สำหรับบทความนี้จะเป็น EP2 ของการสอบเทียบ ซึ่ง EP1 เราได้แนะนำเรื่องการสอบเทียบสำหรับตัววัดอุณหภูมิและเกริ่นนำถึงเหตุผลที่เราต้องสอบเทียบไปแล้ว สำหรับ EP2 นี้แอดจะมาแชร์เรื่องการสอบเทียบของอุปกรณ์ไฟฟ้ากันบ้างครับ สำหรับผู้ที่ทำงานไฟฟ้าและเครื่องมือวัด อุปกรณ์สำคัญที่ต้องใช้งานคงหนีไม่พ้นอุปกรณ์ที่วัดค่าทางไฟฟ้า ซึ่งเปรีัยบเสมือนเนตรทิพย์ ที่ใช้ในการตรวจสอบค่าต่างๆทางไฟฟ้า ซึ่งแอดจะนำเอาหัวข้อที่นิยม ในการสอบเทียบดังบทความด้านล่างนี้ครับ
1. DC Voltage Calibration (การสอบเทียบแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง)
การสอบเทียบแรงดันไฟฟ้า DC ดูเหมือนจะเป็นพารามิเตอร์ที่ตรงไปตรงมาที่สุด แต่ในระดับความแม่นยำสูง (ระดับหกถึงแปดหลัก) จะมีปัจจัยระดับไมโครโวลต์เข้ามามีผลอย่างมาก ซึ่งยิ่งมีจำนวนทศนิยม (Resolution) ยิ่งเยอะ ค่าที่อ่านได้ถ้าควบคุมปัจัยที่เกี่ยวข้องไม่ดี ตัว Meter จะอ่านค่า Swing เรามาดูกันครับว่าปัจจัยหลักๆ ที่ส่งผลต่อค่าวัดมีอะไรบ้าง
1.1 Thermal EMF (Seebeck Effect)
ปรากฎการณ์นี้จะเกิดขึ้นเมื่อโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันมาเชื่อมต่อกัน (Junction) และมีผลต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดเชื่อมต่อ (V=α⋅ΔT) เช่น จุดเชื่อมต่อ Copper-Brass สามารถสร้างแรงดันรบกวนได้สูงถึง 3μV/∘C ถึง 10μV/∘C ซึ่งเหมือนกับหลักการของ Thermocouple แล้วเราสามารถลดปัจจัยนี้ได้อย่างไร
วิธีการจัดการ
1. ใช้สายเชื่อมต่อชนิด Low Thermal Lead ที่ทำจากทองแดงปลอดออกซิเจนความบริสุทธิ์สูง (OFHC Copper) หรือทองแดงเคลือบทอง / Tellurium Copper
2. หลีกเลี่ยงการจับขั้วต่อด้วยมือเปล่าก่อนวัด เพราะความร้อนจากมือจะสร้าง Temperature Gradient
3. ใช้เทคนิค Reversal Measurement Method (วัดค่าที่แรงดันบวก +V และแรงดันลบ −V แล้วนำมาหาค่าเฉลี่ยเพื่อหักล้าง Offset Voltage ออก) ตามสมการด้านล่าง
1.2 Loading Effect & Input Impedance
เครื่องมือวัดเช่นเครื่องมือวัด Digital multimeter ในการวัดแรงดันไฟฟ้า ตัว meter จะ มีความต้านทานภายใน ซึ่งถ้าหากความต้านทานนี้ไม่สูงพอ เมื่อต่อเข้ากับแหล่งจ่าย (Calibrator) จะทำให้เกิด Divider Effect ค่าแรงดันที่วัดได้จะต่ำกว่าความเป็นจริง
วิธีการจัดการ
1. ในย่านแรงดันต่ำ (เช่น ≤10V) DMM ระดับ Precision จะมีโหมด 10 GΩ High Impedance ต้องเปิดใช้งานเสมอ
2. ในย่านแรงดันสูง (>10V) ซึ่ง DMM มักลด Rin ลงเหลือ 10 MΩ ต้องคำนวณค่าความคลาดเคลื่อนจาก Loading Effect เข้าไปใน Uncertainty Budget
2. AC Voltage Calibration (การสอบเทียบแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ)
การสอบเทียบแรงดันไฟฟ้า AC Voltage มีความซับซ้อนกว่า DC มาก เนื่องจากมีผลของ ความถี่ (Frequency) และ รูปคลื่น (Waveform) เข้ามาเกี่ยวข้องอีกด้วย ซึ่งจะส่งผลต่อค่าวัดตามกลไกด้านล่างครับ
2.1 Frequency Response & Flatness
Calibrator และ DMM มีการตอบสนองต่อความถี่ไม่เท่ากันในแต่ละย่าน สัญญาณ AC ที่ความถี่ 50 Hz อาจมีความแม่นยำสูง แต่พอความถี่ขยับไปที่ 100 kHz สายนำสัญญาณและวงจรภายในจะเริ่มแสดงค่า Impedance ( Z=R+jL+1jC ) ทำให้สัญญาณลดทอนจาก impedance ที่เปลี่ยนไป (Attenuation)
ข้อกำหนดใน ISO 17025 การรับรองและการออกใบ Certificate ห้ามระบุแค่ค่า Vrms แต่ต้องระบุคู่กับความถี่เสมอ เช่น 10 Vrms@ 1 kHz, 10 Vrms @ 50 kHz
2.2 Cable Capacitance & Shielding
สำหรับสายวัดทั่วไปมีความจุไฟฟ้าแฝง (Stray Capacitance) ประมาณ 100 pF/m ที่ความถี่สูง Capacitive Reactance (Xc=12fC ) จะลดลง ทำหน้าที่เป็น Shunt ดึงกระแสลง Ground
วิธีการจัดการ
ใช้สาย Coaxial Cable (เช่น RG-58 หรือ RG-223) ที่มีค่า Capacitance ต่ำและมีความ ยาวสั้นที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ในการสอบเทียบย่านความถี่สูง (>10 kHz)
3. DC & AC Current Calibration (การสอบเทียบกระแสไฟฟ้า)
การสอบเทียบกระแสไฟฟ้าต้องรับมือกับความร้อนสะสมที่เกิดจากตัวมันเอง (Self-Heating effect) และข้อจำกัดในการจ่ายแรงดันของเครื่องมืออ้างอิง
3.1 Burden Voltage & Compliance Voltage
Burden Voltage (ฝั่ง DMM/Ammeter) คือแรงดันตกคร่อมภายใน Shunt Resistor ของ DMM ขณะวัดกระแส หาก Burden Voltage สูง จะทำให้กระแสในวงจรจริงลดลง
Compliance Voltage (ฝั่ง Calibrator) คือแรงดันสูงสุดที่ Calibrator สามารถจ่ายออกไปเพื่อผลักดันกระแส (I) ให้ไหลผ่านวงจรภายนอกตามที่ตั้งไว้ หากความต้านทานรวมในลูปสูงเกินไป ( Vloop=IRloop>Vcompliance ) Calibrator จะตัดการทำงานหรือแจ้งสถานะ Compliance Limit/Unrange
3.2 Self-Heating Effect ในการวัดกระแสสูง
เมื่อจ่ายกระแสสูง (เช่น 10A – 20A) ผ่าน Shunt Resistor พลังงานสูญเสียในรูปความร้อน ( P=I2R ) จะทำให้อุณหภูมิของ Shunt สูงขึ้น ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนไปตาม Temperature Coefficient (α) ทำให้ค่าอ่านค่อยๆ ลอย (Drift)
วิธีการจัดการ
1. ใช้ Current Coil (Transconductance Amplifier) เช่น ขดลวด 50 รอบ เพื่อขยายกระแสทางอ้อม (จ่ายกระแส 2 A ผ่านขดลวด 50 รอบ เพื่อจำลองกระแส 100 A ให้กับ Clamp Meter)
2. กำหนดระยะเวลาจ่ายกระแส (Dwell Time) ให้สั้นที่สุดในการอ่านค่ากระแสสูง และต้องให้เวลารักษาอุณหภูมิ (Cool-down time) ก่อนทำการวัดจุดถัดไป
4. Resistance Calibration (การสอบเทียบความต้านทาน)
การสอบเทียบความต้านทานแบ่งออกเป็น 2 เทคนิคหลักตามระดับความต้านทาน
4.1 Low Resistance (≤100 kΩ) ใช้เทคนิค 4-Wire Kelvin Connection
การวัดแบบ 2-Wire จะนำความต้านทานของสายวัด ( Rlead ) และความต้านทานจุดสัมผัส (Rcontact ) มารวมกับค่า RDUT ด้วย ทำให้เกิด Error สูงมากในย่านต่ำ (สายวัดทั่วไปมีค่าประมาณ 0.01Ω−0.2Ω)
วิธีการจัดการ
แยกสายออกเป็น 2 คู่:
1. Current Leads (I+,I- ): จ่ายกระแสทดสอบผ่านสายคู่นี้
2. Sense Leads (V+,V- ): วัดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานโดยตรง เนื่องจาก DMM มี Rin สูงมาก กระแสจึงไม่ไหลผ่าน Sense Leads ทำให้ไม่มีแรงดันตกคร่อมบนสาย Sense
4.2 High Resistance ( 1M ถึง T ) ใช้เทคนิค Driven Guard Terminal
ที่ความต้านทานสูงมากๆ กระแสทดสอบจะมีขนาดเล็กมากในระดับ nanoampere (nA) หรือ picoampere (pA) กระแสรั่วไหล (Leakage Current) ที่ไหลผ่านฉนวนของสายวัด หรือคราบความชื้น/ฝุ่นบนพื้นผิวหน้าสัมผัส จะเบี่ยงเบนออกไปนอกวงจร ทำให้ค่าความต้านทานที่วัดได้ต่ำกว่าความเป็นจริง
วิธีการจัดการ
ใช้ขั้ว Guard Terminal สร้างแรงดันไฟฟ้าที่เท่ากับขั้ววัด เพื่อบล็อกไม่ให้กระแสรั่วไหลข้ามไปยัง Ground แต่บังคับให้กระแสทั้งหมดไหลผ่านตัวต้านทานเป้าหมายเท่านั้น
ε₀ = 8.85410 × 10⁻¹² F/m , ε₀ , Γ , |Γ| , |
Γ𝑠 ,
ขอขอบคุณผู้สนับสนุนบทความ
บทความนี้ได้รับการสนับสนุนข้อมูลและผลิตภัณฑ์จาก
บริษัท ไมโคร พรีซิชั่น คาลิเบรชั่น แลบบอราทอรี่ (ประเทศไทย) จำกัด
ผู้นำด้านการสอบเทียบเครื่องมือวัดระดับสากล มากกว่า 50 ปี
ห้องปฏิบัติการที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO/IEC 17025:2017 มากกว่า 50 แห่ง
โดยทีมงานผู้เชี่ยวชาญด้านเทคนิค คุณภาพ ปฏิบัติการ และธุรกิจมากกว่า 1,000 คนทั่วโลก
แล้วพบกับสาระดีๆแบบนี้ทางด้านงานช่าง งานวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้ที่ นายช่างมาแชร์ นะครับ
Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Blockdit : https://www.blockdit.com/naichangmashare
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare
Youtube: https://www.youtube.com/@naichangmashare
TikTok : https://www.tiktok.com/@naichangmashare
#Electrical_calibration #การสอบเทียบทางไฟฟ้า #Micro precision
