มาตราฐานปริมาณทางไฟฟ้า
การวัดคือการคำนวณค่าปริมาณที่ไม่ทราบค่าว่ามีปริมาณที่กำหนดคงที่เท่าใดมีปริมาณที่กำหนดคงที่นี้เรียกว่าหน่วย(unit) ฉะนั้นการวัดจึงต้องมีระบบหน่วยวัดที่ถูกต้องเชื่อถือได้ และใช้สะดวก ดังนั้นเพื่อให้เป็นสากลทั่วโลกหน่วยวัดจึงต้องใช้ค่าเหมือนกัน ซึ่งจำเป็นต้องมีคำจำกัดความที่ชัดเจนเกี่ยวกับหน่อยวัดและวิธีคำนวณปรับเทียบกับระบบวัดลักษณะนี้เรียกว่า มาตรฐาน (standard) ในการใช้งานประจำวัน การวัดด้วยเครื่องวัดจะต้องนำค่าวัดมาปรับเทียบกับมาตรฐานที่ใช้อ้างอิงภายในท้องถิ่นซึ่งเทียบเท่ากับการนำมาปรับเทียบกับมาตรฐานที่สูงขึ้นและสูงขึ้น ดังนี้เรื่อยไปเพื่อให้การปรับเทียบตรงตามมาตรฐานระดับประเทศซึ่งกำหนดคุณสมบัติเฉพาะที่ตกลงกันเป็นสากล
การปรับเทียบ (calibration)คือการตรวจสอบระบบวัดให้ตรงกับมาตรฐานเมื่อระบบอยู่ในสภาพที่สอดคล้องกับสภาพที่กำหนดไว้ในมาตรฐาน
สำหรับหน่วยวัดพื้นฐานและหน่วยวัดอนุพันธ์ จะมีความแตกต่างกันตามมาตรฐานของการวัด
แบ่งตามหน้าที่การทำงาน และการประยุกต์ใช้งานได้ดังนี้
1) มาตรฐานสากล (INTERNATIONAL STANDARDS)
2) มาตรฐานเบื้องต้น (PRIMARY STANDARDS)
3) มาตรฐานชั้นที่สอง (SECONDARY STANDARDS)
4) มาตรฐานการใช้งาน (WORKING STANDARDS)
1) มาตรฐานสากล (INTERNATIONAL STANDARDS) คือมาตรฐานที่เป็นข้อตกลงของนานาชาติกำหนดหน่วยการวัดที่แน่นอนขึ้นมาแทนเพื่อให้มีความเที่ยงตรงสูง สำหรับการใช้งานทางเทคโนโลยีด้านการผลิดและการวัด มาตรฐานสากลนี้จะถูกตรวจเช็คและทดสอบค่าอย่างสม่ำเสมอ โดยการวัดแบบสมบูรร์ในเทอมของหน่วยพื้นฐาน มาตรฐานสากลนี้จะถูกเก็บรักษามาตรฐานไว้ที่สำนักงานมาตฐานน้ำหนักและการวัดนานาชาติ (INTERNATIONAL BUREAU OFWEIGHTS AND MEASURES) และไม่ใช่เป็นสิ่งที่งายที่จะใช้เครื่องมือวัดในการวัด เพื่อความมุ่งหมาย
ในการเปรียบเทียบค่าและปรับแต่งค่า
2) มาตรฐานเบื้องต้น(PRIMARY STANDARDS) เป็นมาตรฐานที่ดูแลเกี่ยวกับมาตรฐานนานาชาติที่ใช้ในห้องปฎิบัติการ ในส่วนที่มีความแตกต่างกันทั่วโลก การควบคุมดูแลมาตรฐานเบื้องต้นนี้ ถูกดูแลโดยสำนักงานมาตรฐานนานาชาติหรือ NBS(NATIONAL BUREAU OF STANDARDS) ตั้งอยู่ที่วอชิงตันในทวีปอเมริการเหนือ อีกแห่งหนึ่งคือห้องปฎิบัติการทางฟิสิกส์นานาชาติหรือ NPL (NATIONAL PHYSICAL ABORATORY) ในอังกฤษเวลส์ และสกอตแลนด์และแห่งที่เก่าแก่ที่สุดในโลกคือที่ ฟิสิกคอลลิซ เทคนิสเซ ริซแซนตอล (PHYSIKALISCHTECHNISCHE REICHSANSTALT) ในเยอรมัน มาตรฐานเบื้องต้นใช้แทนหน่วยพื้นฐานและบางส่วนในหน่วยทางเครื่องกล และหน่วยทาางไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับการปรับแต่งโดยเครื่องมือวัดแบบสัมบูรณ์ในห้องปฏิบัติการนานาชาติ ผลของการวัดจะถูกเปรียบเทียบอีกครั้งกับค่าต่าง ๆ นำไปใช้ในการเปรียบเทียบกับคาต่าง ๆ ทั่วโลกมาตรฐานเบื้องต้นนี้จะใช้ในห้องปฏิบิตการเท่านั้ ไม่นำไปใช้ภายนอก ค่ามาตรฐานต่าง ๆ ของมาตรฐานเบื้องต้นนี้จะใช้ในการตรวจสอบและปรับแต่งมาตรฐานขั้นที่สองต่อไป
3) มาตรฐานขั้นที่สอง(SECONDARY STANDARDS) ก็คือมาตรฐานที่ใช้มาตรฐานเบื้องต้นเป็นตัวอ้างอิง ใช้วานของเครื่องมือวัดในห้องปฎิบัติการทางอุตสาหกรรม มาตรฐานขั้นที่สองนี้ ถูกดูแลโดยห้องปฎิบัติการของโรงงานอุตสาหกรรมแต่ละแห่ง และมีการตรวจสอบอีกครั้งกับมาตรฐานอ้างอิงในพื้นที่นั้น ๆ และต้องรับผิดชอบในการดูแลรักษาและการปรับแต่งมาตรฐานขั้นที่สองในห้องปฎิบัติการอุตสาหกรรมของตัวเอง มาตรฐานขั้นที่สองนี้ ถือว่ามาตรฐานเบื้องต้น ดังนั้นมาตรฐานที่ใช้ในอุตสาหกรรมนี้ จะต้องได้รับการรับรองค่าการวัดจากมาตรฐานเบื้องต้น
4) มาตฐานการใช้งาน (WORKING STANDARDS) เป็นมาตฐษนของเครื่องมือต่าง ๆ ที่ใช้สำหรับการวัดในห้องปฏิบัติในการ ใช้ในการตรวจสอบและปรับแต่งทั่วไปของเครื่องมือวัดในห้องปฏิบัติการสำหรับความเที่ยงตรงและคุณสมบัติ หรือใหช้เปรียบเทียบเครื่องมือวัดในห้องปฎิบัติการสำหรับความเที่ยงตรงและคุณสมบัติ หรือใช้ตัวต้านทานมาตรฐานในแผนกควบคุมคุณภาพเพื่อตรวจสอบสินค้าและตรวจสอบสินค้า และตรวจสอบเครื่องมือวัดว่ายังอยู่ในความเที่ยงตรง และถูกต้องหรือไม่
มาตรฐานปริมาณทางไฟฟ้า(Electrical Standards)
1.แอมแปร์สัมบูรณ์ (Absolute Ampere)
จากระบบ SI นิยามว่า 1 แอมมแปร์ (หน่วยพื้นฐานของกระแส) คือ ปริมาณของกระแสที่ผ่านเข้าไปในตัวนำตรงยาวอนันต์ไม่คำนึงถึงพื้นที่หน้าตัด วางขนานห่างกัน 1 เมตร ในสุญญากาศจะทำให้เกิดแรงบนตัวนำ เท่ากับ 2*10^-7 N/m แต่การวัดแบบนี้ยังไม่แน่นอน
จากหน่วยสากล นิยามว่า 1 แอมแปร์ คือ กระแสซึ่งสามารถแยกเงินออกจากสารละลายเงินไนเตรทมาตรฐานด้วยอัตรา 1.118 มิลลิกรัม/วินาที แต่ก็ยังเกิดความยุ่งยากในการวัดอยู่ในปี 1948 ได้มีการเปลี่ยนแปลงเป็น แอมแปร์สัมบูรณ์ที่ซึ่งอาศัยการวัดในลักษณะกระแสสมดุล (Current Balance)โดยการวัดแรงระหว่างขดลวด 2 ชุดที่มีกระแสไหล และเป็นที่ยอมรับเป็นหน่วยพื้นฐานของกระแสในระบบ SI
แรงดัน,กระแสและความต้านทาน จะมีความสัมพันธ์กันตามกฎของโอห์ม คือ V =IR ถ้าหากเรากำหนดให้ 2 ปริมาณ ปริมาณที่ 3 จะหาได้โยสมการ เช่นถ้าเราให้แรงดันคร่อมตัวต้านทานคงที่และใช้ตัวต้านทานมาตราฐาน เราจะสามารถรักษาให้กระแสคงที่โดยมีความเที่ยงตรงสูงในช่วงเวลาที่นานได้
2.ตัวต้านทานมาตรฐาน (Resistance Standards)
ในระบบ SI,ค่าสัมบูรณ์ของโอห์ม ถูกนิยามในเทอมของหน่วยพื้นฐานของความยาว,มวลและเวลาที่ NBS
จะเก็บรักษากลุ่มของ มาตรฐานปฐมภูมิ (ตัวต้านทานมาตรฐาน 1 โอห์ม) ซึ่งจะถูกตรวจสอบซึ่งกันและกันอยู่เสมอ
ตัวต้านทานมาตรฐานทำจากพวกลวดแมงกานีน (manganin) ซึ่งมีความต้านทานจำเพาะทางไฟฟ่าสูง มสัมประสิทธิความต้านทานต่ออุณหภูมิต่ำ พันเป็นขดบรรจุในกล่อง 2 ชั้น เพื่อป้องกันการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานเนื่องจากความชื้นในอากาศกถุ่มของ มาตรฐานปฐมภูมินี้สามารถแทนหน่วยได้ละเอียดถึง 1/10 ในเวลา
หลายๆปี
สำหรับตัวต้านทาน มาตรฐานทุติยภูมิและมาตรฐานของการทำงาน ทางบริษัทผู้ผลิตจะผลิตออกมาเป็นตัวคูณของ 10 โอห์ม ซึ่งมีค่าระหว่าง 0.001 โอห์ม ถึง 100,000 โอห์ม
รูปแสดงภายในกล่องตัวต้านทานมาตราฐาน
ตัวต้านทานมาตรฐานแบบทุติยภูมิ บางทีเรียกว่า transfer resistor โดยขดลวดความต้านทาน(แมงกานิน) จะพันอยู่บนโพลีเอสเตอร์ เพื่อลดความเค้นบนลวดและทำให้เสถียรภาพของตัวต้านทานดี ขดลวดจะแช่อยู่ในน้ำมันที่ไม่มีความชื้นปนอยู่เลย และเก็บอยู่ในกล่องที่ผนึกแน่นถึงแม้ว่าความต้านทานนี้ จะมีค่าเกือบคงที่ตลอดช่วงอุณหภูมิที่กว้างก็สามารถคำนวณหาความต้านทานที่อุณหภูมิใดๆได้จากสมการ R(t) = R(25°C)+ α (t-25) +β(t-25)^2
เมื่อ R(t) = ความต้านทานที่อุณหภูมิ
R(25°C) = ความต้านทานที่ 25°C และ = ค่าสัมประสิทธิ์ของอุณหภูมิของตัวต้านทาน
ซึ่ง α < 10*10^-6 และ -6*10^-7 หมายความว่า ถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนไป 10 °C สูงกว่า 25 °C ความต้านทานจะเปลี่ยนไป 30 57’ 60 ppm จากค่าปกติ transfer resistor นิยมใช้อย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการอุตสาหกรรม,งานวิจัย,งานมาตรฐานและปรับเทียบ
3.แรงดันมาตรฐาน (Voltage Standard)
มาตรฐานแรงดันกำหนดพื้นฐานจาก เซลล์เคมี-ไฟฟ้า เรียกว่า เซลล์มาตรฐานแบบอิ่มตัวหรือเซลล์มาตรฐาน ซึ่งเป็นแบบขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และแรงดันขาออกจะเปลี่ยนประมาณ -40 uV/°C จากแรงดันไฟฟ้าที่ 20°C ซึ่งมีค่า 1.01858 V
เซลล์มาตรฐานที่ใช้คือ เซลเวสตัน (Weston Cell) ประกอบด้วย ปรอทเป้นขั้วบวกและมีแคดเมียม อมากลัม (cadmium amalgam หรือ 10% cadmium) เป็นขั้วลบ มีสารละลายของแคดเมียมซัลเฟด (cadmium sulfate) เป็นอิเลกโทรไลท์ ทั้งหมดที่บรรจุอยู่ในขวดแก้วรูปตัว H ดังรูป
เซลล์เวสตันมี 2 แบบ คืออิ่มตัว (saturated) แบบนี้อิเลกโทรไลท์ จะอิ่มตัวทุกอุณหภูมิมีผลึกของแคดเมียมซัลเฟดจับที่ขั้ว (electrodes) และแบบไม่อิ่มตัว (unsaturated) แบบนี้อิเล็กโทรไลท์จะอิ่มตัวที่อุณหภูมิ 4 °C
แบบอิ่มตัวจะมีเสถียรภาพดีกว่า แบบไม่อิ่มตัวที่ NBS จะใช้เซลล์แบบอิ่มตัวเป็นมาตรฐานปฐมภูมิของแรงดัน โดยแช่เซลล์เหล่านี้ในอ่างน้ำมัน ซึ่งจะสามารถควบคุมอุณหภูมิของเซลล์ในช่วง 0.01°C แรงดันของเซลล์แบบอิ่มตัวที่ 20°C = 1.01858 V (ค่าสัมบูรณ์) และที่อุณหภูมิอื่นมีค่าตามสมการ
e(t) = e(20°C)-0.000046(t-20)-0.00000095(t-20)^2 + 0.0000001(t-20)^3
เซลล์เวสตันแบบอิ่มตัว สามารถใช้เป็นมาตราฐานแรงดันได้ 10-20 ปี ถ้ามีการเก็บรักษาให้ดี
การดริฟท์(drift) ของแรงดันอยู่ในช่วง 1 uV ต่อปี และเซลล์มาตรฐานนี้จะไวต่ออุณหภูมิมากจึงไม่เหมาะในการใช้เป็น มาตรฐานทุติยภูมิและมาตรฐานของการทำงาน
โครงสร้างของเวสตันแบบอิ่มตัว
ส่วนมาตราฐานทุติยภูมิและมาตราฐานของการทำง่านจะใช้เซลล์แบบไม่อิ่มตัวเซลล์แบบนี้มีโครงสร้างเหมือนกับเซลล์แบบอิ่มตัวเพียงแต่ไม่ต้องการ การควบคุมอุณหภูมิให้แน่นอน แรงดันไฟฟ้าแบบไม่อิ่มตัว จะอยู่ในช่วง 1.0180 < V < 1.0200 V และเปลี่ยนแปลน้อยกว่า 0.01% จาก 10°C ถึง 40°C ความต้านทานภายในของเวสตันมีช่วงจาก 500-800 โอห์ม ดังนั้นกระแสจากเซลล์จึงไม่ควรเกิน 100 uA เพราะจะทำให้ค่าแรงดันที่ขั้วลด
ลงเนื่องจากแรงดันตกคร่อมความต้านทานภายในนั้น
ส่วนมาตรฐานการทำงานในห้องปฏิบัติการ มีการพัฒนาขึ้นจนมีความถูกต้องใกล้เคียงเซลล์มาตรฐานเรียกว่า transfer standard สร้างโดยอาศัยการทำงานของซีเนอร์ไดโอดเป็นส่วนสร้างแรงดันอ้างอิง โดยมีการควบคุมอุณหภูมิเพื่อทำให้เสถียรภาพที่ดีและนานทั้งสามรถตั้งแรงดันขาออกได้อย่างละเอียด อุณหภูมิที่ควบคุมจะอยู่ในช่วง 0.03 ถึง -0.03 °C เมื่ออุณหภูมิรอบนอกมีช่วงจาก 0 ถึง 5°C โดยจะให้แรงดันขาออกอยู่ในระดับ 10 ppm /เดือน รูปที่ แสดงตัวอย่างของ transfer standard ซึ่งจะให้แรงดันขาออก 4 ค่า คือ ก) ที่ 0-1,000 uV กับ 1 uV ซึ่งเรียกว่า ( Δ ) : ขาที่ 1,000 V ข) ใช้อ้างอิงกับการวัดจากกล่องแรงดัน potentiometric ; ค) ที่ 1.018+( Δ )ใช้อ้างอิงสำหรับเซลล์แบบอิ่มตัว ; ง)ที่ 1.0190+( Δ ) ใช้อ้างอิงกับเซลล์แบบไม่อิ่มตัว
ส่วน DC transfer standard สามารถใช้เป็นเครื่องมือ transfer และสามารถเคลื่อนย้ายนำติดตัวไปปรับเทียบในที่ต่างๆ ได้ โดยค่าของมันจะกลับภายใน +1/-1 ppm ภายหลังการอุ่นเครื่องประมาณ 30 นาที
เวสตันแบบไม่อิ่มตัว
DC transfer standard
4.คาปาซิแตนซ์มาตรฐาน (Capacitance Standards)
หน่วยของคาปาซแตนซ์ (Capacitance) เป็นฟารัด, F สามารถวัดได้ด้วย Maxwell dc commutation จากรูปที่ เนื่องจากความต้านทานและความถี่จัดให้มีความถูกต้องสูง ทำให้ค่าของคาปาซิแตนซ์ที่คำนวณได้มีค่าความถูกต้องสูงด้วย
ตัวเก็บประจุมาตรฐาน ปกติจะสร้างจากแผ่นโลหะซึ่งมีฉนวนอยู่ระหว่างกลางพื้นที่ชองแผ่นและระยะห่างระหว่างแผ่นจะต้องรู้ค่าที่แน่นอน
ชุดของตัวเก็บประจุของ NBS ถือว่าเป็นมาตราฐานและใช้สำหรับปรับเทียบมาตราฐานทุติยภูมิละมตราฐานของการทำงานของการวัดในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม
Capacitance working dtandards จะมีการสร้างหลายๆค่าเพื่อความเหมาะสม ค่า capacitance ต่ำๆ ส่วนมากจะทำเป็น air capacitors ถ้าตัวใหญาจะทำโดยใช้สาร dielectric เป็น solid ตัว เก็บประจุทำด้วย silver-mica ถือว่าเป็นมาตราฐานการทำงานที่ดีเยี่ยมมีเสถียรภาพสูง มีสัมประสิทธิ์ของอุณหภูมิน้อยมาก
5.ความเหนี่ยวนำมาตรฐาน (Inductance Standards)
ความเหนี่ยวนำมาตรฐานปฐมภูมิ มีนิยามจากโอห์มและฟารัด NBS เลือก Campell Standard ของความเหนี่ยวร่วมและความเหนี่ยวนำตัวเอง ส่วนมาตรฐานของการทำงานของความเหนี่ยวนำมีค่าตั้งแต่ 100 uH ถึง 10 H มีความถูกต้อง 0.1% ที่ความถี่กำหนด
Reference
1.หนังสือเครื่องวัดทางไฟฟ้าและการวัด 1 (Electrical Instrumentation) ผู้แต่ง ผศ.สุภาวี สวัสดิพรพัลลก หน้า 21-29
2.หนังสือ Modern Electronic Instrumentation and Measurement Techniques ผู้แต่ง Helfrick.Albert D หน้า 32-46
3.หนังสือการวัดและเครื่องวัด ผู้แต่ง เอก ไชย์สวัสดิ์ หน้า 30-34
4. http://www.rmutphysics.com/charud/virtualexperiment/labphysics2/meter/stan.html
จัดทำโดย
นายกานต์ เม่งช่วย 55070500455
