หลักการทำงานของโวลต์มิเตอร์และประเภทของโวลต์มิเตอร์

voltmeter คืออะไร?

Voltmeter เป็นเครื่องวัดแรงดันไฟฟ้า ซึ่งวัดแรงดันระหว่างสองจุด เราทราบว่าหน่วยของความต่างศักย์คือโวลต์ ดังนั้นเป็นเครื่องมือวัดที่วัดความต่างศักย์ระหว่างสองจุด

หลักการทำงานของ voltmeter

หลักการสำคัญของ voltmeter คือต้องเชื่อมต่อแบบขนานในส่วนที่เราต้องการวัดแรงดัน ใช้การเชื่อมต่อแบบขนานเนื่องจาก voltmeter ถูกสร้างขึ้นให้มีค่าความต้านทานสูงมาก ดังนั้นหากเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะทำให้กระแสไหลเกือบเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าวงจรเปิด

หากเชื่อมต่อแบบขนาน โหลดอิมพีแดนซ์จะขนานกับความต้านทานสูงของ voltmeter และผลรวมจะให้อิมพีแดนซ์ที่ใกล้เคียงกับโหลด สำหรับ voltmeter ที่สมบูรณ์แบบ ความต้านทานควรเป็นอนันต์และกระแสที่ดึงเข้ามาเป็นศูนย์ ดังนั้นไม่มีการสูญเสียพลังงานในเครื่องมือ แต่ในทางปฏิบัติไม่สามารถทำได้เนื่องจากไม่มีวัสดุที่มีความต้านทานอนันต์

ประเภทของ voltmeter

ตามหลักการสร้าง เราจะมีประเภทของ voltmeter หลัก ๆ ดังนี้ –

1. Moving Coil แบบแม่เหล็กถาวร (PMMC) Voltmeter.

2. Moving Iron (MI) Voltmeter.

3. Electro Dynamometer Type Voltmeter.

4. Rectifier Type Voltmeter

5. Induction Type Voltmeter.

6. Electrostatic Type Voltmeter.

7. Digital Voltmeter (DVM).

ขึ้นอยู่กับประเภทของการวัด เราจะมี –

1. DC Voltmeter.

2. AC Voltmeter.

สำหรับ DC voltmeters ใช้ PMMC instruments MI instrument สามารถวัดทั้ง AC และ DC voltages electrodynamometer type thermal instrument สามารถวัด DC และ AC voltages ได้ Induction meters ไม่ได้ใช้เนื่องจากมีราคาสูงและไม่แม่นยำในการวัด Rectifier type voltmeter, electrostatic type และ digital voltmeter (DVM) สามารถวัดทั้ง AC และ DC voltages

PMMC Voltmeter

เมื่อวางคอนดักเตอร์ที่มีกระแสผ่านในสนามแม่เหล็ก จะมีแรงกลไกกระทำต่อคอนดักเตอร์ ถ้าแนบที่ระบบเคลื่อนที่ เมื่อขดลวดเคลื่อนที่ ชี้วัดจะเคลื่อนที่บนสเกล PMMC instruments มีแม่เหล็กถาวร เหมาะสำหรับการวัด DC เพราะการเบี่ยงเบนเป็นสัดส่วนกับแรงดันเพราะความต้านทานคงที่สำหรับวัสดุของมิเตอร์ ดังนั้นหากความดันเปลี่ยนไป การเบี่ยงเบนของชี้วัดจะเปลี่ยนไปด้วย ดังนั้นใช้สำหรับการวัด DC เท่านั้น ประเภทของเครื่องมือนี้เรียกว่า D’Arnsonval type instrument มีข้อดีคือสเกลเชิงเส้น ใช้พลังงานต่ำ ความแม่นยำสูง ข้อเสียหลักคือวัดเฉพาะปริมาณ DC ราคาสูง

โดยที่,
B = ความหนาแน่นฟลักซ์ใน Wb/m2.
i = V/R โดยที่ V คือแรงดันที่ต้องวัดและ R คือความต้านทานของโหลด.
l = ความยาวของขดลวดใน m.
b = ความกว้างของขดลวดใน m.
N = จำนวนรอบของขดลวด

การขยายช่วงการวัดใน PMMC Voltmeter

ใน PMMC voltmeters เราสามารถขยายช่วงการวัดแรงดันได้ เพียงแค่เชื่อมต่อความต้านทานแบบอนุกรมกับมิเตอร์ เราสามารถขยายช่วงการวัดได้

กำหนดให้,
V คือแรงดันอุปกรณ์ในโวลต์.
Rv คือความต้านทานของ voltmeter ในโอห์ม.
R คือความต้านทานภายนอกที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมในโอห์ม.
V1 คือแรงดันที่ข้าม voltmeter.
แล้วความต้านทานภายนอกที่ต้องเชื่อมต่อแบบอนุกรมคือ

MI Voltmeter

MI instruments คือ moving iron instrument ใช้สำหรับการวัดทั้ง AC และ DC เพราะการเบี่ยงเบน θ เป็นสัดส่วนกับกำลังสองของแรงดัน ดังนั้นไม่ว่าจะเป็นโพลาไรตี้ใดของแรงดัน ก็จะแสดงการเบี่ยงเบนทางเดียว ต่อไปมีการแบ่งประเภทเพิ่มเติม,

1. ชนิดดึงดูด.

2. ชนิดไล่ออก.

โดยที่, I คือกระแสทั้งหมดที่ไหลในวงจรในแอมแปร์ I = V/Z
โดยที่, V คือแรงดันที่ต้องวัดและ Z คืออิมพีแดนซ์ของโหลด.
L คือความเหนี่ยวนำตนเองของขดลวดในเฮนรี่.
θ คือการเบี่ยงเบนในเรเดียน.

หลักการของ Attraction type MI Instrument

หากนำเหล็กอ่อนที่ไม่ได้ถูกแม่เหล็กไว้ในสนามแม่เหล็ก มันจะถูกดึงดูดไปยังขดลวด หากมีชี้วัดแนบที่ระบบและผ่านกระแสผ่านขดลวดจากการประยุกต์ใช้แรงดัน จะสร้างสนามแม่เหล็กซึ่งดึงดูดชิ้นเหล็กและสร้างแรงบิดเบี่ยงเบน ทำให้ชี้วัดเคลื่อนที่บนสเกล

หลักการของ Repulsion type MI Instrument

เมื่อสองชิ้นเหล็กถูกแม่เหล็กด้วยโพลาไรตี้เดียวกันจากการผ่านกระแสซึ่งทำโดยการประยุกต์ใช้แรงดันที่ voltmeter จะเกิดการไล่ออกและทำให้เกิดแรงบิดเบี่ยงเบน ทำให้ชี้วัดเคลื่อนที่
ข้อดีคือสามารถวัดทั้ง AC และ DC ราคาถูก ความผิดพลาดจากการเสียดสีต่ำ แข็งแรง ใช้สำหรับการวัด AC เนื่องจากในการวัด DC ความผิดพลาดจะมากขึ้นเนื่องจาก hysteresis

Electrodynamometer Type Voltmeter

Electrodynamometer instruments ใช้เพราะมีการสอบเทียบเดียวกันทั้ง AC และ DC คือถ้าสอบเทียบด้วย DC แล้วก็สามารถวัด AC ได้โดยไม่ต้องสอบเทียบใหม่

หลักการของ Electrodynamometer Type Voltmeter

เรามีขดลวดสองขด คือขดลวดตรึงและขดลวดเคลื่อนที่ หากแรงดันถูกประยุกต์ใช้ที่สองขดลวด กระแสจะไหลผ่านสองขดลวด ทำให้อยู่ในตำแหน่งศูนย์เนื่องจากแรงบิดที่เท่ากันและตรงกันข้าม หากทิศทางของแรงบิดหนึ่งแรงบิดกลับทิศทางเนื่องจากกระแสในขดลวดกลับทิศทาง แรงบิดทางเดียวจะเกิดขึ้น
สำหรับ voltmeter การเชื่อมต่อเป็นแบบขนานและทั้งขดลวดตรึงและขดลวดเคลื่อนที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับความต้านทานไม่เหนี่ยวนำ
φ = 0 โดยที่ φ คือมุมเฟส

โดยที่, I คือปริมาณกระแสที่ไหลในวงจรในแอมแปร์ = V/Z.
V และ Z คือแรงดันที่ประยุกต์ใช้และอิมพีแดนซ์ของขดลวดตามลำดับ.
M = ความเหนี่ยวนำร่วมของขดลวด
ไม่มีความผิดพลาดจาก hysteresis สามารถใช้สำหรับการวัดทั้ง AC และ DC ข้อเสียหลักคือมีอัตราส่วนแรงบิด/น้ำหนักต่ำ ความสูญเสียจากการเสียดสีสูง แพงกว่าเครื่องมืออื่น ๆ ฯลฯ

Rectifier Voltmeter

หลักการของ Rectifier Voltmeter

ใช้สำหรับการวัด AC หรือ DC