หน่วยที่ 1 พื้นฐานของเครื่องมือวัดไฟฟ้าและอิเล็กทรอนืกส์

หนว่ ยท่ี 1พ้นื ฐานเคร่อื งมอื วดั ไฟฟา้ และอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์

จดุ ประสงค์เชงิ พฤตกิ รรม นักเรยี นสามารถ............... 1. บอกชนิดของมัลตมิ ิเตอร์ได้ 2. อธบิ ายลกั ษณะของมลั ติมิเตอรไ์ ด้ 3. บอกส่วนประกอบของมลั ตมิ เิ ตอร์ได้ 4. บอกหนา้ ที่ของมัลตมิ ิเตอร์ได้ 5. บอกหน่วยวดั ทางไฟฟ้าได้ 6. บอกความไวของเคร่อื งมือวัดทางไฟฟ้าได้ 7. คานวณหาคา่ ความไวของเครอ่ื งมือวัดทางไฟฟา้ ได้ 8. บอกความคลาดเคลอื่ นในการวัดได้ 9. บอกความหมายของความถกู ตอ้ งและความเทยี่ งตรงในการวดั ได้

เนอ้ื หาบทเรียน 1. มลั ติมิเตอร์ 1.1 ชนดิ ของมลั ตมิ เิ ตอร์ 1.2 ลกั ษณะของมัลติมิเตอร์ 1.3 สว่ นประกอบของมลั ติมิเตอร์ 2. หน้าทขี่ องมลั ติมเิ ตอรไ์ ด้ 3. หนว่ ยวัดทางไฟฟ้า 4. ความไวของเครอ่ื งมือวดั ทางไฟฟา้ 5. ความคลาดเคล่อื นในการวัด 6. ความถกู ตอ้ งและความเทย่ี งตรง

ชนิดของเครือ่ งมอื วดั ไฟฟ้าและอิเลก็ ทรอนิกส์สามารถจาแนกตามวิธีการแสดงผลได้ 2 ชนิด คอื 1. Analog Multimeter แสดงผลเปน็ แบบเข็มชี้ ส่วนประกอบหลกั คอื ขดลวดเคลื่อนท่ี ราคาถกู และสามารถสังเกตความเปลี่ยนแปลงของปรมิ าณทีว่ ดั ได้แตม่ คี วามเท่ียงตรงนอ้ ยกว่า

2. Digital Multimeter แสดงผลเปน็ ตัวเลข มีความเท่ียงตรงสงู อ่านค่าไดง้ า่ ยแต่ราคาแพง และ ไม่สามารถสงั เกตการเปล่ยี นแปลงใดๆ ไดเ้ ลย

1. มัลตมิ เิ ตอร์ชนิดอนาลอ็ กหรอื มัลตมิ ิเตอร์แบบเข็ม เป็นเครื่องมือวัดปริมาณทางไฟฟ้าหลายประเภทรวมอยู่ใน เคร่ืองเดียวกัน ซ่ึงสามารถใชว้ ัดปริมาณตอ่ ไปนี้ - แรงดนั ไฟฟา้ กระแสตรง (DC voltage) - แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC voltage) - กระแสไฟฟา้ ชนิดไฟตรง (DC current) - ความต้านทานไฟฟ้า (electrical resistance)

- กาลงั ออกของสญั ญาณความถ่ีเสียง (AF output)- การขยายกระแสตรงของทรานซสิ เตอร์- กระแสรว่ั ของทรานซิสเตอร์ (leakage current, lCEO)-ความจุทางไฟฟ้า (capacitance) ฯลฯ

สว่ นประกอบของมัลตมิ เิ ตอร์แบบอนาล็อก     

หมายเลข 1 หนา้ ปดั แสดงสเกล บอกค่าต่างๆ ของปริมาณไฟฟ้าทว่ี ดั ได้หมายเลข 2 ไดโอดเปลง่ แสงหรอื แอลอดี ี จะเปล่งแสง เมอ่ื ทาการแตะ สายมิเตอร์ ขณะตั้งย่าน x1หมายเลข 3 เข็มช้ขี องมิเตอร์หมายเลข 4 สกรู ใช้สาหรับปรับแตง่ ตาแหนง่ เขม็ ช้ขี องมิเตอร์หมายเลข 5 ปุ่มสาหรับปรบั แตง่ ใหเ้ ขม็ ชข้ี องมเิ ตอร์ชี้ที่ตาแหนง่ ศูนยโ์ อหม์ พอดีหมายเลข 6 ขว้ั ตอ่ เอาตพ์ ตุ (OUTPUT) ใช้วดั ความดังของเสียงหมายเลข 7 สวิทซ์เลอื กย่านวดัหมายเลข 8 ข้ัวตอ่ ขัว้ บวก (+)หมายเลข 9 ขัว้ ต่อขั้วลบ (-COM)



สเกลหน้าปทั ของมลั ตมิ ิเตอร์



หมายเลข 1 คือ สเกลใชแ้ สดงคา่ ความตา้ นทาน ()หมายเลข 2 คือ สเกลใชแ้ สดงค่าแรงดนั ไฟตรง (DCV)หมายเลข 3 คอื สเกลใช้แสดงค่าแรงดันไฟสลบั (ACV)หมายเลข 4 คอื สเกลใชแ้ สดงค่าอัตราการขยายกระแสไฟตรง ของตวั ทรานซิสเตอร์ (hFE)หมายเลข 5 คอื สเกลใช้แสดงค่ากระแสรวั่ ซึมหรือกระแสรวั่ ไหล (Leakage Current) ของตัวทรานซิสเตอร์ (ICEO)หมายเลข 6 คือ สเกลใชแ้ สดงคา่ แรงดันภาระ (Load Voltage)หมายเลข 7 คอื สเกลใชแ้ สดงคา่ ความดังของสัญญาณเสียงหมายเลข 8 คอื กระจกเงา

2. มลั ติมิเตอรช์ นดิ ดิจิตอลหรือมัลตมิ เิ ตอรแ์ บบตวั เลข ใช้การแสดงผลด้วยการนับคา่ เป็นตัวเลข สว่ นประกอบของวงจรมเิ ตอร์ แตล่ ะชนดิ ประกอบด้วย อปุ กรณอ์ เิ ลก็ ทรอนิกส์ดจิ ิตอล ช่วยใหป้ รมิ าณกระแส ไฟฟ้าท่จี า่ ยให้ดจิ ติ อลมลั ตมิ ิเตอร์ ขณะวดั ค่าปริมาณไฟฟ้าในวงจรน้อยมากๆ ทาให้ผลของการโหลดลงลง ค่าปริมาณไฟฟา้ ท่แี สดงออกมา มคี วามถกู ตอ้ ง ใกลเ้ คยี งคา่ จริงมากขึ้น

ลักษณะเฉพาะบางประการของเครอื่ งวัด1. จอแสดงผล (display) แสดงด้วยตวั เลข 4 หลกั (digit) เนื่องจากคา่ สงู สุดทส่ี ามารถแสดงได้คือ 1999 ตวั เลขหลกั ท่ี 1, 2 และ 3 (นบั จากขวาสดุ ไปทางซา้ ย) แปรค่าได้จาก 0 ถงึ 9 (เรียกว่า full digit)ส่วนตัวเลขหลกั ท่ี 4 จะแสดงตวั เลขได้เฉพาะ 1 เทา่ นน้ั (เรยี กวา่ half digit)2. สภาพข้ัว (polarity) ในการวดั ปรมิ าณทางไฟฟ้าบางชนิด เชน่ความตา่ งศักยไ์ ฟฟ้ากระแสตรงดว้ ยเคร่ืองวดั ที่ใช้เขม็ ชี้เป็นตวั แสดงผลเม่ือต่อสายวัดผดิ ข้วั เข็มของเครือ่ งวดั จะตกี ลับในทศิ ตรงขา้ ม ในสภาวะเชน่ นสี้ าหรับมลั ติมเิ ตอร์แบบตวั เลขจะปรากฏเครอื่ งหมาย-บนจอแสดงผล

3. ในการวดั ปรมิ าณใดๆ ทตี่ ัง้ ชว่ งการวัดต่ากวา่ ค่าทจ่ี ะวดั จอแสดงผลจะแสดงตวั เลข 1 หรือ -1 เชน่ จะวดั ความต้านทาน 10 k แต่ตงั้ชว่ งการวดั ไวท้ ี่ 0-2 k จะปรากฏ 1 แสดงว่าคา่ ทีจ่ ะวัดสงู กว่าช่วงการวัดทต่ี ้ังไว้4. เม่ือแหลง่ จ่ายกาลังให้เครอ่ื งวัด คอื แบตเตอร่ี 9V อ่อนกาลัง LO BATจะปรากฎบนจอเตือนให้ผูใ้ ชเ้ ปล่ยี นแบตเตอร่ีใหม่

สว่ นประกอบของมัลติมิเตอร์แบบดจิ ิตอล     12 13 11    14 

หมายเลข 1 หน้าปัดแสดงผลการวัดปรมิ าณไฟฟา้ ทีว่ ัดได้หมายเลข 2 สวิตช์เลอื กปรมิ าณทจ่ี ะวัดและช่วงการวัด สามารถเลอื ก การวดั ได้ 8 รายการ ดงั น้ี 1. DCV สาหรับการวัดความต่างศักยไ์ ฟฟา้ กระแสตรง มี 5 ช่วงการวดั 2. ACV สาหรบั การวดั ความต่างศกั ยไ์ ฟฟา้ กระแสสลบั มี 5 ชว่ งการวัด 3. DCA สาหรับการวดั ปริมาณกระแสตรง มี 3 ชว่ งการวัด 4. ACA สาหรับการวัดปริมาณกระแสสลบั มี 2 ชว่ งการวัด 5. สาหรบั การวัดความตา้ นทาน มี 6 ช่วงการวัด 6. CX สาหรบั การวัดความจุไฟฟ้า มี 5 ช่วงการวัด 7. hFE สาหรับการวดั การขยายกระแสตรงของทรานซสิ เตอร์ 8. สาหรับตรวจสอบไดโอด

หมายเลข 3 ช่องเสียบสาหรับวัดการขยายและวัดตวั ของทรานซสิ เตอร์หมายเลข 4 ชอ่ งเสยี บสายวัดสแี ดง สาหรับวัดกระแสไฟตรงค่าสูงๆ ระหว่าง 200mA-10A โดยใช้รว่ มกบั สว่ นประกอบหมายเลข 6หมายเลข 5 ชอ่ งเสยี บสายวดั สแี ดง สาหรบั วัด DCV,ACV,DCmA คา่ ตา่ ๆ ระหว่าง 0-200mA และค่าความต้านทาน โดยใชร้ ่วมกับ สว่ นประกอบหมายเลข 6หมายเลข 6 ชอ่ งเสียบสายวดั สดี า (COM) ใชเ้ ปน็ ขัว้ ร่วมของสายวดั สาหรบั การวดั ทัง้ หมด (ยกเวน้ การวดั CX และ hFE ไม่ตอ้ งใชส้ ายวดั )หมายเลข 7 สวติ ซเ์ ปิด-ปิด (ON-OFF)หมายเลข 8 ตาแหน่งการทางานของโวลท์มิเตอร์ สาหรบั วดั แรงดนั ไฟตรงหมายเลข 9 ตาแหนง่ การทางานของโวลท์มเิ ตอร์ สาหรับวดั แรงดนั ไฟสลับ

หมายเลข 10 ตาแหนง่ การทางานของแอมป์มเิ ตอร์ สาหรับวดั กระแสไฟตรงหมายเลข 11 ตาแหนง่ การทางานของโอหม์ มิเตอร์ สาหรบั วดั ความตา้ นทาน ไฟฟา้หมายเลข 12 ตาแหนง่ การทางานของแอมป์มเิ ตอร์ สาหรับวดั กระแสไฟตรง คา่ สูง (10A)หมายเลข 13 ช่องเสียบสาหรบั วัดการขยายและวดั ตัวของทรานซสิ เตอร์ ใชง้ านร่วมกบั สว่ นหมายเลข 3หมายเลข 14 ตาแหนง่ การใช้มเิ ตอร์ สาหรับวัดไดโอด

หน้าทข่ี องเครือ่ งมอื วัด เครื่องวดั แตล่ ะชนิดมีหนา้ ทแี่ ละการใช้งานแตกต่างกันออกไปซึ่งหน้าทีข่ องเครื่องวดั แต่ละชนิดจะข้นึ อยู่กับเปา้ หมายการวัด เช่นการใช้วตั ตม์ เิ ตอรว์ ดั กาลงั ไฟฟ้า หนา้ ท่ีของวัตตม์ เิ ตอร์ คอื แสดงผลค่ากาลังไฟฟ้าใหท้ ราบ หนา้ ท่ีของเครือ่ งวัด สามารถแบ่งออกได้ 3 ประเภท คอื

1. เพ่อื แสดงผล (Indicating) คอื การวัดท่ีต้องการเพียงแคท่ ราบคา่หรอื อ่านผลจากปทั มเ์ ทา่ นนั้2. การวัดค่าเพื่อบันทึก (Recording) มกั ใช้ในงานวเิ คราะหท์ มี่ ีการเปล่ียนแปลงตวั แปรทว่ี ดั เมอื่ เวลาเปล่ียนไป จงึ ตอ้ งมกี ารสมุ่วดั และบนั ทึกผลในชว่ งเวลาต่างๆ อาจใชเ้ คร่ืองวดั ทสี่ ามารถเขยี นเปน็ กราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงหรือพิมพ์ออกมาเปน็ ตวั เลข3. การวัดเพอ่ื ควบคมุ (Controlling) ใชม้ ากในโรงงานอตุ สาหกรรมเป็นการนาเอาสญั ญาณทว่ี ดั ไดไ้ ปใช้ควบคมุ กระบวนการผลติ เพือ่ ให้ไดผ้ ลผลติ ท่ตี อ้ งการ

หน่วยการวดัหน่วยในระบบ SI UNIT (System Internation D’UNIT) เป็นหน่วยท่ใี ชก้ ัน อยา่ งแพร่หลายโดยมพี ื้นฐานมาจากหนว่ ยรากฐานซ่งึ ประกอบดว้ ยหนว่ ยมาตรฐาน ดังนี้

หนว่ ยพน้ื ฐานปริมาณ ตวั ย่อ หนว่ ย อักษรย่อแทน หนว่ ย1. เวลา t วนิ าที2. มวล m กิโลกรมั s3. ความยาว l เมตร Kg4. กระแสไฟฟา้ i แอมแปร์ m5. อณุ หภูมิทางเทอร์โมไดนามิก T เคลวิน A6. ความเขม้ ข้นของการส่องสวา่ ง lv แคลเดลา K7. จานวนสาร N Cd โมล Mol

หน่วยอนพุ นั ธ์ทางกล ปริมาณ ตวั ย่อ หนว่ ย อกั ษรแทนหน่วย1. ความยาว n เมตรต่อวนิ าที m/s2. ปรมิ าตร V ลกู บาศก์เมตร m33. พื้นที่ A ตารางเมตร m24. ความเร็วเชิงมุม เรเดียนต่อวินาที red/s5. ความเร่ง  เมตรตอ่ วนิ าที2 m/s26. โมเมนต์ A นิวตนั เมตร Nm7. ความเค้น T นวิ ตนั ตอ่ ตารางเมตร N/m28. โมเมนตมั ? กโิ ลกรัมเมตรตอ่ วินาที Kg.m/s M

หน่วยอนพุ ันธ์ทางไฟฟ้า ปรมิ าณ ตัวยอ่ หน่วย อกั ษรแทนหนว่ ย1. ตวั ต้านทานไฟฟ้า R โอหม์ 2. ความจไุ ฟฟา้ Q ฟารดั F3. ศักย์ไฟฟ้าและแรงดัน U,V โวลต์ V4. กาลัง P วัตต์ W5. พลังงาน W จลู J6. ความถ่ี f เฮริ ตซ์ Hz7. ฟลกั ซแ์ ม่เหล็ก เวเบอร์ Wb 

หนว่ ยอนุพนั ธท์ างไฟฟ้า ปริมาณ ตวั ย่อ หนว่ ย อักษรแทนหนว่ ย8. ความหนาแน่นฟลักซ์ D เทสลา T แม่เหล็ก9. อนิ ดกั แตนซ์ L เฮนรี่ H10. ฟลกั ซ์แสงสวา่ ง - ลเู มน lm11. การส่องสว่าง - ลักซ์ lx

ตัวยอ่ – ขยายหนว่ ยชือ่ สัญลักษณ์ เลขยกกาลัง ตวั คูณเทรา (tera) T 1012 1,000,000,000,000จิกะ (giga) G 109 1,000,000,000เมกกะ (mega) M 106 1,000,000กิโล (kilo) K 103 1,000หน่วย (unit) - 100 1

ช่อื สญั ลกั ษณ์ เลขยกกาลงั ตวั คูณมลิ ลิ (milli) m 10-3 0.001ไมโคร (micro)  10-6 0.000 001นาโน (nano) n 10-9 0.000 000 001พิโค (pico) p 10-12 0.000 000 000 001เฟมโต (femto) f 10-15 0.000 000 000 000 001แอทโต (atto) a 10-18 0.000 000 000 000 000 001

ตัวอย่าง การแปลงหนว่ ย1. จงแปลงคา่ กระแสไฟฟา้ ขนาด 0.00003A เป็นไมโครแอมป์ (A)

2. จงแปลงคา่ ความตา้ นทาน 20,000,000 เปน็ เมกกะโอห์ม(M)

ความไวของเคร่อื งวัดไฟฟ้า ความไวของเครอื่ งวดั ไฟฟ้า หมายถึง อัตราส่วนของสญั ญาณเอาท์พุตหรือผลตอบสนองของเครอ่ื งมือวดั ทมี่ ีต่ออัตราการเปลยี่ นแปลงของสัญญาณอินพตุ โดยท่วั ไปถอื ว่าเครื่องวัดทมี่ ีความไวสงูจะมีประสทิ ธภิ าพดีกวา่ เครอ่ื งวดั ท่ีมคี วามไวตา่ เครอ่ื งวัดไฟฟา้ ทีม่ ีความไวในการวดั ต่างกนั จะมีผลในการวดั วงจรไม่เทา่ กัน คา่ ความไว มหี น่วยเปน็ โอหม์ ตอ่ โวลต์ หรือ K นอกจากนี้ค่าความไวและย่านการวัด (Range) จะบอกใหท้ ราบถงึ คา่ ความต้านทานทางดา้ นอินพตุ (Input Impedance) ของโวลต์มิเตอรด์ ว้ ย

สมการในการหาคา่ ความไวในการวัดได้จากสูตร คอืเมื่อ Sensitivity = ความไวของเครื่องวดั ไฟฟ้า Ufs = แรงดันเต็มสเกลของเครื่องวัดไฟฟา้ (V) Ifs = กระแสเตม็ สเกลของเคร่ืองวัดไฟฟา้ (A) Ri = ความตา้ นทานภายในของเคร่อื งวดั ไฟฟา้

ตัวอยา่ ง แอมป์มเิ ตอร์ตัวหน่ึงมีค่ากระแสเต็มสเกล (Ifs) 50 Aจะมีคา่ ความไวในการวดั เทา่ ใด

ความคลาดเคลอื่ นในการวัด ความผดิ พลาดในการวดั (Error in Measurement) ในกระบวนการวัดที่มีใช้กันอยใู่ นปัจจุบนั อาศัยหลกั การเปรียบเทียบค่าทต่ี ้องการวัดกับค่าอา้ งอิง หรอื คา่ ที่เปน็ มาตรฐาน ซ่ึงในการวัดแต่ละครง้ั มักจะเกดิ ความผิดพลาด ซึ่งความผิดพลาดท่ีเกดิ ขนึ้ สามารถแบง่ เปน็ หวั ข้อได้ ดงั น้ี

1. ความผดิ พลาดทีเ่ กิดจากเคร่อื งมือวัด คอื ความผดิ พลาดทม่ี ีสาเหตมุ าจากความฝืดหรอื ความขัดข้องภายในเคร่ืองมอื วดั แก้ไขได้โดยการบารุงรกั ษา 2. ความผิดพลาดที่เกิดจากผู้ใช้ คือ ความผดิ พลาดที่เกิดจากผใู้ ชข้ าดความร้ใู ช้เครื่องมอื วัดไมถ่ กู ตอ้ งทาใหไ้ ดค้ ่าผดิ พลาด 3. ความผดิ พลาดทีเ่ กิดจากการอา่ นสเกล คอื ความผิดพลาดท่ีมสี าเหตุมาจากการอา่ นค่าจากสเกลไม่ตั้งฉาก ทาใหเ้ กิดเงาบนกระจกบนหน้าปัดทาใหอ้ า่ นคา่ ท่ีได้ผิดพลาด สามารถแกไ้ ขได้ โดยการอ่านค่าวัดโดยใหม้ องในลกั ษณะตง้ั ฉากกบั เขม็ สงั เกตได้จากจะไม่เกดิ เงาบนกระจกเงา

4. ความผิดพลาดจากสภาพแวดล้อม คือ ความผดิ พลาดท่ีมีสาเหตุมาจากสภาพแวดล้อมบริเวณทีใ่ ช้เครอ่ื งมอื เช่น บริเวณท่ีมคี วามร้อนสงู หรือบรเิ วณทม่ี กี ารรบกวนจากสนามแมเ่ หล็ก 5. ความผดิ พลาดแบบแรนดอม (Random Error) คอืค่าความผิดพลาดที่เกิดขนึ้ ต่ามาก ๆ จะนามาคิดในกรณที ี่ตอ้ งการความถกู ต้องสงู ๆ

ความผดิ พลาดสัมบูรณ์ คือ ความผิดพลาดในการวดั เกดิ จากค่าที่ได้จากการวัดไมต่ รงกับคา่ ทีเ่ ปน็ จริงซ่ึงอาจจะได้ค่ามากกว่าหรือนอ้ ยกว่า และจะทาให้เกิดผลระหวา่ งค่าที่ได้และค่าทเี่ ป็นจริง ความผดิ พลาดสมั บรู ณ์

ความถูกต้องและความเท่ยี งตรงในการวดั ในการวัด เม่อื พจิ ารณาถึงความถกู ตอ้ งและความเที่ยงตรง(Accuracy and Precision in Measuring) แล้ว ถือได้วา่ เปน็ส่วนหนึง่ ที่เกดิ ขน้ึ ภายหลงั จากกระบวนการใชเ้ ครอ่ื งวัดไฟฟา้ ความสัมพนั ธร์ ะหว่างความถูกต้องและความเที่ยงตรง นั้นกล่าวได้วา่ การวัดทม่ี ีความถูกตอ้ งสงู นน้ั ยอ่ มมคี วามเทยี่ งตรงสงูตามไปด้วย แตถ่ า้ หากกระบวนการวดั ใดท่ีความเทย่ี งตรงสงู น้นัไมไ่ ด้หมายถงึ ว่า ความถกู ตอ้ งจะตอ้ งสงู ตามไปดว้ ยเสมอไป

ความถกู ต้อง (Accuracy) คือ ความใกลเ้ คียงระหวา่ งคา่ ที่แทจ้ รงิ กบั คา่ ทีไ่ ด้จากการวัด ยง่ิ คา่ ทั้งสองน้ี มคี วามใกล้เคียงกันมากเทา่ ไร คา่ ความถกู ต้อง จะสูงขน้ึ เทา่ นนั้ และ ค่าความถกู ตอ้ งจะมคี ่าไม่เกิน 1 ความเทีย่ งตรง (Precision) คือ การวัดค่าตัวแปรเดยี วกันหลายๆ ครัง้ แลว้ ได้ค่าใกลเ้ คยี งกนั หากได้ค่าใกลเ้ คียงกันมากในทุกๆ คร้งั แสดงวา่ ความเท่ียงตรงสูง