เครื่องวัดแบบชี้ค่าศูนย์ กรณีโพเทนชิโอมิเตอร์

โพเทนชิโอมิเตอร์ (Potentiometer) กระแสตรงแบบกระแสคงที่

 

 

เป็นเครื่องวัดที่สำคัญในการวัดค่าแรงดันกระแสตรงที่ต้องการความถูกต้องสูงมาก โดยการเปรียบเทียบค่าที่ต้องการทราบกับค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลมาตรฐานและอัตราส่วนความต้านทานที่รู้ค่า

โพเทนชิโอมิเตอร์กระแสตรงได้เริ่มพัฒนาเมื่อประมาณปี ค.ศ.1900 จึงยอมรับกันอย่างกว้างขวางว่าเป็นเครื่อง มือที่สำคัญมากในห้องปฏิบัติการวัดละเอียดโดยใช้เป็นเครื่องวัดและสอบเทียบ มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในงานอุตสาหกรรมในกระบวนการผลิตและควบคุมกระบวน การโดยเริ่มจากใช้ในการวัดอุณหภูมิร่วมกับ เทอร์โมคัปเปิล และขยายขอบเขตจนใช้วัดค่าตัวแปรในกระบวนการใดๆที่สามารถถูกแทนในรูปของแรงดันเอาต์พุตของตัวรับรู้ (Sensor)

โพเทนชิโอมิเตอร์ในแบบแรกๆจะเป็นแบบอาศัยการปรับสมดุลด้วยมือ (Manual) และพัฒนาขึ้นมาเป็นแบบสามารถ ปรับสมดุลโดยตัวเครื่องวัดเอง (Self Balance) ซึ่งทำให้สามารถขยายขีดความสามารถจากเครื่องวัดไปเป็นเครื่องควบคุม (Controller) วงจรโพเทนชิโอมิเตอร์สามารถแบ่งได้เป็น 2 แบบ

1. แบบกระแสคงที่ (Constant Current Potentiometer)

2. แบบความต้านทานคงที่ (Constant Resistance Potentiometer)

ในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงโพเทนชิโอมิเตอร์แบบกระแสคงที่ก่อน

1. โครงสร้างและหลักการทำงาน

 

 รูปที่1 โพเทนชิโอมิเตอร์แบบกระแสคงที่

หลักการของโพเทนชิโอมิเตอร์แบบนี้อาศัยการป้อนกระแสที่คงที่แก่ตัวต้านทาน (วงจรวัด) ที่อยู่ระหว่างจุดที่ ต่อค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการทราบค่า การปรับค่าความต้านทานดังกล่าวเป็นการปรับค่าแรงดันที่ใช้เปรียบเทียบกับแรง ดันที่ต้องการทราบค่า

รูปที่ 1 แสดงวงจรโพเทนชิโอมิเตอร์แบบกระแสคงที่อย่างง่าย วงจรนี้ประกอบด้วยแบตเตอรี่ E และรีโอสแตต (Rheostat) R ซึ่งจะทำหน้าที่เป็นส่วนจ่ายกระแสคงที่แก่ลวดความต้านทาน XZ (Slide Wire) ซึ่งมีค่าความต้านทานที่มีค่าสม่ำเสมอตลอดความยาว กัลวานอมิเตอร์ G ทำหน้าที่ตรวจจับ (Detect) กระแส

เมื่อสวิตซ์ S อยู่ที่ “Operate”  และสวิตช์ K เปิดวงจร แบตเตอรี่จะจ่ายกระแสผ่านรีโอสแตต R และเส้นลวดความต้านทาน ค่าของกระแสจะขึ้นอยู่กับการปรับค่า R วิธีการหาค่าแรงเคลื่อนที่ไม่ทราบค่า (E_x)  ทำโดยการหาตำแหน่งของลวดความต้านที่ทำให้กัลวานอมิเตอร์ชี้ค่า 0 (Zero Deflection) เมื่อปิดสวิตช์ K ซึ่งหมายความว่า E = E_x ลวดความต้านทาน XZ จะมีความต้านทานสม่ำเสมอตลอดความยาว สเกลจะกูกปรับเทียบเป็นเซนติเมตร หรือส่วนของเซนติเมตรตลอดความยาวของเส้นลวด  ทำให้สามารถเลื่อนหน้าสัมผัสเลื่อนได้ (Sliding Contact) Y ไปอยู่ที่จุดใด ๆ บนเส้นลวดได้ตามต้องการอย่างเที่ยงตรง  เนื่องจากความต้านทานของเส้นบวดถูกสร้างให้มีความเที่ยงตรงมาก  ดังนั้นแรงดันตกคร่อมตบอดเส้น (หรือเพียงส่วนใดส่วนหนึ่ง) ของเส้นลวด  จะขึ้นอยู่กับค่ากระแสที่จ่ายจาก E และค่ากระแสคงที่นี้จะถูกปรับมาตรฐาน (Standardized) โดยเทียบกับแรงดังอ้างอิงที่รู้ค่า (เซลมาตรฐาน)

วิธีการปรับมาตรฐานของโพเทนชิโอมิเตร์ (Standardizing Potentiometer) ทำดังนี้คือ สมมติให้เส้นบวดความต้านานยาว 200 เซนติเมตร มีความต้านทาน 200 โอห์ม (1 เซนติเมตร = 1 โอห์ม) แรงเคลื่อนของแรงดันอ้างอิงมาจากเซลมาตรฐาน มีค่า 1.019 โวลต์ เมื่อสวิตช์ S อยู่ที่ตำแหน่ง “ปรับเทียบ (Calibrate)”  จะตั้งหน้าสัมผัสเลื่อนได้ Y ให้อยู่ที่ระยะ 101.9 เซนติเมตร บนสเกลของเส้นลวดความต้านทาน ปรับรีโอสแตต R (เป็นการปรับค่ากระแสที่จ่ายจาก E ด้วย) จนกระทั่งกับวานอมิเตอร์ชี้ค่า 0 (เมื่อสวิตช์ K ปิด) ที่จุดนี้แรงดันตกค่อม 101.9 เซนติเมตร จะเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลมาตรฐานคือ 1.019 โวลต์ (101.9 เซนติเมตร = 101.9 โอห์ม)

          กระแสที่จ่ายจาก E   =   V/R   =  (1.019 V)/(101.9 Ω)  =  10 mA

หลังจากกรปรับมาตรฐานแล้ว  ขณะนี้แรงดันที่ตกคร่อมลวดความต้านทาน 1 เซนติเมตร = 10 mV และทำให้สามารถรู้ได้ว่า แรงดันตกคร่อมมีค่าเท่าใด เมื่อรู้ตำแน่งของหน้าสัมผัส Y เช่น ถ้าหน้าสัมผัส Y อยู่ที่ระยะ 146.5 เซนติเมตร (Y^’) แรงดันตกคร่อมมีค่า 1.465 โวลต์

ภายหลังจากปรับมาตรฐานตัวโพเทนชิโอมิเตอร์แล้ว  จะสามาระให้โดเทนชิโอมิเตอร์นี้วัดแรงดันที่ไม่ทราบค่าได้ (ตามตัวอย่าง ขณะนี้สามารถวัดแรงดันได้สูงสุด = 200 x 20 x 10^-3 = 2 โวลต์) โดยตั้งสวิตช์ S ที่ “ทำงาน (Operate)” แล้วเคลื่อนหน้าสัมผัส (Sliding Contact) Y ไปตามความยาวของลวดความต้านทาน (XZ) จนกัลวานอมิเตอร์แสดงค่า 0 (เมื่อสวิตช์ K ปิด)  โดยการอ่านระยะบนสเกล จะสามาระรู้ค่าแรงดันตกคร่อม ซึ่งเท่ากับค่าของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการหาค่า  


ตัวอย่าง 1 จากรูปที่ 1 ถ้าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแบตเตอรี่ E = 3V (ให้ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ = 0Ω) เส้นลวด (Slide Wire) มีความต้านทาน = 400Ω ยาว 200 cm ช่องเล็กที่สุดของสเกลที่แบ่งไว้ = 1 mm โดยสามารถอ่านค่า (Interpolate) ได้ถึง ¼ ของช่องเล็กที่สุด หลังจากการปรับมาตรฐานกระแส  โดยตั้งหน้าสัมผัสเลื่อนได้ที่ระยะ 101.8 cm บนสเกล  และใช้เซลมาตรฐานที่มีแรงเคลื่อนไฟฟ้า = 1.018 V จงหา

(ก)       ค่ากระแสจากแบตเตอรี่ (Working Current)

(ข)       ความต้านทานของรีโอสแตตที่ปรับ

(ค)       พิสัยการวัดขณะนี้

(ง)        การแยกชัคของเครื่องวัดขณะนี้เป็น mV

วิธีทำ

(ก)       เมื่อเครื่องวัดถูกปรับมาตรฐาน

แรงกันคร่อมลวด 101.8 cm มีค่า              =       1.018 V

ลวดยาว 200 cm มีความต้านทาน            =       400 Ω

ลวดยาว 101.8 cm มีความต้านทาน         =       (101.8/200)(400)    =    203.6 Ω

กระแสที่จ่ายแบตเตอรี่(Working Current)        =       (1.018/203.6)         =    5 mA

(ข)      แรงดันตกคร่อมตลอดความยาวของเส้นลวดความต้านทาน

                                                            =       5 mA x 400 Ω    =       2V

              แรงดันคร่อมรีโอสแตต             =       3 – 2                    =       1V

              ต้องตั้งรีโอสแตต                      =       (1 V/5 mA)           =       200 Ω

(ค)       พิสัยการวัดกำหนดจากแรงดันทั้งหมดที่คร่อมตลอดความยาวของลวดความต้านทาน

                                                =       5 mA x 400 Ω   =       2V

(ง)        การแยกชัดของเครื่องวัดขณะนี้ถูกกำหนดโดยแรงดันคร่อม ¼ ของช่องเล็ก (=0.25 mm)

          แรงดันคร่อมระยะ 200 cm =       2 V

                     การแยกชัด             =      (2 x 0.25 mm)/(200 mm)         =       0.25 mV

2. การใช้ตัวต้านทานสำหรับปรับมาตรฐาน

            โดยการต่อตัวต้านทานแยกออกต่างหาก (R_S) ดังรูปที่ 2 การปรับมาตรฐานของโพเทนชิโอมิเตอร์จะสามารถกระทำได้อย่างสะดวกและผลอดภัยยิ่งขึ้น ค่าความต้านทาน R_S ที่ต้องการ จะได้จากการคำนวณเมื่อกำหนดแรงเคลื่อนไฟฟ้า E แรงดันอ้างอิง E_S และค่ากระแสที่จ่ายจาก E ที่ต้องการ เช่น ถ้าแรงดันอ้างอิง (เซลมาตรฐาน, E_S) ที่ให้มีค่า 1.019 โวลต์ และต้องการปรับมาตรฐานของกระแสเป็น 5 mA จะต้องใช้ R_S = 203.8 Ω ต่อที่ตำแหน่งดังรูปที่ 2

          ขณะนี้ ถ้าผลักสวิตช์ของกัลวานอมิเตร์ (G) มาตำแหน่ง “Calibrate” จะเป็นการลัดวงรตัวเซลมาตรฐาน (ซึ่งปกติจะยอมให้มีกระแสออกจากตัวเซลมาตรฐานเป็นไมโครแอมป์) จะเห็นได้ว่า วิธีนี้จะเป็นการป้องกันการลัดวงจรตัวเซลมาตรฐาน นอกจากนั้น โดยการต่อวงจรลักษณะนี้ จะทำให้สามารถตรวจสอบและปรับค่าของกระแสจ่ายจาก E ได้โดยไม่กระทบกระเทือนการวัด วงจรนี้จะเป็นพื้นฐานของโพเทนชิโอมิเตอร์แบบที่ใช้ในอุตสาหกรรม

  

รูปที่ 2 โพเทนชิโอมิเตอร์แบบมีตัวต้านทานสำหรับปรับกระแส

          โพเทนชิโอมิเตอร์ที่ใช้เส้นลวดความต้านทานในแบบที่ผ่านมา  จะไม่เป็นที่นิยมในทางปฏิบัติ ในรูปที่ 3 จะแทนเส้นบวดความต้านทานด้วยชุดตัวต้านทานค่าบะเอียดเที่ยงตรงทุกตัวมีค่าเท่ากันต่ออนุกรม (แทนค่าแรงดันเป็นขั้น (Step) ตามจำนวนตัวด้านทานที่ใช้) และต่ออนุกรมกับลวดความต้านทานอีก 1 เส้นเพื่อปรับค่าระหว่างขึ้น (Step) โดยแบ่งสเกลเป็นช่องเล็ก ๆ เช่น 100 ช่อง  ซึ่งสามารถประมาณให้อ่านค่าได้ถึง 1/5 ของช่องเล็ก R_S มีไว้เพื่อปรับมาตรฐาน ค่าของ R_S จะขึ้นอยู่กับว่า ต้องการสให้กระแสไหลจากแบตเตอรี่ (Working Current) เท่าใด  จึงจะได้แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวที่ต้องการ (0.1 โวลต์ในรูปที่ 3)

 รูปที่ 3 โพเทนชิโอมิเตอร์แบบที่นิยมใช้

ตัวอย่างที่ 2 จากรูปที่ 3 โพเทนชิโอมิเตอร์มีสวิตช์หน้าปัด (Dial Switch) ที่ปรับได้ 20 ขั้น (Step) แต่ละขั้นประกอบด้วยตัวต้านทานค่าเท่ากัน = 10 Ω แทนแรงดัง = 0.1 V/ขั้น  มีเส้นลวดความต้านทาน (หมุนได้ 11 รอบ) มีขนาดสม่ำเสมอและความต้านทานทั้งหมดเท่ากับ 11 Ω มีสเกลแบ่งเป็น 100 ช่องเล็กและประมาณการอ่านได้ (Interpolation) ถึง 1/5 ของช่องเล็ก  โดยใช้แบตเตอรี่ที่มีแรงเคลื่อนไฟฟ้า = 6 V (ไม่คิดความต้านทานภายใน) จงหาค่า

          1.     พิสัยวัดของโพเทนชิโอมิเตอร์

        2.     การแยกชัดเป็น µV

          3.      กระแสที่จ่ายจากแบตเตอรี่ (Working Current)

          4.      การตั้งค่าของรีโอสแตต R_B ถ้าแรงดันอ้างอิงที่ใช้ในการปรับมาตรฐานกระแสมีค่า 1.019 โวลต์

วิธีทำ

            1.        ความต้านทานรวมของวงจรวัด  =       (20 x 10) + 11 Ω

                                                                               =    211 Ω

                   เพราะว่าแต่ละขั้น (ตัวต้านทานค่า 10 Ω) ของสวิตช์หน้าปัดจะแทนแรงดัน   =    0.1 V

                        พิสัยวัดของโพเทนชิโอมิเตอร์นี้   =     20 x 0.1 + 0.11 = 2.11V

          2.        เส้นลวดความต้านทานมี 11 รอบ แทนแรงดัน  =  0.11 V

          ดังนั้นแต่ละรอบของเส้นบวดความต้านทานแทนแรงดัน =  0.01 V = 10 mV

            แต่บนหน้าปัดของเส้นลวดความต้านทานแบ่งสเกล  =  100 ช่องเล็ก(ใน 1 รอบ)

             ในแต่ละช่องเล็กของสเกลมีแรงดันตกคร่อม          =  (1/100)(10 mV)

 

                                                                                                 =  100 µV

         

                     การแยกชัดของโพเทนชิโอมิเตอร์นี้       =       (1/5)(100 µV)

                                                                                           =  20 µV

          3.      เพื่อจะให้ได้แรงดัน 0.1 V ตกคร่อมตัวต้านทาน 10 Ω จะต้องปรับให้มีกระแสจ่ายจากแบตเตอรี่ (Working Current) = 0.1 / 10 = 10 mA

          4.      ในการปรับมาตรฐานกระแส เพื่อให้มีกระแส 10 mA ผ่าน R_S โดยแรงดันอ้างอิงเท่ากับ 1.019 โวลต์ ต้องใช้ R_S เท่ากับ 0.019 V / 10 mA = 101.9 โอห์ม

                                       แรงดันคร่อม R_S        =       1.019 V

          แรงดันคร่อมความต้านทานรวมของวงจรวัด    =       2.11 V

                                      แรงดันตกคร่อม R_B    =       6 -2.11 – 1.019

                                                                         =       2.871 V

          ต้องตั้งรีโอสแตตให้มีความต้านทาน      =       (2.871 V)/(10 mA)

                                                                          =       287.1 Ω

3. โพเทนชิโอมิเตอร์สำหรับงานห้องปฏิบัติการ

            โพเทนชิโอมิเตอร์แบบนี้ จะสามารถใช้วัดการเปลี่ยนแปลงของดันขนาด  1 µV หรือต่ำกว่า  โดยมีความถูกต้องต่ำกว่า 0.01 เปอร์เซ็นต์ ตัวต้านทานที่ใช้ในวงจรจะต้องเท่ากัน (ภายในความละเอียดระดับที่ต้องการ) ตลอดช่วงเวลาที่ยาว ในวงจร จุดสัมผัสที่ไม่ต้องถูกบัดกรีจะมีเพียงที่ตัวตรวจับ (Detector) และจุดที่ต่อแบตเตอรี่เข้าไป  เนื่องจากเป็นบริเวณที่การแปรค่าความต้านทานของจุดสัมผัสมีผลน้อยมากนอกจากนั้นจะต้องให้ความระมัดระวังเกี่ยวกับค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ไม่ต้องการ เช่น แรงเคลื่อนไฟฟ้าความร้อนที่จุดสัมผัสของโลหะต่างชนิดที่ขั้วต่อ (Binding Posts) เป็นต้น

รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างของโพเทนชิโอมิเตอร์ที่ใช้งานในห้องปฏิบัติการ

โพเทนชิโอมิเตอร์เครื่องนี้ สามารถวัดแรงดันค่ำต่ำกว่า 100 mV ได้อย่างละเอียดถูกต้อง  นอกจากจะสามารถนำไปวัดค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าต่ำ ๆ เช่น แรงเคลื่อนไฟฟ้าความร้อนแล้ว ยังสามารถใช้วัดค่ากระแสและความต้านทาน  โดยใช้ร่วมกับอุปกรณ์ช่วย เช่น ชันต์ (Shunt) และตัวต้านทานมารตฐาน (Standard Resistor) 

3.1  การกำหนดจำเพาะ (Specifications)

           1.      Measuring range

                        0.0100 mV to 111.110 mV (with more than four effective digits)

                        100 mV – Range     ;   - 0.01 mV to + 111.11 mV

                        10 mV – Range       ;   - 0.001 mV to + 11.111 mV

                        1 mV – Range          ;   - 0.0001 mV to + 1.1111 mV

            2.        Measuring dials

                        Dial  I                          ;   1 mV x 10

                        Dial  II                        ;   0.1 mV x 10

                        Dial  III                       ;   0.01 mV x 10

                        Dial  IV                       ;   0.001 mV to + 0.0110 mV

                                                      (Continuously variable, minimum division : 0.1 µV)

                        Range selector        ;   3 ranges of “100 mV” “10 mV” and “1 mv”

                                                               (with interlocked decimal point indicator)

Standard cell dial    ;   1.01770 V to 1.01980 V, continuously      variable (minimum division : 0.02 mV)

            3.        Internal resistance as seen from the side of galvanometer circuit

Approx. 18 Ω constant (where, the resistance beween Ex-terminals is 0 Ω)

            4.        - Source of working current

                        4.5 V to 4 V , 22 mA

            5.        Accuracy

                        100 mV – Range     ;   + (0.01 % of measured value + µV)

                        10 mV – Range       ;   + (0.02 % of measured value + 0.2 µV)

                        1 mV – Range          ;   + (0.02 % of measured value + 0.05 µV)

            where, the ambient temperature is kept within the scope of 20 ± 2.5°C

            6.        Dimensions and weight

310 x 491 x approx.. 205 mm, including the height of the rubber foot and the dial knob.

310 x 491 x 145 mm (case only)

Approx. 11.1 kg

3.2  แผงด้านหน้า (Front Panel) 

            พิจารณารูปที่ 5.6 ตามหมายเลขกำกับดังนี้ 1, 2, 3, 4 หน้าปัด I, II, III และ IV

ค่าของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการทราบ จะแสดงเป็นตัวเลขในช่อง

5. ตัวเลือกพิสัย

      ตั้งเลือกพิสัยการวัดที่ต้องการ ตำแหน่งจองจุดทศนิยมจะสัมพันธ์กับพิสัยวัดที่เลือก

6. หน้าปัดเซลมาตรฐาน (E_S – Dial)

ใช้ร่วมในการปรับมาตรฐานกระแส (Working Current) จะต้องตั้งที่ค่า  แรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลมาตรฐาน

7.  ตัวปรับกระแส (Current ADJ)

สำหรับปรับค่ากระแสเรียงตามลำดับจากหยาบ (Coarse) กลาง (Medium) และละเอียด (Fine)

8. สวิตช์เลือกแรงดัน (E_X – E_S)

ต้งที่ E_S เมื่อต้องการปรับมาตรฐานกระแส ที่ E_X เมื่อต้องการวัดค่าแรงเคลื่อนที่ต้องการทราบค่า

            9.  สวิตช์เลือกขั้ว E_S’ E_X’ BA (NOR – REV)

                สำหรับกลับขั้วของ E_S’ E_X’ และ BA

          10. สวิตช์เลือกความไวของกัลวานอมิเตอร์

เป็นสวิตช์แบบปุ่มกด ความไวจะเพิ่มขึ้นจาก G₂ ไปถึง G_0’ G_S จะใช้เมื่อต้องการลัดวงจร (Short Circuit) ตัวกัลวานอมิเตอร์ และสามารถจะให้สวิตช์เหล่านี้ค้างอยู่  โดยการหมุนตามเช็มนาฬิกา ขณะกดสวิตช์นี้ลง

           11. ขั้วต่อ “E_X”

                 สำหรับต่อแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการวัดค่า

          12. ขั้วต่อ “BA”

                     สำหรับต่อแบตเตอรี่

           13. ขั้วต่อ “GA” และขั้วต่อ “GA Guard”

                 “GA” สำหรับต่อกัลวานอมิเตอร์และ

                    “GUARD” สำหรับต่อวงจรคุ้มกัน

           14. ขั้วต่อ “BA GUARD”

                 เป็นขั้วต่อคุ้มกันสำหรับแบตเตอรี่

            15. ขั้วต่อ “E_S”

                 สำหรับต่อเซลมาตรฐาน

            16. ขั้วต่อลงดิน

ขั้วต่อนี้จะตอกับแผงหน้า (Panel) และกล่อง (Case) อยู่ภายใน สำหรับต่อลงดินภายนอก

รูปที่ 5 จะแสดง Schematic Diagram ของโพเทนชิโอมิเตอร์

3.3  การปรับมาตรฐานกระแส (Standardization)

1.  ให้ G_0’ G_1’ G_2’ G_S อยู่ที่ตำแหน่ง “OFF” พิจารณาตำแหน่งเข็มของกัลวานอมิเตอร์ว่าชี้ที่ศูนย์หรือไม่

2.  ต่อเซลมาตรฐาน ปรับ E_S – dial ตามค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลมาตรฐาน

3.  ตั้งสวิตช์เลือกแรงดัน (E_S – E_X) ที่ “E_S” ต่อแบตเตอรี่ให้ถ฿กขั้ว กด “G₂” (แล้วปล่อย) เพื่อให้รู้ทิศทางของการปรับที่จำเป็น  ขณะนี้ขอแนะนำให้ตั้งค่ากระแสก่อนให้มีค่าประมาณ 22 mA โดยใช้แอมมิเตอร์วัด  (ในกรณีที่ใช้แหล่งกำเนิดกระแสคงที่  ให้ปรับที่ตัวแหล่งกำเนิดให้จ่ายกระแส 22 mA) ปรับกระแสโดย “Coarse” และ “Medium” เพื่อให้ได้การสมดุลอย่างหยาบ เพิ่มความไวของกัลวานอมิเตอร์โดยใช้ G_1’ G₀ ปรับกระแสโดยใช้ “Medium” และ “Fine” จนกระทั่งกัลวานอมิเตอร์ชี้ค่าศูนย์ การกด G_2’ G_1’ G₀ ควรจะใช้เวลาน้อยที่สุดเท่าที่ทำได้ เพื่อให้การถ่ายเทประจุจากเซลมาตรฐานมีค่าน้อยที่สุด (กระแสที่ผ่านเซลมาตรฐานควรน้อยกว่า 1 µA)

หมายเหตุ

            ขณะปรับมาตรฐานกระแส หน้าปัด I, II, III และตัวเลือกพิสัย จะอยู่ที่ตำแหน่งใดก็ได้ อย่างไรก็ตาม dial IV ควรอยู่ภายใน -1 ถึง +11

3.4  การวัดแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ไม่ทราบค่า

          1.  ให้ G_0’ G_1’ G₂ G_S อยู่ที่ตำแหน่ง “OFF” ตั้ง (E_S – E_X) ที่ “E_X”

          2.  ตั้งหน้าปัด I, II, III ร่วมกับตัวเลือกพิสัย (อ่านค่าโดยตรงจากตัวเลขในช่องของแต่ละ dial)  ตามค่าประมาณของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่คิดว่า  จะเป็นการเพิ่มความไวของกัลวานอมิเตอร์จนสมดุล กระทำเช่นเดียวกับในขณะปรับมาตรฐานกระแส ค่าที่วัดได้ขณะนี้คือ E_A

          3.  กลับสวิตช์เลือกขั้ว “E_S’ E_X’ BA NOR – REV” ปรับสมดุลอีกครั้งค่าที่วัดได้ขณะนี้คือ E_B

          4.  ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการจะเป็นค่าเฉลี่ยของ E_A และ E_B ตรวจสอบกระแสมาตรฐานอีกครั้ง

3.5  การวัดค่ากระแส

โดยใช้ชันต์ต่อ รูปที่ 6 ชันต์ที่ใช้จะมีค่ากระแสพิกัด (Rated Current) ให้เลือกหลายขนาด เช่น 2, 5, 10, 20, 50, และ 100 A เป็นต้น  โดยจะต้องรู้ว่า ชันต์ที่เลือกใช้มีแรงกันตกคร่อมเท่าใดในขณะที่มีกระแสพิกัดผ่าน และจะต้องไม่เกิน 100 mV  ซึ่งเป็นค่าที่โพเทนชิโอมิเตอร์นี้วัดได้ค่ากระแสที่ผ่านชันต์จะหาได้จากการวัดค่าแรงดันที่ตกคร่อมชันต์  โดยต่อขั้วแรงดันของชันต์เข้าที่ขั้ว “E_X” ของโพเทนชิโอมิเตอร์

รูปที่ 6 แสดงการใช้ชันต์ร่วมในการวัดกระแส

3.6  การวัดค่าความต้านทาน

          1.  เราสามารถวัดค่าความต้านทาน โดยการเปรียบเทียบแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานมาตรฐานกับตัวต้านทานที่ต้องการทราบว่า (เมื่อให้กระแสค่าเดียวกันไหลผ่าน) โดยการต่อวงจร ดังรูปที่ 7 จะสามารถห่าค่า R_X ได้จาก

R_X       =      (E_X/ E_s) R_S

            เมื่อ R_X            :           ตัวต้านทานที่ไม่ทราบค่า

                   R_S             :        ตัวต้านทานมาตรฐาน

รูปที่ 7 แสดงการวัดความต้านทานโดยการเปรี่ยบเทียบแรงดัน

            พิสัยที่สามารถวัดค่า  จะถูกจำกัดโดยกระแสที่ยอมให้ผ่านตัวต้านทานทั้งสอง (ค่าความต้านทานควรมีค่าไม่เกิน 1,000 Ω ในกรณีนี้) เลือกค่ากระแสที่พอเหมาะ เพื่อให้แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานไม่เกินพิสัยวัดของโพเทนชิโอมิเตอร์ ค่าแรงดันตกคร่อมที่เหมาะสมประมาณ 100 mV

          2.  ในการวัด ถ้าเป็นไปได้ควรจำการวัดแบบ 4 ขั้วต่อ คือ แยกขั้วต่อกระแสและแรงดันออกจากกัน

        3.  ในการวัดวิธีนี้ ไม่จำเป็นต้องปรับมาตรฐานกระแสของโพเทนชิโอมิเตอร์ไปยังค่าที่จำเพาะ (22 mA) ถ้า Working Current คงที่อยู่ภายใน 20 ถึง 30 mA ค่าที่จะถูกวัดจะไม่ถูกกระทบกระเทือน

4. โพเทนชิโอมิเตอร์สำหรับอุตสาหกรรม

            โพเทนชิโอมิเตอร์แบบนี้ ใช้ในงานที่ต้องการความละเอียดรองลงมา  แต่ถูกออกแบบให้แข็งแรงสำหรับใช้งานในโรงงาน  ค่าทีอ่านจะถูกปรับเทียบให้อยู่ในรูปปริมาณที่ต้องการ เช่น อุณหภูมิ ความดัน และอื่น ๆ ในรูปที่ 8  จะแสดงวงจรหนึ่งของโพเทนชิโอมิเตอร์ที่ใช้ในอุตสหากรรม  โดยออกแบบสำหรับงานเฉพาะอย่าง เช่น ใช้วัดอุณหภูมิจาก 400 ถึง 1000 องศาเซลเซียส  โดยใช้เทอร์โมคัปเปิลชนิด Iron-constantan ในวงจรนี้ กระแสจากแบตเตอรี่จะแยกไหลเป็น 2 สาขา (Branch) ในการออกแบบ จะให้กระแสในแต่ละสาขาเท่ากัน  ดังนั้นความต้านทานรวมในแต่ละสาขาจะเท่ากัน

รูปที่ 8 โพเทนชิโอมิเตอร์สำหรับอุตสาหกรรม

          สาขาแรกประกอบด้วยตัวต้านทาน R_1’ R₂ ขนานกับ W และ R₃ อีกสาขาหนึ่งประกอบด้วย ตัวต้านทาน R_S และ R_n ความต้านทานรวม R_S + R_n ทำหน้าที่ปรับมาตรฐานกระแส (ให้มีค่าตามที่ต้องการ) ค่าความต้านทาน R_n จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของจุดต่ออ้างอิง (Reference Junction) ที่เลือก R_n อาจเป็นเส้นลวดตัวต้านทาน (Slide Wire) และถูกปรับเทียบเป็นมิลลิโวลต์ ซึ่งสามารถถูกตั้งโดยมือ  (Manually) ให้มีค่าเหมาะที่จะชดเชยตลอดช่วงอุณหภูมิของจุดต่ออ้างอิง R₁ จะเลือกสำหรับชดเชยอุณหภูมิปลายช่วงวัด (กรณีนี้คือ 400 องศาเซลเซียส) การปรับของ W (ที่ต่อขนานกับ R₂) จะต้องสามารถครอบคลุม Span ของการวัด (1,000 – 400 = 600 องศาเซลเซียส)  ค่าของ R₃ คือ ความต้านทานที่ใส่เข้าไป เพื่อทำให้ความต้านทานรวมในแต่ละสาขาเท่ากัน

รูปที่ 9 วงจรโพเทนชิโอมิเตอร์แบบปรับสมดุลด้วยตัวเอง

            รูปที่ 9 แสดงโพเทนชิโอมเตอร์ที่ปรับสมดุยด้วยตัวเอง  ซึ่งใช้เครื่องแปลงผันแบบชอปเปอร์ (Chopper Type Converter) แทนกัลวานอมิเตอร์ในเครื่องวัดแบบปรับด้วยมือ รูปที่ 8 แรงดันไม่สมดุลจะถูกป้อนสู่วงจรขยายโดยผ่านเครื่องแปลงผัน เอาต์พุตของวงจรขยายจะไปขับมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบสองเฟส ซึ่งจะขับตัวเลื่อน (Slider) ของโพเทนชิโอมิเตอร์ไปสู่ตำแหน่งสมดุล ตัวแปลงผันจะอยู่ระหว่างเอาต์พุตของโพเทนชิโอมิเตอร์และอินพุตของวงจรขยาย  และทำหน้าที่แปลงแรงดันกระแสตรงที่ไม่สมดุลเป็นแรงดันกระแสสลับไม่สมดุล  ซึ่งจะถูกขยายโดยวงจรขยายไฟสลับ

            วงจรในรูปที่ 9 จะใช้สำหรับวัดอุณหภูมิโดยเทอร์โมคัปเปิล ลิ้น (Reed) ที่สั่นของเครื่องแปลงผัน (หมายเลข 1) จะถูกขัยโดยแรงดันสายความถี่ 60 เฮิรตซ์ ให้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ ซึ่งจะกลับกระแสที่ผ่านขดลวดปฐมภูมิที่แยกกันของหม้อแปลงอินพุต ทุกครั้งที่สิ้นสั่น ผลก็คือ เอาต์พุตของหม้อแปลงจะมีแรงดัน 60 เฮิรตช์ (ซึ่งเป็นสัดส่วนอินพุตกระแสตรงของเครื่องแปลงผัน) และถูกป้อนเข้าสู่วงจรขยาย (1) เอาต์พุตจากวงจรขยาย (1) จะป้อนเข้าสู่ขดควบคุม (Control Winding) ของมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบสองเฟส แรงดันที่ป้อนแก่ขดกระตุ้น (Exciting Winding) จะมาจากแรงดันสาย (Line Voltage) ที่ถูกเลื่อนเฟสไป 90°  เนื่องจากตัวเก็บประจุที่ต่อนุกรมอยู่กับขดกระตุ้น  ขณะนี้เฟสของแรงตันเอาต์พุตจากวงจรขยาย (1) จะนำหรือตามแรงดันคงที่ที่ขดกระตุ้นประมาณ 90° ขึ้นอยู่กับขั้วของแรงดันกระแสตรงไม่สมดุล  ที่ป้อนเข้าสู่อินพุตของเครื่องแปลงผัน  ทำให้ทิศทางการหมุนของมอเตอร์ถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์เฟสระหว่างสองแรงดันที่ขดลวดทั้งสอง  ถ้าแรงเคลื่อนที่ต้องการวัดค่า E_X มากกว่าแรงดันปรับสมดุลที่สร้างโดยโพเนชิโอมิเตอร์  มอเตอร์จะหมุนในทิศทางหนึ่ง  ถ้า E_X น้อยกว่าแรงดันปรับสมดุล เอาต์พุตจากวงจรขยาย (1) จะเลื่อนไป 180° ทำให้มอเตอร์หมุนกลับอีกทิศหนึ่ง  แกนหมุนของมอเตอร์จะต่อทางกลอยู่กับตัวเลื่อนในลักษณะที่การหมุนของมอเตอร์จะบดการไม่สมดุลในวงจรโพเทนชิโอมิเตอร์  การหมุนจะหยุดเมื่อเข้าสู่สภาวะสมดุลหรือกระแสความคุมเป็นศูนย์  เมื่อกระแสของโพเทนชิโอมิเตอร์ถูกรักษาให้คงที่ (ที่สมดุล) ตำแหน่งของตัวเลื่อน C จะแสดงอุณหภูมิ ถ้าต่อเชื่อมทางกล มอเตอร์กับกลไกของปากกา การเคลื่อนของตัวเลื่อนจะกลายเป็นการเคลื่อนที่ของปากกาอย่างต่อเนื่อง

            เนื่องจากเราจะต้องรักษากระแสทางด้านโพเทนชิโอมิเตอร์และในความต้านทานชดเชยR_n ให้คงที่สำหรับแหล่งกำเนิดกระแสคงที่จะทำการเรียงกระแส และทำให้เรียบเป็นกระแสกระแสตรง  ในการรักษาให้เป็นกระแสกระแสตรงที่มีค่าคงที่ เราจะคุมค่า (Regulate) กระแสโดยอัตโนมัติ  โดยวงจรปรับกระแสอ้างอิงซึ่งในรูปประกอบด้วย เซลมาตรฐาน E_X ส่วนของเครื่องแปลงผัน หม้อแปลงอินพุต วงจรขยายกระแสสลับ (2) วงจรเรียงกระแส แบะวงจรกรอง

            เราจะใช้ความต้านทาน R ในการตรวจสอบว่า ค่ากระแสถูกต้องหรือไม่ สมมติว่า R ทำให้กระแสในตัวมัน (1) เท่ากับใน R_n ถ้ารักษากระแสใน R_n ให้มีค่าคงที่ ดังนั้นกระแสนใน R จะคงที่ด้วย ค่าของ R จะถูกกำหนดในลักษณะที่เมื่อกระแสมาตรฐานไหลผ่านตัวมัน  แรงดันตกคร่อมมันจะเท่ากับแรดันของเซลมาตรฐานหรือ

                                           V_g     =       RI                =       E_S                                   (1)

          เมื่อกระแส I กลายเป็น I^’ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดันแหล่งกำเนิด อินพุตของวงจรขยาย (2) จะกลายเป็น

                                            V_in    =       E_S – V^’_R      =       R (I - I^’)                         (2)

          ซึ่ง V_in นี้จะถูกขยายและถูกเรียงกระแส และ (I - I^’) ก็จะถูกกำจัดออกไปจากวงจร กระแสของวงจรจะอยู่ภายใน  I ± 0.1 % เมื่อแรงดันแหล่งกำเนิดอยู่ภายใน 100 ± 10 V

เอกสารอ้างอิง

1. หนังสือการวัดและเครื่องวัดไฟฟ้า โดย รศ.ดร.เอก ไชยสวัสดิ์
2. http://www.allaboutcircuits.com/vol_6/chpt_3/7.html