เครื่องวัดค่าความจุไฟฟ้า

เครื่องวัดค่าความจุไฟฟ้า

แบบบริดจ์

-บริดจ์แบบเปรียบเทียบความจุไฟฟ้า(capacitance comparison bridge) ส่วนต่างๆของบริดจ์จะประกอบด้วย

แทนค่าเหล่านี้ลงในสมการบริดจ์สมดุลย์จะได้ 

จากสมการจะเห็นได้ว่าสามารถแยกพิจารณาได้ 2กลุ่ม ได้แก่ กลุ่มค่าจริงและกลุ่มค่าจินตภาพ ดังนี้

- หาค่า R_x และ C_x  ได้ดังนี้

    บริดจ์เปรียบเทียบความจุไฟฟ้าเเบบขนาน จะใช้ค่าความจุไฟฟ้า สำหรับตัวเก็บประจุที่มีค่าตัวประกอบสูญเสียของมันอยู่ในช่วง 0.05 <  D  < บริดจ์นี้จะยังคงเป็นลักษณะบริดจ์อัตราส่วน โดยใช้เเขน2เเขนของบริดจ์เป็นค่าความต้านทานอย่างเดียว ขณะนี้วงจรสมมูลของตัวเก็บประจุที่ต้องการวัดจะอยู่ในรูป R ขนานกับ C เช่นเดียวกับวงจรสมมูลของเเขนมาตราฐานที่อยู่ติดกับเเขนที่ต้องการจะวัด 

ดังรูป เมื่อบริดจ์สมดุลจะได้

บริดจ์เปรียบเทียบความจุไฟฟ้าเเบบขนาน

1/Z_P    =    R₁/R₂ (1/Z_X)   

แทนค่า    1/Z_P    =    1/R_P + jωC_P และ 1/Z_X    =    1/R_X + jωC_x  ลงในสมการด้านบน

1/R_P + jωC_P    =    R₁/R₂ ( 1/R_X + jωC_x  )

ให้ส่วนจริงทั้งสองด้านของสมการเท่ากัน

1/R_P    =    R₁/R₂ ( 1/R_X  )

R_X    =    ( R₁/R₂ ) R_P

การประยุกต์บริดจ์ความจุไฟฟ้า

            -การวัดความจุไฟฟ้าค่าน้อยๆ ในการวัดค่าความจุไฟฟ้าที่ไม่ทราบค่า C_­x ให้มีความถูกต้องสูง โดยปกติจะใช้วิธีการแทนที่ โดยการให้ความต้านทานในแขนอัตราส่วนเท่ากัน และ ต่อตัวเก็บประจุ C_s ที่รู้ค่าว่ามีค่าอยู่ในระดับเดียวกับ C_x เข้าที่ปลายสำหรับต่อตัวไม่ทราบค่า ทำการปรับสมดุลบริดจ์ 

บันทึกค่า C_a ที่อ่านได้ จากนั้นต่อตัวเก็บประจุที่ไม่ทราบค่านี้ขนานกับ C_s ทำการปรับสมดุลบริดจ์อีกครั้ง บันทึกค่าที่อ่าน C_b ได้ความแตกต่างจากค่าที่อ่าน C_b-C_a จะให้ค่าของ C_x ที่ต้องการทราบ โดยมีความถูกต้องสูง ข้อดีของวิธีนี้คือ ความผิดพลาดในการทดลองเนื่องจาก Stray Capacitance จะมีค่าน้อยที่สุด

          

           -การวัดความจุไฟฟ้าของขดลวดของหม้อแปลง  ในรูป (a) แสดงบริดจ์ความจุไฟฟ้าที่ใช้ในการวัดความจุไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ ของหม้อแปลงกับดินเพราะว่าความจุไฟฟ้าของขดลวดนี้จะมีค่าน้อย ความถี่ของบริดจ์จะต้องต่ำพอที่จะตัดทิ้ง รีแอกแตนซ์เชิงเหนี่ยวนำและผลการรีโซแนนซ์อาจใช้ความถี่ 1 kHz เมื่อความเหนี่ยวนำของขดลวดมีค่าต่ำ

(a)

-การวัดความยาวของสายเคเบิล  ในการใช้บริดจ์ความจุไฟฟ้าในการวัดความยาวของสายเคเบิลแกนร่วม(Coaxial) ความยาวจะถูกวัดในพจน์ของความจุไฟฟ้าต่อความยาว 1 ฟุต เช่น สายชนิด RG-58/u(สำหรับที่ใช้ในห้องปฏิบัติการทั่วไป) จะมีความจุประมาณ 30pF/ft ถ้าค่าความจุไฟฟ้าที่วัดได้คือ 0.009 uF ดังนั้นความยาวของสายคือ 300 ฟุต  

เเหล่งที่มา 
- หนังสือ การวัด เเละ เครื่องวัดไฟฟ้า ผู้เขียน รศ.ดร. เอก ไชยสวัสดิ์ 
- หนังสือ Elements of Electrical and Electronic Instrumentation ผู้เขียน  Kurt S. Lion

อิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ ( Electrodynamometer )

อิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ (Electrodynamometer)

          อิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์จะมีลักษณะคล้ายกับมูฟเม้นท์มิเตอร์แบบ ดี-อาร์ซองวาล โดยแทนที่แม่เหล็กถาวรด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ( Electromagnet ) ซึ่งเป็นขดลวดอยู่กับที่ (Fixed coil) แต่แยกเป็นสองส่วน เพื่อให้เกิดสนามแม่เหล็กในบริเวณที่ส่วนขดลวดเคลื่อนที่ ( Moving coil )  ขดลวดอยู่กับที่ (Fixed coil) จะใช้ลวดขนาดใหญ่ เพื่อให้เกิดค่าแอมแปร์-รอบ มากพอที่จะเกิดแรงบิดให้เข็มเบี่ยงเบนได้พอเพียง เรียกขดนี้ว่า ขดกระแส ( Current Coil ) ส่วนขดลวดที่เคลื่อนที่เรียกว่า ขดแรงดัน ( Voltage Coil ; Moving Coil) ผลของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากขดลวดกระแสและขดลวดแรงดัน ที่กระท้าต่อกัน เมื่อมีกระแสผ่านจะท้าให้เกิดแรงบิดเช่นเดียวกับมูฟเม้นท์มิเตอร์แบบ ดี-อาร์ซองวาล แรงบิดนี้จะถูกต้านโดยสปริง ซึ่งใช้เป็นทางผ่านของกระแสที่เข้าสู่ขดลวดแรงดันด้วย เข็มชี้ที่ติดตั้งบนส่วนเคลื่อนที่ จะแสดงขนาดของปริมาณซึ่งอาจปรับเทียบเป็นค่าโวลท์ , แอมแปร์ หรือ วัตต์ 

โครงสร้าง

- ถ้าแทนที่แม่เหล็กถาวรใน PMMC ด้วยขดลวดที่ยึดติดกับที่แล้วปล่อยกระแสไหลผ่านทั้ง
ขดลวดที่อยู่กับที่และที่ขดลวดหมุน จะเกิดแรงบิดทำให้ขดลวดเคลื่อนที่เช่นเดียวกับใน
กรณีของ PMMC ที่ใช้ในเครื่องวัดกระแสตรง โดยแรงบิดจะขึ้นผลคูณของกระแสที่ขดลวดทั้งสอง

การประยุกต์เป็นเครื่องวัด

- แอมป์ มิเตอร์แบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ โดยการต่อขดลวดทั้งสองอนุกรมกันและ

ต่อชันต์เพื่อแบ่งกระแสไม่ให้เกินขีดจำกัดของขดลวดเคลื่อนที่

    การเบี่ยงเบนของเข็มจะเป็นสัดส่วนกับกระแส rms ยกกำลังสอง

- โวลต์มิเตอร์แบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ โดยการต่อขดลวดทั้งสองอนุกรมกันและอนุกรมกับตัวต้านทาน

  อิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ จะสามารถทนกระแสได้สูงกว่า มูฟเม้นท์มิเตอร์แบบ ดี-อาร์ซองวาล เมื่อไม่มีความต้านทานต่อขนานเพิ่มเข้าไป แต่จะมีความไวต่้ากว่า โดยทั่วไปแล้วจะประมาณ 20 - 100 Ω / V

แสดงอิเล็กโทรไดนาโมมิเตอร์มูฟเม้นท์

           จากรูป เป็นลักษณะโครงสร้างของอิเล็กโทรไดนาโมมิเตอร์มูฟเม้นท์ที่น้ามาใช้เป็นอิเล็กโทรไดนาโม มิเตอร์ที่ใช้วัดกระแสได้สูงขึ้นโดยการต่อความต้านทานขนานกับส่วนของขดลวดเคลื่อนที่

หรือน้ามาวัดแรงดันโดยการต่อความต้านทานอนุกรมเข้าไปนั่นเอง

          รูปแสดงการนำอิเล็กโทรไดนาโมมิเตอร์มาวัดกระแส และแรงดันจากรูป ก เป็นการต่อความต้านทานขนานกับ Moving coil เพื่อใช้เป็นแอมมิเตอร์ และจากรูป ข เป็นการต่อความต้านทานอนุกรม ( Multiplier ) เพื่อใช้เป็นโวลท์มิเตอร์

ลักษณะจำเพาะของเครื่องวัดแบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์

1. สเกลของแอมมิเตอร์และโวลท์มิเตอร์จะมีลักษณะกฎก้าลังสอง โดยประมาณ ส่วนสเกลของวัตต์

มิเตอร์จะมีลักษณะเป็นเชิงเส้น

2. ต้นทุนในการผลิตสูงกว่า และมีการสูญเสียก้าลังสูงกว่าเครื่องวัดแบบ PMMC

3. ใช้วัดค่า rms ของรูปคลื่นกระแสสลับ โดยไม่ค้านึงถึงรูปร่างของคลื่น

4. เหมาะส้าหรับใช้ทั้งวงจรกระแสตรงและกระแสสลับ โดยไม่ถูกกระทบกระเทือนโดยความถี่บางรุ่น

สามารถใช้ในพิสัยความถี่จากกระแสตรงถึง 25 KHz

5. สนามแม่เหล็กรายรอบจะมีผลกระทบต่อการท้างานของเครื่องวัดแบบนี้ ดังนั้นจะต้องวางชุด

ขดลวดภายในส่วนที่ห่อหุ้ม เพื่อป้องกันสนามแม่เหล็กภายนอก

      

เเหล่งที่มา 
- หนังสือ การวัด เเละ เครื่องวัดไฟฟ้า ผู้เขียน รศ.ดร. เอก ไชยสวัสดิ์ 

- หนังสือ Elements of Electrical and Electronic Instrumentation ผู้เขียน  Kurt S. Lion