หน่วยที่ 2 เครื่องวัดไฟฟ้ากระแสตรง

2.1 เครื่องวัดแบบขดลวดเคลื่อนที่

       ในปี พ.ศ. 2424 (ค.ศ.1881) แจ๊คส์ดาร์สันวาล (Jacques d’Arsonval) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ทดลองนำหลักการความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็ก (ที่ถูกค้นคว้าโดย ฮานส์คริสเตียนเออร์สเตด (ค.ศ.1820) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน) ประดิษฐ์เป็นกัลวานอมิเตอร์แบบขดลวดเคลื่อนที่ (Moving CoilGalvanometer) และถูกพัฒนาเป็นเครื่องวัดไฟฟ้าในปัจจุบัน เรียกว่าส่วนเคลื่อนที่แบบดาร์สันวาล โดยจะเคลื่อนที่อยู่ระหว่างสนามแม่เหล็กถาวร ดังนั้นจึงเรียกขดลวดแบบนี้อีกอย่างหนึ่งว่า ขดลวดเคลื่อนที่แบบแม่เหล็กถาวร (Permanent Magnet Moving Coil: PMMC)

         2.1.1 พื้นฐานขดลวดเคลื่อนที่แบบดาร์สันวาล

                   เครื่องวัดไฟฟ้าชนิดขดลวดเคลื่อนที่แบบดาร์สันวาลมีโครงสร้างพื้นฐานประกอบด้วยขดลวดทองแดงน้ำหนักเบาวางอยู่ระหว่างแม่เหล็กถาวร มีเข็มชี้ติดไว้กับขดลวด เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้ขดลวดจะเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นแล้วถูกสนามแม่เหล็กถาวรผลัก ทำให้ขดลวดเคลื่อนที่หมุนและเข็มชี้จะหมุนไปด้วยโดยจะชี้ค่าที่ได้บนสเกลเป็นไปตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวด โครงสร้างของขดลวดเคลื่อนที่แบบดาร์สันวาล ดังรูปที่ 2.1ประกอบด้วย (Bell, David A., 1994: 34)

                   1.  ขั้วแม่เหล็ก (Pole Shoe) เป็นขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กถาวรรูปเกือกม้า (Horseshoe Permanent Magnet)

                   2.  ขดลวดเคลื่อนที่ ประกอบด้วย

                        (1)  ขดลวด (Coil) เป็นลวดทองแดงน้ำหนักเบา

                        (2)  แกนขดลวด (Core) เป็นจานอะลูมิเนียม

                 (3)  สปริงก้นหอย (SpiralSpring) หรือสปริงควบคุม (Control Spring) จะมีทั้งด้านบนและด้านล่างของขดลวด สปริงก้นหอยนี้จะมีความต้านทานต่ำทำด้วยฟอสเฟอร์บรอนซ์ และจะจ่ายกระแสไฟฟ้าผ่านสปริงก้นหอยไปให้ขดลวด

                        (4)  แกน (PivotorShaft) จะมีปลายแหลมมาก ๆ เพื่อป้องกันแรงเสียดทานกับที่รองรับแกน (Jewel Bearing)

                        (5)  เข็มชี้ (Pointer)

                        (6)  หน้าปัด (Scale)

                        (7)  ปุ่มปรับศูนย์ (Zero Position Control)

                        (8)  น้ำหนักถ่วง (Counter Weight)

รูปที่ 2.1 โครงสร้างของขดลวดเคลื่อนที่แบบดาร์สันวาล

       2.1.2  ที่รองรับแกน

                     ที่รองรับแกน (Jewel Bearing) ของขดลวดเคลื่อนที่จะต้องไม่มีแรงเสียดทานกับปลายแกนของขดลวด มี 2 แบบ คือ

                      1.  ที่รองรับแกนแบบตัววี โดยที่ตัววี (V) จะทำด้วยแซฟไฟร์ (Sapphire) หรือแก้ว บางรุ่นอาจมีสปริงรองอยู่ด้านหลังด้วยแกน (Pivot) ของขดลวดจะต้องแหลมมาก ๆ จะได้มีจุดสัมผัสน้อยที่สุด เพื่อลดแรงเสียดทานกับตัววีดังรูปที่ 2.2 (Bell, David A., 1994: 33)

รูปที่ 2.2 ที่รองรับแกนแบบตัววี

                        2. ที่รองรับแกนแบบห้อยแขวนเทาต์แบนด์ (Taut Band Suspension) ที่รองรับแกนแบบนี้จะลดการเสียดทานดีกว่าแบบตัววีเนื่องจากมีแถบโลหะแบน 2 อันทำด้วยฟอสเฟอร์บรอนซ์ หรือพลาตินัม อัลลอยเพื่อลดความเครียด (Tension) จากสปริงที่รองรับขดลวดเคลื่อนที่ โดยแถบโลหะทำให้เกิดแรงควบคุมเพื่อต่อต้านแรงเบี่ยงเบน (Deflection Force) กระแสไฟฟ้าจะจ่ายผ่านแถบโลหะแบนให้ขดลวดเคลื่อนที่ ดูรูปที่ 2.3 (Bell, David A., 1994: 33)

         2.1.3 แรงทางกลของเครื่องมือวัด

              แรงทางกลของเครื่องมือวัด (Instrument Mechanical Force) เป็นแรงทางกลกระทำให้ เข็มชี้และขดลวดเคลื่อนที่หมุนตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้ขดลวดนั้น มีดังนี้

                   1.  แรงเบี่ยงเบนหรือแรงขับ (Deflection or Operating Force) เป็นแรงที่ทำให้เข็มชี้เคลื่อนที่จากตำแหน่งศูนย์ของสเกล เมื่อนำเครื่องวัดไปใช้วัดค่าตัวแปรใด ๆ จะมีกระแสไฟฟ้าป้อนให้ขดลวดนั้นและเกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นแล้วถูกสนามแม่เหล็กถาวรผลักทำให้ขดลวดเคลื่อนที่หมุนและเข็มชี้จะแสดงค่าที่วัดได้ตามสเกล เป็นไปตามปริมาณมากหรือน้อยของกระแสไฟฟ้าที่ป้อนให้แก่ขดลวดเคลื่อนที่แรงเบี่ยงเบนที่เกิดในขดลวดเคลื่อนที่ ดังรูปที่ 2.4 (Bell, David A., 1994: 31)

                   2.  แรงสปริงหรือแรงควบคุม (Springor Controlling Force) ที่เกิดจากสปริงก้นหอย จะเป็นแรงต่อต้านแรงเบี่ยงเบนและมีหน้าที่ดึงเข็มชี้กลับคืนตำแหน่งศูนย์ของสเกลเมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าป้อนให้ขดลวด ขณะมีกระแสไฟฟ้าป้อนให้ขดลวดเคลื่อนที่จะทำให้เข็มชี้หมุนพร้อมไปด้วยกันด้วยโดยจะหยุดหมุนเมื่อแรงเบี่ยงเบนเท่ากับแรงควบคุม ดังรูปที่ 2.5

                        3.  แรงหน่วง (Damping Force)เมื่อขดลวดเคลื่อนที่หมุนและขณะกำลังจะหยุดนิ่งที่ค่าวัดได้บนสเกลนั้น เข็มชี้จะสั่นดังรูปที่ 2.6 ดังนั้นจึงต้องสร้างแรงหน่วงมาป้องกันการสั่นของเข็มชี้ด้วยกระแสไฟฟ้าไหลวน (Eddy Current) โดยการพันขดลวดบนจานอะลูมิเนียม เมื่อขดลวดเคลื่อนที่ตัดสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลวนในจานอะลูมิเนียมและจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็กมีทิศทางตรงกันข้ามกับการหมุนของขดลวด จึงเกิดแรงต่อต้านกับทิศทางการหมุนของขดลวดเคลื่อนที่ แรงต่อต้านนี้คือแรงหน่วงเพื่อจะทำให้เข็มชี้หยุดนิ่งโดยไม่มีการแกว่งหรือสั่น ดังรูปที่ 2.7 (Bell, David A., 1994: 32)

         2.1.4 วงจรเทียบเท่าของเครื่องวัดแบบขดลวดเคลื่อนที่

              วงจรเทียบเท่าของขดลวดเคลื่อนที่แบบดาร์สันวาล จะประกอบด้วยค่าต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องคือความต้านทานขดลวด (Moving Coil Resistance : RM) กระแสไฟฟ้าขดลวด (Moving CoilCurrent: IM)  จะเป็นกระแสไฟฟ้าที่ทำให้เข็มมิเตอร์เบี่ยงเบนเต็มสเกล (Full Scale Deflection: FSD) โดยปกติแล้วจะมีค่าน้อยมาก ๆ และแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมขดลวด (Moving CoilVoltage : VM) สามารถเขียนเป็นวงจรเทียบเท่าขดลวดเคลื่อนที่ได้หลายรูปแบบดังรูปที่ 2.8