                จะได้         \displaystyle R_S&nbsp; = \frac{{I_G R_G }}{{I_S }} = \frac{{I_G R_G }}{{I - I_G }}  (16.12)
   ดังนั้นการสร้างแอมมิเตอร์จึงต้องใช้ชันต์ที่มีความต้านทาน \displaystyle R_S    
ดังสมการ (16.12) มาต่อขนานกับแกลแวนอมิเตอร์

 

          ตัวอย่าง 16.7  ถ้าต้องการนำแกลแวนอมิเตอร์ที่มีความต้านทาน 1000 โอห์ม และกระแสไฟฟ้าสูงสุด 50 ไมโครแอมแปร์ มาสร้างเป็นแอมมิเตอร์ เพื่อวัดกระแสไฟฟ้าได้สูงสุด  100 มิลลิแอมแปร์

ก.  จะต้องใช้ชันต์ที่มีความต้านทานเท่าใด        

ข.  ความต้านทานของแอมมิเตอร์เป็นเท่าใด

รูปสำหรับตัวอย่าง 16.7

        วิธีทำ  ก. เนื่องจากแกลแวนอมิเตอร์และชันต์ต่อขนานกันดังนั้น  \displaystyle I_S R_S = I_G R_G  
ในที่นี้  \displaystyle R_G&nbsp; = 100\Omega  \displaystyle I_G&nbsp; = 50x10^{-6}A , \displaystyle I&nbsp; = 100x10^{-3}A
  และ \displaystyle I_S&nbsp; = I - I_G&nbsp; = (100x10^{ - 3} A) - (50x10^{ - 6} A)
  แทนค่า\displaystyle [(100x10^{ - 3} A) - (50x10^6 A)]R_S&nbsp; = 50x10^{ - 6} Ax100\Omega
  จะได้ \displaystyle R_S&nbsp; = 0.50\Omega
 

           ข.  ให้ \displaystyle R_A เป็นความต้านทานของแอมมิเตอร์
  ดังนั้น\displaystyle \frac{1}{{R_A }} = \frac{1}{{R_G }} + \frac{1}{{R_S }} = \frac{1}{{100\Omega }} + \frac{1}{{0.50\Omega }}
  \displaystyle R_A&nbsp; = 0.50\Omega
 

 

                คำตอบ     ก.  จะต้องใช้ชันต์ที่มีความต้านทาน 0.50 โอห์ม

                                 ข.  ความต้านทานของแอมมิเตอร์มีค่าประมาณ 0.50 โอห์ม

                                จากตัวอย่างจะเห็นว่า แอมมิเตอร์มีความต้านทานน้อยมาก แอมมิเตอร์ที่ดีจะต้องมีความต้านทานน้อยมากเมื่อเทียบกับความต้านทานในวงจร เพื่อให้กระแสไฟฟ้าในวงจรเปลี่ยนไปน้อยที่สุด

 

                โวลต์มิเตอร์

                การดัดแปลงแกลแวนอมิเตอร์เป็น โวลต์มิเตอร์ (voltmeter) เพื่อวัดความต่างศักย์สูงสุดที่ต้องการ V ทำได้โดยนำตัวต้านทาน เรียกว่า มัลติพลายเออร์ (multiplier)  ที่มีความต้านทาน\displaystyle R_m  มาต่ออนุกรมกับแกลแวนอมิเตอร์ เพื่อแบ่งความต่างศักย์ที่ต้องการวัดออกเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งเป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายของมัลติพลายเออร์ \displaystyle V_m  อีกส่วนหนึ่งเป็นความต่างศักย์สูงสุดระหว่างขั้วของแกลแวนอมิเตอร์\displaystyle V_G ดังรูป 16.41

รูป 16.41 หลักการสร้างโวลต์มิเตอร์

 

                - ในการออกแบบโวลต์มิเตอร์ให้วัดความต่างศักย์ที่ต้องการ จะต้องใช้มัลติพลายเออร์ที่มีความต้านทานเท่าใด

 

เนื่องจากแกลแวนอมิเตอร์และมัลติพลายเออร์ต่ออนุกรมกัน และ \displaystyle I_G  เป็นกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ผ่าน \displaystyle R_G และ \displaystyle V_m  ดังนั้นความต่างศักย์สูงสุดที่ต้องการจะเท่ากับความต่างศักย์ระหว่างปลายของมัลติพลายเออร์ บวก ความต่างศักย์ระหว่างขั้วของแกลแวนอมิเตอร์ หรือ
                         \displaystyle V = V_m + V_G    
                        \displaystyle V = I_G R_m + I_G R_G    
                        \displaystyle V = I_G (R_m + R_G)   
                       \displaystyle R_m&nbsp; = \frac{V}{{I_G }} - R_G                                  (16.13)
              ดังนั้นในการสร้างโวลต์มิเตอร์จะต้องนำมัลติพลายเออร์ที่มีความต้านทาน \displaystyle R_m  ดังสมการ (16.13) มาต่ออนุกรมกับแกลแวนอมิเตอร์
 

            ตัวอย่าง 16.8   ถ้านำแกลแวนอมิเตอร์ในตัวอย่าง 16.7 มาสร้างเป็นโวลต์มิเตอร์ เพื่อวัดความต่างศักย์ได้สูงสุด 15 โวลต์

รูปสำหรับตัวอย่าง 16.8

ก. จะต้องใช้มัลติพลายเออร์ที่มีความต้านทานเท่าใด

ข.  ก่อนต่อมัลติพลายเออร์ แกลแวนอมิเตอร์สามารถวัดความต่างศักย์สูงสุดได้เท่าใด

ค.  ความต้านทานของโวลต์มิเตอร์มีค่าเท่าใด

                 วิธีทำ      ก. จากรูป จะได้  \displaystyle V = I_G R_m + I_G R_G  
                                ในที่นี้  V = 15 V , \displaystyle I_G = 50x10^{-6} A  และ \displaystyle R_G&nbsp; = 1000\Omega
                                แทนค่า\displaystyle 15V = (50x10^{ - 6} AxR_m ) + (50x10^{ - 6} Ax100\Omega )
                                จะได้ \displaystyle R_m&nbsp; = 299000\Omega
                                ข.  ให้  \displaystyle V_G   เป็นความต่างศักย์สูงสุดระหว่างขั้วของแกลแวนอมิเตอร์
                                ดังนั้น \displaystyle V_G&nbsp; = I_G R_G&nbsp; = 50x10^{ - 6} Ax1000\Omega&nbsp; = 50x10^{ - 3} V
                                ค.  ให้  \displaystyle R_v  เป็นความต้านทานของโวลต์มิเตอร์
                                ดังนั้น\displaystyle R_v&nbsp; = R_m +&nbsp; R_G&nbsp; = 299000\Omega + 1000 \Omega = 300000\Omega [/tex]

                วิธีทำ        ก.  จะต้องใช้มัลติพลายเออร์ที่มีความต้านทาน  299 000 โอห์ม

                                 ข.  แกลแวนอมิเตอร์วัดความต่างศักย์ได้สูงสุด 50 มิลลิโวลต์

                                 ค.  ความต้านทานของโวลต์มิเตอร์เท่ากับ 300 000 โอห์ม

                จากตัวอย่างจะเห็นว่า โวลต์มิเตอร์มีความต้านทานสูงมาก โวลต์มิเตอร์ที่ดีจะต้องมีความต้านทานสูงมากเมื่อเทียบกับความต้านทานอื่นๆ ในวงจร ทั้งนี้ก็เพื่อให้กระแสไฟฟ้าในวงจรเปลี่ยนไปน้อยที่สุดหรือไม่เปลี่ยนแปลงเลย หลังจากที่นำโวลต์มิเตอร์มาต่อ

 

                      โอห์มมิเตอร์

                ในการวัดความต้านทานที่ผ่านมาต้องใช้โวลต์มิเตอร์วัดความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวต้านทานและใช้แอมมิเตอร์วัดกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทาน จากนั้นหาความต้านทานโดยใช้กฎของโอห์ม วิธีดังกล่าวนี้จึงไม่สะดวก เพราะต้องใช้ทั้งแอมมิเตอร์และโวลต์มิเตอร์ จำเป็นต้องมีการสร้างเครื่องวัดความต้านทานโดยเฉพาะ เรียกว่าโอห์มมิเตอร์ (ohmmeter) 

                โอห์มมิเตอร์ประกอบด้วยแกลแวนอมิเตอร์ G ต่ออนุกรมกับตัวต้านทานแปรค่า \displaystyle R_0 และแบตเตอรี่ E ที่ขณะยังไม่วัดความต้านทาน เข็มจะชี้ที่ \displaystyle \infty เมื่อวัดความต้านทาน \displaystyle R_x  ให้นำหัววัด x และ y ไปแตะที่ปลายของตัวต้านทานนั้น ดังรูป 16.42  ทำให้ครบวงจรและมีกระแสไฟฟ้าผ่านโอห์มมิเตอร์ ถ้า \displaystyle R_x   มีค่ามากกระแสไฟฟ้าจะมีค่าน้อย เข็มจะเบนน้อย แต่ถ้า \displaystyle R_x     มีค่าน้อย กระแสไฟฟ้าจะมีค่ามาก เข็มจะเบนมากปริมาณการเบนของเข็มจะถูกสอบเทียบกับมาตรฐาน (calibrate) เพื่อบอกเป็นความต้านทาน

รูป 16.42 หลักการสร้างโอห์มมิเตอร์

 

                - ถ้านำหัววัด x และ y แตะกัน เข็มจะเบนอย่างไร

 

                เมื่อนำหัววัด x และ y แตะกัน ขณะนี้ความต้านทาน\displaystyle R_x   มีค่าเป็นศูนย์ กระแสไฟฟ้าจะมีค่ามากที่สุด และเข็มจะเบนมากที่สุด (เต็มสเกล) คือชี้ที่ 0 โอห์ม ในการใช้โอห์มมิเตอร์วัดความต้านทาน ต้องนำหัววัด x และ y มาแตะกันเพื่อตรวจสอบว่าเข็มชี้ที่ 0 โอห์มหรือไม่ ถ้าเข็มไม่ชี้ที่ 0 โอห์มต้องปรับความต้านทานของ\displaystyle R_0   จนกระทั่งเข็มชี้ที่ 0 โอห์มก่อนนำไปวัดความต้านทาน

                ปัจจุบันมีการดัดแปลงแกลแวนอมิเตอร์ให้เป็นแอมมิเตอร์ โวลต์มิเตอร์และโอห์มมิเตอร์ในเครื่องเดียวกัน เรียกว่า มัลติพลายเออร์(multimeter)  ดังปรากฏรายละเอียดในรูป 16.43 ก

 

รูป 16.43 มัลติมิเตอร์

 

                 S   เป็นสวิตช์เลือกวัดความต้านทาน หรือความต่างศักย์หรือกระแสไฟฟ้าตามที่ต้องการ \displaystyle R_1  และ \displaystyle R_2  เป็นความต้านทานของชันต์ซึ่งต่อขนานกับแกลแวนอมิเตอร์ เพื่อให้แอมมิเตอร์วัดกระแสไฟฟ้าได้สูงสุดต่างกัน \displaystyle R_3  และ\displaystyle R_4 เป็นความต้านทานของมัลติพลายเออร์ซึ่งต่ออนุกรมกับแกลแวนอมิเตอร์ เพื่อให้โวลต์มิเตอร์วัดความต่างศักย์ได้ค่าสูงสุดต่างกัน ส่วน \displaystyle R_0   เป็นความต้านทานใดๆ

                มัลติพลายเออร์ดังกล่าวแสดงผลด้วยขีดสเกล ซึ่งต้องมีการประมาณค่าระหว่างขีดสเกล ปัจจุบันมีการนำเทคโนโลยีด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์มาพัฒนามัลติพลายเออร์ให้แสดงผลด้วยตัวเลข เรียกว่า ดิจิทัลมัลติมิเตอร์ (digital multimeter  ดังรูป 16.43 ค

                นอกจากนี้เครื่องวัดอื่นๆ อีก เช่น เทอร์มอมิเตอร์ ไมโครมิเตอร์ เวอร์เนียร์คาลิเปอร์ เครื่องวัดมวล เป็นต้น ที่ได้ถูกพัฒนาให้แสดงผลด้วยตัวเลขเช่นกัน เพราะช่วยให้การอ่านค่าการวัดกระทำได้รวดเร็วขึ้น