เครื่องวัดแบบชี้ค่าศูนย์ ( กรณีโพเทนชิโอมิเตอร์ )

เครื่องวัดแบบชี้ค่าศูนย์ ( กรณีโพเทนชิโอมิเตอร์ )

โพเทนชิโอมิเตอร์ ( Potentiometer ) กระแสตรงแบบกระแสคงที่

               โพเทนชิโอมิเตอร์ เป็นเครื่องวัดที่สำคัญในการวัดค่าแรงดันกระแสตรงที่ต้องการความถูกต้องสูงมาก โดยการเปรียบเทียบค่าที่ต้องการทราบกับค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลมาตรฐานและอัตราส่วนความต้านทานที่รู้ค่า

               โพเทนชิโอมิเตอร์หรือพอต (Pot) คือตัวต้านทานที่เปลี่ยนค่าได้ในวงจรต่าง ๆ โครงสร้างส่วนใหญ่จะใช้วัสดุประเภทคาร์บอนผสมกับเซรามิคและเรซินวางบนฉนวน ส่วนแกนหมุนขากลางใช้โลหะที่มีการยืดหยุ่นตัวได้ดี โดยทั่วไปจะเรียกว่าโวลลุ่มหรือ VR (Variable Resistor)

     (ก)                     (ข)               (ค)                   (ง)

รูปนี้แสดงลักษณะรูปร่างและสัญลักษณ์ของโพเทนชิโอมิเตอร์และรีโอสตาท

               จากรูปข้างต้น ( ก) จะเห็นว่าโพเทนชิโอมิเตอร์มี 3 ขา ขาที่ 1 และ 2 จะมีค่าคงที่ส่วนขาที่ 3 เปลี่ยนแปลงขึ้นลงตามที่ต้องการ ส่วนรีโอสตาทนั้นจะมี 2 ขา ตามรูป ( ข) แต่ในกรณีที่ต้องการต่อโพเทนชิโอมิเตอร์ให้เป็นรีโอสตาทก็ทำได้โดยการต่อขาที่ 3 เข้ากับขาที่ 2 ก็จะกลายเป็นรีโอสตาทตามรูปที่ 10 (ค) ส่วนรูป (ง) แสดงโครงสร้างทั่ว ๆ ไปของโพเทนชิโอมิเตอร์
               อีกชนิดหนึ่งคือจำพวกฟิล์มคาร์บอนใช้วิธีการฉาบหรือพ่นฟิล์มคาร์บอนลงในสารที่มีโครงสร้างแบบเฟโนลิค (Phenolic) ส่วนแกนหมุนจะใช้โลหะประเภทที่ใช้ทำสปริงเช่นเดียวกัน ตัวอย่างเช่น VR 100 KA หมายความว่า การเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานต่อการหมุนในลักษณะของลอกการิทึม (Logarithmic) หรือแบบล็อกคือหมุนค่าความต้านทานจะค่อย ๆ เปลี่ยนค่า พอถึงระดับกลางค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วนิยมใช้เป็นโวลลุ่มเร่งความดังของเสียง ส่วนแบบ B นั้นค่าความต้านทานจะเปลี่ยนไปในลักษณะแบบลิเนีย (Linear) หรือเชิงเส้นคือค่าความต้านทานเพิ่มขึ้นตามการหมุนที่เพิ่มขึ้น ส่วนมากนิยมใช้ในวงจรชุดควบคุมความทุ้มแหลมและวงจรแบ่งแรงดัน

               โพเทนชิโอมิเตอร์กระแสตรง ได้เริ่มพัฒนาขึ้นเมื่อประมาณปี ค.ศ.1800 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและได้มีการพัฒนามาตลอด จนถึงปี ค.ศ.1900 จึงยอมรับกันอย่างกว้างขวางว่าเป็นเครื่องมือที่สำคัญมากในห้องปฏิบัติการวัดละเอียด โดยใช้เป็นเครื่องวัดและสอบเทียบ มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในงานอุตสาหกรรมในกระบวนการผลิตและควบคุมกระบวนการ โดยเริ่มจากใช้ในการวัดอุณหภูมิร่วมกับเทอร์โมคัปเปิลและขยายขอบเขตจนใช้วัดค่าตัวแปรในกระบวนการใด ๆ ที่สามารถถูกแทนในรูปของแรงดันเอาต์พุตของตัวรับรู้ ( Sensor )

               โพเทนชิโอมิเตอร์ ในแบบแรก ๆ จะเป็นแบบอาศัยการปรับสมดุลด้วยมือ ( Manual ) และพัฒนาขึ้นมาเป็นแบบสามารถปรับสมดุลโดยตัวเครื่องวัดเอง ( Self-Balance ) ซึ่งทำให้สามารถขยายขีดความสามารถจากเครื่องวัดไปเป็นเครื่องควบคุม ( Controller ) วงจรโพเทนชิโอมิเตอร์สามารถแบ่งได้เป็น 2 แบบ คือ

1.         แบบกระแสคงที่ ( Constant Current Potentiometer )

2.         แบบความต้านทานคงที่ ( Constant Resistance Potentiometer )

โพเทนซิโอมิเตอร์ (Potentiometer  or Potentiometric)

โพเทนชิโอมิเตอร์จะทำหน้าที่เปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่เชิงเส้นหรือเชิงมุมไปเป็นค่าความต้านทานกล่าวคือ        หากเราจ่ายแรงเคลื่อนทางด้านอินพุต    จะทำให้สัญญาณแรงเคลื่อนและกระแสที่ออกทางเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงไปตามระยะทางเนื่องจากการเลื่อนของแขน(wiper)  ที่ตัวโพเทนซิโอมิเตอร์ดังกล่าว1.   ชนิดของโพเทนซิโอมิเตอร์

 1.1 โพเทนซิโอมิเตอร์แบบเชิงเส้น  (Linear  Potentiometer)  ใช้ในการวัดระยะทางที่เป็นเส้นตรง 
                 1.2 โพเทนซิโอมิเตอร์แบบเชิงมุม  (Rotary  Potentiometer) ใช้สำหรับวัดระยะในลักษณะการหมุน  
โพเทนซิโอมิเตอร์

มิเตอร์วัดระยะมุมบางตัวสามารถวัดระยะเชิงมุมได้ถึง  10°  หากมันหมุนเต็มรอบจะได้  357°  แต่ในแบบหลายรอบอาจจะมีมุมในการหมุนได้ถึง3500°   หรือมากกว่าความเร็วรอบสูงสุดที่โพเทนซิโอมิเตอร์แบบไวร์วาวด์หมุนได้ประมาณ  300  รอบ/นาที  หากมากกว่านี้จะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนซึ่งเป็นผลมาจากการไม่สัมผัสกันอย่างต่อเนื่องของแขน  ความเร็วในการหมุนของโพเทนซิโอมิเตอร์แบบต่อเนื่องอาจหมุนได้ถึง  2,000  รอบ/นาทีโพเทนซิโอมิเตอร์แบบไวร์วาวด์ที่บางมากๆจะมีเส้นศูนย์กลางเพียง 0.01 มิลลิเมตร  โดยลวดที่ใช้อาจทำมาจากแพลทินัมหรือโลหะผสมนิกเกิลที่นำมาพันอยู่บนฟอร์ม

2.      ความละเอียด ( Resolution)  ของโพเทนซิโอมิเตอร์ คือการเปลี่ยนแปลงความต้านทานค่าน้อยที่สุดเมื่อแขนโพเทนซิโอมิเตอร์เคลื่อนที่จากขดลวดช่วงหนึ่งไปยังอีช่วงหนึ่ง  ดังนั้นความละเอียดจึงกำหนดได้จาก

Resolution  =  full  scale  displacement /  number  of turn  of  wire

               3.  การปรับสภาพสัญญาณ สัญญาณรบกวนของโพเทนซิโอมิเตอร์จะเกิดจากวัสดุที่ใช้ทำ  พบว่าค่ารบกวนดังกล่าวเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิและกระแสของตัวมัน ดังนั้นเพื่อให้มีค่ารบกวนน้อยที่สุดจึงต้องรักษาแรงเคลื่อนที่จ่ายให้มีค่าต่ำสุด  นอกจากนี้สัญญาณรบกวนยังอาจเกิดจากการเลื่อนของแขนได้อีกด้วย โพเทนซิโอมิเตอร์แบบต่อเนื่องจะสามารถหมุนได้เร็วกว่าและสร้างสัญญาณรบกวนน้อยกว่าแบบไวร์วาวด์ แต่ก็พบว่าโพเทนซิโอมิเตอร์แบบไวร์วาวด์            จะแสดงค่าความเหนี่ยวนำและค่าการเก็บประจุออกมาด้วยที่ความถี่  50 Hz ค่ารีแอกแตนซ์จะมีค่าอยู่ในย่าน  MW
แต่ถ้ากระตุ้นโพเทนซิโอมิเตอร์ด้วนคลื่นไซน์ขนาด 10 kHz  ค่ารีแอกแตนซ์จะตกมาอยู่ที่ย่าน  kW   ดังนั้นหากต้องมีการกระตุ้นสัญญาณ ต้องรักษาความถี่และความต้านทานฐานให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

โครงสร้างและหลักการทำงาน

               หลักการทำงานของโพเทนชิโอมิเตอร์แบบนี้ อาศัยการป้อนกระแสที่คงที่แก่ตัวต้านทาน ( วงจรวัด ) ที่อยู่ระหว่างจุดที่ต่อค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการทราบค่า การปรับค่าความต้านทานดังกล่าวเป็นการปรับค่าแรงดันที่ใช้เปรียบเทียบกับแรงดันที่ต้องการทราบค่า

               วงจรโพเทนชิโอมิเตอร์แบบกระแสคงที่อย่างง่าย วงจรนี้ประกอบด้วยแบตเตอรี่ E และรีโอสแตต ( Rheostat ) R ซึ่งทำหน้าที่เป็นส่วนจ่ายกระแสคงที่แก่ลวดความต้านทาน XZ ( Slide Wire ) ซึ่งมีค่าความต้านทานที่มีค่าสม่ำเสมอตลอดความยาว กัลป์วานอมิเตอร์ G ทำหน้าที่ตรวจจับ ( Detect ) กระแส

               เมื่อสวิตช์ S อยู่ที่ “Operate” และสวิตช์ K เปิดวงจร แบตเตอรี่จะจ่ายกระแสผ่านรีโอสแตต R และเส้นลวดความต้านทาน ค่าของกระแสจะขึ้นอยู่กับการปรับค่า R วิธีการหาค่าแรงเคลื่อนที่ไม่ทราบค่า ( E_x ) ทำได้โดยการหาตำแหน่งของลวดวามต้านทานที่ทำให้กัลวานอมิเตอร์ชี้ค่าศูนย์ ( Zero Deflection ) เมื่อปิดสวิตช์ K ซึ่งหมายความว่า

 E = E_x  ลวดความต้านทาน XZ จะมีความต้านทานสม่ำเสมอตลอดความยาว สเกลจะถูกปรับเทียบเป็นเซนติเมตร หรือส่วนของเซนติเมตรตลอดความยาวของเส้นลวด ทำให้สามารถเลื่อนหน้าสัมผัสเลื่อนได้ ( Sliding Contact ) Y ไปอยู่ที่

จุดใด ๆ บนเส้นลวดได้ตามต้องการอย่างเที่ยงตรง เนื่องจากความต้านทานของเส้นลวดถูกสร้างให้มีความเที่ยงตรงมาก ดังนั้นแรงดันตกคร่อมตลอดเส้น ( หรือเพียงส่วนใดส่วนหนึ่ง ) ของเส้นลวด จะขึ้นอยู่กับค่ากระแสที่จ่ายจาก E และค่ากระแสคงที่นี้จะถูกปรับมาตรฐาน ( Standardized ) โดยเทียบกับแรงดันอ้างอิงที่รู้ค่า ( เซลมาตรฐาน )

               วิธีการปรับมาตรฐานของโพเทนชิโอมิเตอร์ ( Standardizing Potentiometer ) ทำได้ดังนี้ คือ สมมติให้เส้นลวดความต้านทานยาว 200 เซนติเมตร มีความต้านทาน 200 โอห์ม ( 1 เซนติเมตร = 1 โอห์ม ) แรงเคลื่อนของแรงดันอ้างอิงมาจากเซลมาตรฐาน มีค่า 1.0129 โวลต์ เมื่อสวิตช์ S อยู่ที่ตำแหน่ง “ปรับเทียบ ( Calibrate )” จะตั้งหน้าสัมผัสเลื่อนได้ Y ให้อยู่ที่ระยะ 101.9 เซยติเมตร บนสเกลของเส้นลวดความต้านทาน ปรับรีโอสแตต R ( เป็นการปรับค่ากระแสที่จ่ายจาก

E ด้วย ) จนกระทั่งกัลวานอมิเตอร์ชี้ค่า 0 ( เมื่อสวิตช์ K ปิด ) ที่จุดนี้แรงดันตกคร่อม 101.9 เซนติเมตร จะเท่ากับแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลมาตรฐานคือ 1.019 โวลต์ ( 101.9 เซนติเมตร = 101.9 โอห์ม )

กระแสที่จ่ายจาก               E            =             V/R            =       1.019V/101.9 Ohm                    =             10 mA

               หลังจากการปรับมาตรฐานแล้ว ขณะนี้แรงดันที่ตกคร่อมลวดความต้านทาน 1 เซนติเมตร = 10 mV และทำให้สามารถรู้ได้ว่า แรงดันตกคร่อมมีค่าเท่าใด เมื่อรู้ตำแหน่งของหน้าสัมผัส Y เช่น ถ้าหน้าสัมผัส Y อยู่ที่ระยะ 146.5เซนติเมตร ( Y’ ) แรงดันตกคร่อมมีค่า 1.465 โวลต์

               ภายหลังจากปรับมาตรฐานตัวโพเทนชิโอมิเตอร์แล้ว จะสามารถใช้โพเทนชิโอมิเตอร์นี้วัดแรงดันที่ไม่ทราบค่าได้ โดยตั้งสวิตช์ S ที่ “ทำงาน ( Operate )” แล้วเคลื่อนหน้าสัมผัส ( Sliding Contact ) Y ไปตามความยาวของลวดความต้านทาน ( XZ ) จนกัลป์วานอมิเตอร์แสดงค่า 0 ( เมื่อสวิตช์ K ปิด ) โดยการอ่านระยะบนสเกล จะสามารถรู้ค่าแรงดันตกคร่อม ซึ่งเท่ากับค่าของแรงดันหรือแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการหาค่า

โพเทนชิโอมิเตอร์ที่มีใช้งานจริง

               ในทางปฏิบัติ โพเทนชิโอมิเตอร์ที่มีใช้กันอยู่จะมีไดอะแกรม โดยจากรูปจะเห็นได้ว่า เราใช้ความต้านทาน R₆ ~ R₁₂ ควบคู่กับลวดความต้านทานที่ขดเป็นวงกลม เพื่อช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัด เมื่อสวิตช์มีจุดสัมผัสดังรูป ในขณะที่กัลวานอมิเตอร์อยู่ในสภาวะสมดุล ค่าแรงดันไฟฟ้าที่วัดจะมีค่า

R₆ ~ R₁₂ ในรูป เป็นตัวต้านทานที่มีความแม่นยำสูง ส่วน R₁₃ เป็นลวดความต้านทาน ซึ่งสามารถปรับเลื่อนจุดสัมผัส C ได้                                                     Vx = VR11 + VR12 + VRBC

R₁ และ R₂ เป็นความต้านทานปรับค่าได้ ซึ่งต่อขนานกัน เพื่อควบคุมและปรับปริมาณกระแสที่ไหล R₁ จะมีค่าความต้านทานน้อย และใช้ในการควบคุมค่ากระแสอย่างหยาบ ๆ ขณะที่ R₂ จะมีค่าความต้านทานสูง ( เมื่อเทียบกับ R₁ ) มาก และใช้ในการควบคุมค่ากระแสโดยละเอียด ในการสอบเทียบ ก่อนใช้งานโพเทนชิโอมิเตอร์ เราจะปรับสวิตช์ให้กัลวานอมิเตอร์ต่อเข้ากับเซลล์มาตรฐานคร่อมขนานกับตัวต้านทาน R₃ โดย R₃ และ R₄ เป็นความต้านทานความแม่นยำสูง ซึ่งเราเลือกค่าความสัมพันธ์ R₃ และ R₄ ไว้เพื่อว่า เมื่อสามารถปรับกระแส ( I₁ ) จนกระทั่ง V_R3 มีค่าเท่ากับเซลล์มาตรฐานแล้ว แสดงว่าโพเทนชิโอมิเตอร์ ได้รับการปรับเทียบถูกต้องแล้ว

หลังจากการปรับเทียบแล้ว สวิตช์จะรับเพื่อต่อกัลวานอมิเตอร์เข้ากับแรงดันไม่ทราบค่า ( V_x ) โดยสวิตช์สัมผัส F จะได้รับการปรับเพื่อสร้างสมดุลแก่กัลวานอมิเตอร์อย่างหยาบ ๆ หลังจากนั้น การปรับละเอียดเพื่อให้ได้การสมดุลที่แท้จริง จะอาศัยสวิตช์สัมผัส C ค่าแรงดัน V_x จะสามารถอ่านได้ จากค่าที่แสดงบนสวิตช์สัมผัส F และ C รวมกัน

R₁ ถึง R₁₅ เป็นตัวต้านทานความแม่นยำสูง มีค่า 50 โอห์ม ส่วน R₁₆ เป็นลวดความต้านทานความแม่นยำสูงค่า 50 โอห์ม เช่นเดียวกัน ในกรณีที่ปุ่มปรับช่วงการวัดอยู่ในตำแหน่ง ( 1.0 ) ดังรูป ค่าแรงดันสูงสุดที่โพเทนชิโอมิเตอร์สามารถวัดได้ คือ 1.0 × ( 1.5 + 0.1 ) โวลต์ หรือคือ 1.6 โวลต์

ในกรณีที่มีการเปลี่ยนช่วงการวัดเป็น 0.1 หรือ 0.01 ค่าแรงดันสูงสุดที่โพเทนชิโอมิเตอร์สามารถวัดได้จะเป็น 0.16 โวลต์ และ 0.016 โวลต์ ตามลำดับ

ความแม่นยำในการวัดของโพเทนชิโอมิเตอร์ ตามพิกัดของผู้ผลิตจะเป็น

ช่วงการวัด                         ความแม่นยำ

0 ~ 1.6 โวลต์                      ± 500 µV

0 ~ 0.6 โวลต์                      ± 100 µV

0 ~ 0.016 โวลต์                 ± 10 µV

เซลล์มาตรฐาน

               ความถูกต้องแม่นยำในการวัดด้วยโพเทนชิโอมิเตอร์ ขึ้นอยู่กับความแม่นยำของความต้านทานที่ใช้ รวมทั้งความแม่นยำของแรงดันจากเซลล์มาตรฐาน ในเครื่องมือวัดที่ใช้กันในห้องปฏิบัติการ ซึ่งต้องการความแม่นยำในระดับสูงมาก ๆ เรามักใช้เซลล์มาตรฐาน ( Standard Cell ) เป็นแหล่งแรงดันมาตรฐาน เซลล์มาตรฐาน เช่น แบบ Weston มีความละเอียดและความแม่นยำสูงมากคือ มีค่า 1.0186 โวลต์ที่ 20 องศาเซลเซียส และมีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำมาก คือ ประมาณ 40 µV ต่อ องศาเซลเซียส กับทั้งมีเสถียรภาพดีเยี่ยม คือ ค่าจะเปลี่ยนไปประมาณ 2 ~ 3 µV ภายในเวลาถึง 10 ปี

               ในบางกรณี เราอาจใช้สิ่งประดิษฐ์คงค่าแรงดัน เช่น ซีเนอร์ไดโอด ( Zener Diode ) ที่ช่วยให้สามารถออกแบบแหล่งแรงดันมาตรฐานซึ่งปรับค่าได้ กับทั้งทำให้เกิดความสะดวกในการสร้างเครื่องมือวัดทางไฟฟ้าขึ้นมาก

               ซีเนอร์ไดโอด เป็นสิ่งประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำ ที่มีแรงดันตกคร่อมตัวมันคงที่เมื่อไบแอสย้อนให้จนถึงแรงดันค่าหนึ่ง แรงดันนี้เรียกว่า แรงดันเบรกดาวน์ ( Break Down Voltage ) ดังลักษณะสมบัติที่แสดงในรูป

               สำหรับตัวอย่างการนำ Zener Diode มาใช้งานเป็นแหล่งแรงดันมาตรฐาน ซึ่งอาจจะทำได้ดังรูป

               เนื่องจากเมื่อถึงจุดเบรกดาวน์ แรงดันตกคร่อมไดโอด ( V_z ) จะคงที่และความต้านทานภายในไดโอดจะลดต่ำลงมาก ดังนั้น จึงต้องมีตัวต้านทาน R เพื่อควบคุมค่ากระแสไม่ให้เกินค่าพิกัดของตัวไดโอด

โวลต์บอกซ์ ( Volt Box ) และ ชันต์บอกซ์ ( Shunt Box )

               จากโครงสร้างของโพเทนชิโอมิเตอร์ เราจะเห็นได้ว่า การวัดโดยโพเทนชิโอมิเตอร์สามารถวัดแรงดันไฟฟ้าในช่วง 1 ~ 3 โวลต์เท่านั้น ทั้งนี้เพราะถ้าต้องการวัดแรงดันค่าสูง ๆ จะต้องใช้ขดลวดความต้านทานที่ยาวมาก ซึ่งไม่นิยมทำกัน

               ในกรณีที่เราต้องการวัดค่าแรงดัน ( หรือกระแส ) ค่าสูงกว่าพิกัดปกติ เราจึงต้องใช้อุปกรณ์เสริม ซึ่งเรียกกันว่า โวลต์บอกซ์ และชันต์บอกซ์                

การใช้ตัวต้านทานสำหรับปรับมาตรฐาน

ตัวต้านทานแบบโพเทนชิโอมิเตอร์อีกประเภทหนึ่งคือ ตัวต้านทานแบบปรับละเอียด (Trimmer Potentiometers) ตัวต้านทานแบบนี้ส่วนมากมักใช้ประกอบในวงจรประเภทเครื่องมือวัดและทดสอบ เพราะสามารถปรับหมุนเพื่อต้องการเปลี่ยนค่าความต้านทานได้ทีละน้อยและสามารถหมุนได้ 15 รอบหรือมากกว่า ซึ่งเมื่อเทียบกับโพเทนชิโอมิเตอร์แบบที่ใช้ในเครื่องรับวิทยุและเครื่องเสียง ซึ่งจะหมุนได้ไม่ถึง 1 รอบก็จะทำให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว        

โดยการต่อตัวต้านทานแยกออกต่างหาก ( R_s ) การปรับมาตรฐานของโพเทนชิโอมิเตอร์จะสามารถกระทำได้อย่างสะดวกและปลอดภัยยิ่งขึ้น ค่าความต้านทาน R_s ที่ต้องการ จะได้จากการคำนวณ เมื่อกำหนดแรงเคลื่อนไฟฟ้า E แรงดันอ้างอิง E_s และค่ากระแสที่จ่ายจาก E ที่ต้องการ

               ถ้าผลักสวิตช์ของกัลป์วานอมิเตอร์ ( G ) มาตำแหน่ง “Calibrate” ปรับรีโอสแตต R จนกระทั่งกระแสที่ไหลผ่านกัลป์วานอมิเตอร์เป็นศูนย์ จะเห็นได้ว่า โดยวิธีนี้ขณะปรับมาตรฐานตำแหน่งของหน้าสัมผัสเลื่อน Y จะอยู่ที่ใดก็ได้ ซึ่งต่างกับแบบที่ผ่านมา ที่ต้องตั้งตำแหน่งของหน้าสัมผัสเลื่อน Y ให้สัมพันธ์กับค่าแรงดันอ้างอิง และตำแหน่งของหน้าสัมผัสเลื่อน ๆ อยู่ที่ตำแหน่งที่ความต้านทานมีค่าเป็น 0 โอห์ม เมื่อสวิตช์อยู่ในตำแหน่ง “Calibrate” จะเป็นการลัดวงจรตัวเซลมาตรฐาน ( ซึ่งปกติจะยอมให้มีกระแสออกจากตัวเซลมาตรฐานเป็นไมโครแอมป์ ) จะเห็นได้ว่า วิธีนี้จะเป็นการป้องกันการลัดวงจรตัวเซลมาตรฐาน นอกจากนั้น โดยการต่อวงจรลักษณะนี้ จะทำให้สามารถตรวจสอบและปรับค่าของกระแสที่จ่ายจาก E ได้โดยไม่กระทบกระเทือนการวัด วงจรนี้จะเป็นพื้นฐานของโพเทนชิโอมิเตอร์แบบที่ใช้ในอุตสาหกรรม

               โพเทนชิโอมิเตอร์ที่ใช้ลวดความต้านทานในแบบที่ผ่านมา จะไม่เป็นที่นิยมในทางปฏิบัติ โดยจากรูปจะแทนเส้นลวดความต้านทานด้วยชุดตัวต้านทานค่าละเอียดเที่ยงตรงทุกตัวมีค่าเท่ากันต่ออนุกรม ( แทนค่าแรงดันเป็นขั้น ( Step ) ตรมจำนวนตัวต้านทานที่ใช้ ) และต่ออนุกรมกับลวดความต้านทานอีก 1 เส้น เพื่อปรับค่าระหว่างขั้น ( Step ) โดยแบ่งสเกลเป็นช่องเล็ก ๆ เช่น 100 ช่อง ซึ่งสามารถประมาณให้อ่านค่าได้ถึง 1/5 ของช่องเล็ก R_s มีไว้เพื่อปรับมาตรฐาน ค่าของ R_s จะขึ้นอยู่กับว่า ต้องการให้กระแสไหลจากแบตเตอรี่ ( Working Current ) เท่าใด จึงจะได้แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวตามที่ต้องการ

การประยุกต์ใช้งานในการสอบเทียบ

               เนื่องจากโพเทนชิโอมิเตอร์ เป็นเครื่องมือวัดแรงดันที่มีความแม่นยำสูงที่สุดประเภทหนึ่ง จึงมักใช้งานในห้องปฏิบัติการวัด และการประยุกต์ใช้ที่สำคัญอันหนึ่งก็คือ เพื่อสอบเทียบเครื่องมือวัดต่าง ๆ อันได้แก่ โวลต์มิเตอร์ แอมมิเตอร์ และวัตต์มิเตอร์

การสอบเทียบโวลต์มิเตอร์

               การประยุกต์ใช้งานอย่างพื้นฐานที่สุดของโพเทนชิโอมิเตอร์ก็คือ การใช้ในงานสอบเทียบโวลต์มิเตอร์กระแสตรง ดังรูป เราจะใช้โพเทนชิโอมิเตอร์เป็นตัวอ่านค่าเพื่อเปรียบเทียบกับค่าแรงดันที่อ่านได้จากโวลต์มิเตอร์ที่ต้องการสอบเทียบ ปุ่มปรับค่าแรงดันอย่างหยาบและโดยละเอียด ทำหน้าที่ปรับค่าแรงดันที่ป้อนให้กับโวลต์มิเตอร์ เพื่อให้เข็มของโวลต์มิเตอร์ชี้ตรงกับตำแหน่งสเกลที่ต้องการ พร้อมกันนั้นโพเทนชิโอมิเตอร์จะอ่านค่าแรงดันเปรียบเทียบกันด้วย เมื่อแปรเปลี่ยนค่าแรงดันที่ต้องการวัดไป แล้วนำความแตกต่างที่ได้ไปแสดง ก็จะได้ดังรูปกราฟ

               ในกรณีซึ่งค่าแรงดันที่อ่าน สูงกว่าค่าพิกัดสูงสุดที่โพเทนชิโอมิเตอร์อาจวัดได้ เรามาสารถใช้โวลต์บอกซ์ เพื่อแบ่งแรงดันให้อยู่ในช่วงพิกัดตามที่ต้องการได้

การสอบเทียบแอมมิเตอร์

               การสอบเทียบแอมมิเตอร์สามารถทำได้โดยต่อแอมมิเตอร์อย่างอนุกรมเข้ากับตัวต้านทานความแม่นยำสูง ดูจากรูป ค่าแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานจะถูกวัดโดยโพเทนชิโอมิเตอร์อย่างแม่นยำ ค่ากระแสจริงที่ไหลผ่านคัวต้านทาน ( และไหลผ่านแอมมิเตอร์ ซึ่งต่ออนุกรมอยู่ด้วย ) สามารถคำนวณ โดยหารค่าแรงดันตกคร่อมนี้ด้วยค่าความต้านทาน เนื่องจากค่าแรงดันตกคร่อมสามารถวัดได้แม่นยำ โดยโพเทนชิโอมิเตอร์ ขณะที่ค่าความต้านทานก็มีความแม่นยำสูง กระแสที่คำนวณได้ จึงสามารถนำไปสอบเทียบความแม่นยำของแอมมิเตอร์ได้

                 ตัวต้านทาน R₁ และ R₂ สามารถปรับเปลี่ยนค่าได้ เพื่อควบคุมกระแสที่ไหลผ่านแอมมิเตอร์ กระทั่งเข็มของแอมมิเตอร์ชี้สเกลตามต้องการ R₁ จะใช้ในการปรับค่าหยาบ ๆ ขณะที่ R₂ จำทำการปรับค่าโดยละเอียดกว่า

                 ผลการวัด จะถูกบันทึกเป็นตาราง โดยแบ่งเป็นกระแสที่อ่านตามสเกลของแอมมิเตอร์กับกระแสจริงที่คำนวณจากค่าที่อ่านโดยโพเทนชิโอมิเตอร์ ค่าทั้งสองสามารถจัดทำเป็นตางรางได้ ดังแสดงในตาราง

                 ในกรณีซึ่งค่ากระแสที่ต้องการวัด สูงกว่าค่าพิกัดที่โพเทนชิโอมิเตอร์อาจวัดได้ เราสามารถใช้ชันต์บอกซ์ เพื่อแบ่งแรงดันให้อยู่ในช่วงพิกัดตามต้องการได้

โพเทนชิโอมิเตอร์แบบสมดุลตัวเอง ( Self-Balancing Potentiometers )

               โพเทนชิโอมิเตอร์แบบปรับด้วยมือ ( Manual ) มีที่ใช้ค่อนข้างจำกัดเฉพาะในห้องปฏิบัติการวัด ซึ่งต้องการความแม่นยำสูงเท่านั้น สาเหตุสำคัญที่ไม่ได้รับความนิยมก็เพราะผู้ใช้ต้องมีประสบการณ์ ในการปรับเพื่อให้เกิดสภาวะสมดุล การพัฒนาวิธีการวัดด้วยโพเทนชิโอมิเตอร์แบบอัตโนมัติ หรือแบบสมดุลตัวเองจึงช่วยทำให้มีการใช้วิธีการวัด เช่นนี้อย่างกว้างขวางขึ้น นอกจากช่วยในการวัดค่าแล้ว โพเทนชิโอมิเตอร์แบบสมดุลตัวเองยังสามารถบันทึกค่าวัดพร้อมกันไปด้วย ดังอาจจะเห็นได้จากกหลักการทำงาน ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

หลักการทำงาน

               หลักการทำงานของโพเทนชิโอมิเตอร์แบบสมดุลตัวเอง อาจจะอธิบายได้ด้วยบล็อกไดอะแกรม ความสามารถในการสมดุลตัวเองของโพเทนชิโอมิเตอร์แบบอัตโนมัตินี้ เกิดตากการทำงานของเซอร์โวมอเตอร์ ( Servomotor ) และวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ในภาพ สัญญาณแรงดันซึ่งต้องการวัดค่า ( V_i ) จะถูกป้อนให้กับขั้วเข้าขั้วหนึ่งของวงจรตรวจหาความแตกต่าง ( Error Detector ) ขั้วเข้าอีกข้างหนึ่งของวงจรนี้ มีสัญญาณ V_s ซึ่งได้จากแหล่งแรงดันอ้างอิงที่ปรับค่าได้ วงจรตรวจหาความแตกต่าง จะให้สัญญาณออกเป็นสัดส่วนกับผลต่างของ V_i และ V_s สัญญาณออกนี้เราเรียกว่า สัญญาณความแตกต่าง ( Error Signal ) และ ส่งต่อไปเพื่อขับเคลื่อนเซอร์โวมอเตอร์ อย่างไรก็ตาม สัญญาณความแตกต่างดังกล่าว จะถูกแปลงเป็นสัญญาณกระแสสลับ แล้วทำการขยายให้มีกำลังเพียงพอที่จะขับเคลื่อนมอเตอร์

                  สัญญาณที่ขับเคลื่อนมอเตอร์ จะทำให้เพลาของมอเตอร์เกิดการหมุน เพลาของมอเตอร์นี้จะต่อเข้ากับวงจรแบ่งแรงดัน ซึ่งทำหน้าที่ปรับค่าของแหล่งแรงดันมาตรฐาน ( V_s ) เมื่อเพลาเกิดการหมุน มันก็จะไปเลื่อนจุดสัมผัสของตัวแบ่งแรงดัน และการเคลื่อนของจุดสัมผัสนี้จะไปในทิศที่จะลดค่าความแตกต่างของ V_i และ V_s เมื่อ │V_i – V_s │ = 0 สัญญาณความแตกต่างจากวงจรตรวจหาความแตกต่างจะเป็นศูนย์ ยังผลให้เซอร์โวมอเตอร์หยุดอยู่กับที่ ขณะเดียวกัน เพลาของมอเตอร์ ยังต่อเข้ากับตัวชี้ค่า ( Pointer ) เพื่อใช้ในการแสดงค่าและใช้ในการบันทึกค่าด้วย              

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งาน

               การประยุกต์ใช้งานของโพเทนชิโอมิเตอร์แบบสมดุลตัวเองที่สำคัญอันหนึ่ง ได้แก่ การใช้ในการวัดอุณหภูมิ 

 สัญญาณที่ต้องการวัด ( V_i ) คือ ค่าแรงดันที่ปลายทั้งสองของเทอร์โมคัปเปิล แรงดันส่วนนี้จะต่ออนุกรมกับแหล่งแรงดันที่ปรับค่าได้ ( V_s ) ผลต่างของแรงดันทั้งสอง ( V_i – V_s ) จะถูกแปลงให้เป็นสัญญาณกระแสสลับโดยผ่านวงจรชอฟเฟอร์ ( Chopper ) ซึ่งช่วยเปลี่ยนกระแสตรงเป็นกระแสสลับ กระแสสลับส่วนนี้จะถูกป้อนเพื่อขยายด้วยวงจรขยายกระแสสลับ สำหรับนำไปขับเคลื่อนเซอร์โวมอเตอร์ต่อไป

                 การทำงานของเซอร์โวมอเตอร์จะเหมือนดังเช่นโพเทนชิโอมิเตอร์แบบสมดุลตัวเอง ซึ่งกล่าวมาข้างต้น                  เนื่องจาก แรงดันจากเทอร์โมคัปเปิล จะมีความสัมพันธ์ค่อนข้างเป็นเชิงเส้นกับอุณหภูมิของรอยต่อเทอร์โมคัปเปิล ดังนั้น เราจึงอาจแสดงค่าที่วัดได้ออกเป็นอุณหภูมิ โดยเป็นสัดส่วนกับค่าแรงดัน

โพเทนชิโอมิเตอร์สำหรับงานห้องปฏิบัติการ

               โพเทนชิโอมิเตอร์แบบนี้ จะสามารถใช้วัดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันขนาด 1 µV หรือต่ำกว่า โดยมีความถูกต้องต่ำกว่า 0.01 เปอร์เซ็นต์ ตัวต้านทานที่ใช้ในวงจรจะต้องเท่ากัน ( ภายในความละเอียดระดับที่ต้องการ ) ตลอดช่วงเวลาที่ยาวในวงจร จุดสัมผัสที่ไม่ต้องถูกบัดกรีจะมีเพียงที่ตัวตรวจจับ ( Detector ) และที่จุดต่อแบตเตอรี่เข้าไป เนื่องจากเป็นบริเวณที่การแปรค่าความต้านทานของจุดสัมผัสมีผลน้อยมาก นอกจากนั้นจะต้องให้ความระมัดระวังเกี่ยวกับค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ไม่ต้องการ เช่น แรงเคลื่อนไฟฟ้าความร้อนที่จุดสัมผัสของโลหะต่างชนิดที่ขั้วต่อ ( Binding Posts ) เป็นต้น

               การกำหนดจำเพาะ ( Specifications )

               Specifications

1.         Measuring range

0.0100 mV to 111.110 mV ( with more than four effective digits )

100 mV – Rang         ;              -0.01 mV to + 111.11 mV

10 mV – Range          ;              -0.001 mV to + 11.111 mV

1 mV – Range            ;              -0.0001 mv to + 1.1111 mV

2.         Measuring dials

Dial I                           ;              1 mV × 10

Dial II                          ;              0.1 mV × 10

Dial III                        ;              0.01 mV × 10

Dial IV                        ;              0.001 mV to + 0.0110 mV

                                                     ( Continuously variable, minimum division : 0.1 µV )

Range selector           ;              3 ranges of “100 mV” “10 mV” and “1 mV”

                                                     ( with interlocked decimal point indicator )

Standard cell dial      ;              1.01770 V to 1.01980 V, continuously variable ( minimum

division : 0.02 mV )        

3.         Internal resistance as seen from the side of galvanometer circuit

Approx. 18 Ω constant ( where, the resistance between Ex-terminals is 0 Ω

4.         – Source of working current

4.5    V to 4 V, 22 mA

5.         Accuracy

100 mV – Range       ;              +( 0.01% of measured value + 1 µV )

10 mV – Range          ;              +(0.02% of measured value + 0.2 µV )

1 mV – Range            ;              +(0.02% of measured value + 0.05 µV )

Where, the ambient temperature is kept within the scope of 20 ± 2.5 องศา

6.         Dimensions and weight

310 × 491 × approx. 205 mm, including the height of the rubber foot and the dial knob.

310 × 491 × 145 mm ( case only )

Approx. 11.1 kg

  แผงด้านหน้า ( Front Panel )

               จากรูป ตามหมายเลขกำกับดังนี้

               1, 2, 3, 4 หน้าปัด I, II, III และ IV

                              - ค่าของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการทราบ จะแสดงเป็นตัวเลขในช่อง

5. ตัวเลือกพิสัย

- ตั้งเลือกพิสัยการวัดที่ต้องการ ตำแหน่งของจุดทศนิยมจะสัมพันธ์กับพิสัยวัดที่เลือก

6. หน้าปัดเซลมาตรฐาน ( E_s – Dial )

- จะต้องตั้งที่ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลมาตรฐาน

7. ตัวปรับกระแส ( Current ADJ )

- สำหรับปรับค่ากระแสเรียงตามลำดับจากหยาบ ( Coarse ) กลาง ( Medium ) และละเอียด (Fine)

8. สวิตช์เลือกแรงดัน ( E_x – E_s )

- ตั้งที่ E_s เมื่อต้องการปรับมาตรฐานกระแส ที่ E_x เมื่อต้องการวัดค่าแรงเคลื่อนที่ต้องการทราบค่า

9. สวิตช์เลือกขั้ว E_s, E_x BA ( NOR – REV )

- สำหรับกลับขั้วของ E_s, E_x และ BA

10. สวิตช์เลือกวามไวของกัลป์วานอมิเตอร์

- เป็นสวิตช์แบบปุ่มกด ความไวจะเพิ่มขึ้นจาก G₂ ไปถึง G_o, G_s จะใช้เมื่อต้องการลัดวงจร ( Short Circuit ) ตัวกัลป์วานอมิเตอร์ และสามารถจะให้สวิตช์เหล่านี้ค้างอยู่ โดยการหมุนตามเข็มนาฬิกา ขณะกดสวิตช์นี้ลง

11. ขั้วต่อ “E_x”

- สำหรับต่อแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการวัดค่า

12. ขั้วต่อ “BA”

- สำหรับต่อแบตเตอรี่

13. ขั้วต่อ “GA” และขั้วต่อ “GA Guard”

- “GA” สำหรับต่อกัลป์วานอมิเตอร์และ “GUARD” สำหรับต่อวงจรคุ้มกัน

14. ขั้วต่อ “BA GUARD”

- เป็นขั้วต่อคุ้มสำหรับแบตเตอรี่

15. ขั้วต่อ “E_s”

- สำหรับต่อเซลมาตรฐาน

16. ขั้วต่อลงดิน

- ขั้วต่อนี้จะต่อกับแผงหน้า ( Panel ) และกล่อง ( Case ) อยู่ภายใน สำหรับต่อลงดินภายนอก

การปรับมาตรฐานกระแส ( Standardization )

1.         ให้ G₀ , G₁, G₂, G_s อยู่ที่ตำแหน่ง “OFF” พิจารณาตำแหน่งเข็มของกัลป์วานอมิเตอร์ว่าขี้ที่ศูนย์หรือไม่

2.         ต่อเซลมาตรฐาน ปรับ E_s-dial ตามค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลมาตรฐาน

3.         ตั้งสวิตช์เลือกแรงดัน ( E_s-E_k ) ที่ “E_s” ต่อแบตเตอรี่ให้ถูกขั้ว กด “G₂” ( แล้วปล่อย ) เพื่อให้รู้ทิศทางของการปรับที่จำเป็น ขณะนี้ขอแนะนำให้ตั้งค่ากระแสก่อนให้มีค่าประมาณ 22 mA โดยใช้แอมมิเตอร์วัด         ( ในกรณีที่ใช้แหล่งกำเนิดกระแสคงที่ ให้ปรับที่ตัวแหล่งกำเนิดให้จ่ายกระแส 22 mA ) ปรับกระแสโดย “Coarse” และ “Medium” เพื่อให้ได้การสมดุลอย่างหยาบ เพิ่มความไวของกัลป์วานอมิเตอร์ โดยใช้ G₁, G₀ ปรับกระแสโดยใช้ “Medium” และ “Fine” จนกระทั่งกัลป์วานอมิเตอร์ชี้ค่าศูนย์ การกด G₂, G₁, G₀ ควรจะใช้เวลาน้อยที่สุดเท่าที่ทำได้ เพื่อให้การถ่ายเทประจุจากเซลมาตรฐานมีค่าน้อยที่สุด              ( กระแสที่ผ่านเซลมาตรฐานควรน้อยกว่า 1 µA)

หมายเหตุ    ขณะปรับมาตรฐานกระแส หน้าปัด I, II, III และตัวเลือกพิสัย จะอยู่ที่ตำแหน่งใดก็ได้ อย่างไรก็ตาม dial IV ควรอยู่ภายใน -1 ถึง +11

โพเทนชิโอมิเตอร์สำหรับอุตสาหกรรม

               โพเทนชิโอมิเตอร์แบบนี้ ใช้ในงานที่ต้องการความละเอียดรองลงมา แต่ถูกออกแบบให้แข็งแรงสำหรับใช้งานในโรงงาน ค่าที่อ่านจะถูกปรับเทียบให้อยู่ในรูปปริมาณที่ต้องการ เช่น อุณหภูมิ ความดัน และอื่น ๆ จะแสดงวงจรหนึ่งของโพเทนชิโอมิเตอร์ที่ใช้ในอุตสาหกรรม โดยออกแบบสำหรับงานเฉพาะอย่างเช่น ใช้วัดอุณหภูมิจาก 400 ถึง 1000 องศาเซลเซียส โดยใช้เทอร์โมคัปเปิลชนิด Iron – constantan ในวงจรนี้ กระแสจากแบตเตอรี่จะแยกไหลเป็น 2 สาขา ( Branch ) ในการออกแบบ จะให้กระแสในแต่ละสาขาเท่ากัน ดังนั้นความต้านทานรวมในแต่ละสาขาจะเท่ากัน

               สาขาแรกประกอบด้วยตัวต้านทาน R₁, R₂ ขนานกับ W และ R₃ อีกสาขาหนึ่งประกอบด้วย ตัวต้านทาน R_s และ R_n ความต้านทานรวม R_s + R_n ทำหน้าที่ปรับมาตรฐานกระแส ( ให้มีค่าตามที่ต้องการ ) ค่าความต้านทาน R_n จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของจุดต่ออ้างอิง ( Reference Junction ) ที่เลือก R_n อาจเป็นเส้นลวดตัวต้านทาน ( Slide Wire ) และถูกปรับเทียบเป็นมิลลิโวลต์ ซึ่งสามารถถูกตั้งโดยมือ ( Manually ) ให้มีค่าเหมาะที่จะชดเชยตลอดช่วงอุณหภูมิของจุดต่ออ้างอิง R₁ จะเลือกสำหรับชดเชยอุณหภูมิปลายช่วงวัด ( กรณีนี้คือ 400 องศาเซลเซียส ) การปรับของ W ( ที่ต่อขนานกับ R₂ ) จะต้องสามารถครอบคลุม Span ของการวัด ( 1000 – 400 = 600 องศาเซลเซียส ) ค่าของ R₃ คือ ความต้านทานที่ใส่เข้าไป เพื่อทำให้ความต้านทานรวมในแต่บะสาขาเท่านั้น แสดงโพเทนชิโอมิเตอร์ที่ปรับสมดุลด้วยตัวเอง ซึ่งใช้เครื่องแปลงผันแบบชอปเปอร์ ( Chopper Type Converter ) แทนกัลวานอมิเตอร์ในเครื่องวัดแบบปรับด้วยมือ แรงดันไม่สมดุลจะถูกป้อนสู่วงจรขยายโดยผ่านเครื่องแปลงผัน เอาต์พุตของวงจรขยายจะไปขับมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบสองเฟส ซึ่งจะขับตัวเลื่อน ( Slider ) ของโพเทนขิโอมิเตอร์ไปสู่ตำแหน่งสมดุล ตัวแปลงผันจะอยู่ระหว่างเอาต์พุตของโพเทนชิโอมิเตอร์และอินพุตของวงจรขยาย และทำหน้าที่แปลงแรงดันกระสตรงที่ไม่สมดุลเป็นแรงดันกระแสสลับไม่สมดุล ซึ่งจะถูกขยายโดยวงจรขยายไฟสลับจะใช้สำหรับวัดอุณหภูมิโดยเทอร์โมคัปเปิล ลิ้น ( Reed ) ที่สั่นของเครื่องแปลงผัน ( หมายเลข 1 ) จะถูกขับ   โดยแรงดันสายความถี่ 60 เฮิรตซ์ ให้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ ซึ่งจะกลับกระแสที่ผ่านขดวลดปฐมภูมิที่แยกกันของหม้อแปลงอินพุต ทุกครั้งที่ลิ้นสั่น ผลก็คือ เอาต์พุตของหม้อแปลงจะมีแรงดัน 60 เฮิรตซ์ ( ซึ่งเป็นสัดส่วนอินพุตกระแสตรงของเครื่องแปลงผัน ) และถูกป้อนเข้าสู่วงจรขยาย ( 1 ) เอาต์พุตจากวงจรขยาย ( 1 ) จะป้อนเข้าสู่ขดควบคุม ( Control Winding ) ของมอเตอร์เหนี่ยวนำแบบสองเฟส แรงดันที่ป้อนแก่ขดกระตุ้น ( Exciting Winding ) จะมาจากแรงดันสาย ( Line Voltage ) ที่ถูกเลื่อนเฟสไป 90 องศา ขึ้นอยู่กับขั้วของแรงดันกระแสตรงไม่สมดุล ที่ป้อนเข้าสู่อินพุตของเครื่องแปลงผัน ทำให้ทิศทางการหมุนของมอเตอร์ถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์เฟสระหว่างสองแรงดันที่ขดลวดทั้งสอง ถ้าแรงดันเคลื่อนที่ต้องการวัดค่า E_x มากกว่าแรงดันปรับสมดุลที่สร้างโดยโพเทนชิโอมิเตอร์ มอเตอร์จะหมุนในทิศทางหนึ่ง ถ้า E_x น้อยกว่าแรงดันปรับสมดุล เอาต์พุตจากวงจรขยาย ( 1 ) จะเลื่อนไป 180 องศา ทำให้มอเตอร์หมุนกลับอีกทิศหนึ่ง แกนหมุนของมอเตอร์จะต่อทางกลอยู่กับตัวเลื่อนในลักษณะที่การหมุนของมอเตอร์จะลดการไม่สมดุลในวงจรโพเทนชิโอมิเตอร์ การหมุนจะหยุดเมื่อเข้าสู่สภาวะสมดุลหรือกระแสควบคุมเป็นศูนย์ เมื่อกระแสของโพเทนชิโอมิเตอร์ถูกรักษาให้คงที่ ( ที่สมดุล ) ตำแหน่งของตัวเลื่อน C จะแสดงอุณหภูมิ ถ้าต่อเขื่อมทางกล มอเตอร์กับกลไกของปากกา การเคลื่อนที่ของตัวเลื่อนจะกลายเป็น การเคลื่อนที่ของปากกาอย่างต่อเนื่อง

               เนื่องจากเราจะต้องรักษากระแสด้านโพเทนชิโอมิเตอร์และในความต้านทานชดเชย R_n ให้คงที่ สำหรับแหล่งกำเนิดกระแสคงที่จะทำการเรียงกระแส และทำให้เรียบเป็นกระแสกระแสตรง ในการรักษาให้เป็นกระแสกระแสตรงที่มีค่าคงที่ เราจะคุมค่า ( Regulate ) กระแสอัตโนมัติ โดยวงจรปรับกระแสอ้างอิง ซึ่งในรูปประกอบด้วย เซลมาตรฐาน E_x ส่วนของเครื่องแปลงผัน หม้อแปลงอินพุต วงจรขยายกระแสสลับ ( 2 ) วงจรเรียงกระแส และวงจรกรอง

               เราจะใช้ความต้านทาน R ในการตรวจสอบว่า ค่ากระแสถูกต้องหรือไม่ สมมติว่า R ทำให้กระแสในตัวมัน ( I )เท่ากับใน R_n ถ้ารักษากระแสใน R_n ให้มีค่าคงที่ ดังนั้นกระแสใน R จะคงที่ด้วย ค่าของ R จะถูกกำหนดในลักษณะที่       เมื่อกระแสมาตรฐานไหลผ่านตัวมัน แรงดันตกคร่อมมันจะเท่ากับแรงดันของเซลมาตรฐาน หรือ

                                                                                               VR=RI = Es

               เมื่อกระแส I กลายเป็น I’ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของแรงดันแหล่งกำเนิด อินพุตของวงจรขยาย ( 2 )       จะกลายเป็น

                                                                                     Vin=  Es- V'R   =  R(I-I')

               ซึ่ง V_in นี้จะถูกขยายและเรียงกระแส และ ( I-I’ ) ก็จะถูกกำจัดออกไปจากวงจร กระแสของวงจรจะอยู่ภายใน                 I ± 0.1% เมื่อแรงดันแหล่งกำเนิดอยู่ภายใน 100 ± 10 V

โพเทนชิโอมิเตอร์กระแสตรงแบบความต้านทานคงที่

               โพเทนชิโอมิเตอร์ที่ใช้หลักการนี้ ได้เสนอโดย Lindeck ในปี 1899 เพื่อวัดแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเทอร์โมคัปเปิล และใช้ความต้านทานมาตรฐาน R แบบ 4 ขั้ว ทำจากแมงกานินร่วมกับแบตเตอรี่ E ตัวต้านทานปรับค่าได้ R_B  มิลลิแอมมิเตอร์ A และกัลวานอมิเตอร์ G

               เมื่อต่อค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการทราบค่า ( E_x ) เข้าไปทำการแปรค่ากระแสโดยการปรับ R_B จนกระทั่งกัลวานอมิเตอร์ G ชี้ค่าศูนย์ ซึ่งหมายถึง ขณะนี้แรงดันที่ตกคร่อมความต้านทานค่าคงที่ ( R ) เท่ากับแรงเคลื่อนที่ต้องการทราบค่า การเปลี่ยนพิสัยวัด ( Range ) ของเครื่องวัดแบบนี้ทำได้ง่าย โดยเพียงแต่เปลี่ยนค่า R และเพราะว่าเครื่องวัดแบบนี้ไม่ใช่ค่ากระแสอ้างอิง ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้เซลมาตรฐาน ความละเอียดถูกต้องจะถูกจำกัดโดยค่าความละเอียดถูกต้องของมิลลิแอมมิเตอร์ A ( ปกติมีค่า ± 0.5 เปอร์เซ็นต์ของค่าสูงสุดสเกล ) ซึ่งใช้สำหรับอ่านค่ากระแสที่ผ่าน R โดยการเลือกค่า R ที่เหมาะสม การแบ่งสเกลของแอมมิเตอร์ให้เป็น 1, 10, 100 µV หรือค่าอื่น ๆ ได้ตามต้องการ

               แม้ว่าความถูกต้องของเครื่องวัดจะไม่สูงมาก แต่มันจะมีข้อดีเหนือโพเทนชิโอมิเตอร์แบบกระแสคงที่มนการวัดแรงดันต่ำ วงจรซึ่งจะต้องถูกป้องกันจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าปรสิต ( Parasitic ) จะไม่ยุ่งยากเพราะเพียงระกอบด้วยชันต์            กัลวานอมอเตอร์ โดยไม่มีหน้าสัมผัสเลื่อน หรือองค์ประกอบที่ปรับค่าได้ ดังนั้นมันสามารถถูกแยกอยู่ในสิ่งห่อหุ้มที่กำบังความร้อน เพื่อให้แน่ใจว่ามันอยู่ในอุณหภูมิที่เป็นหนึ่งเดียวกัน การเปลี่ยนพิสัยวัดทำได้โดยการใช้สวิตช์เลือกเพื่อเปลี่ยนตัวต้านทานมาตรฐาน

โพเทนชิโอมิเตอร์กระแสสลับ

               โดยหลักการเบื้องต้นแล้ว โพเทนชิโอมิเตอร์กระแสสลับทำงานเหมือนกับโพเทนชิโอมิเตอร์กระแสตรง อย่างไรก็ตามจะมีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างมันทั้งสองคือ ในโพเทนชิโอมิเตอร์กระแสตรง เราพยายามทำให้ขนาด ( Mgnitude ) ของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการทราบค่ากับแรงดันคร่อมลวดความต้านทานเท่ากันเพื่อให้ได้สภาวะสมดุล แต่ในโพเทนชิโอมิเตอร์กระแสสลับ เราจะต้องทำให้ทั้งขนาดและเฟสเท่ากัน เพื่อให้ได้สภาวะสมดุล

โพเทนชิโอมิเตอร์กระแสสลับจะมีประโยชน์มาก

1.         ในงานวัดทางวิศวกรรม ซึ่งความถูกต้อง 0.5 ถึง 1 % ก็เพียงพอ หรือถูกใช้ในกรณีที่วิธีโพเทนชิโอมิเตอร์อาจจะสะดวกหรือง่ายกว่าการหาค่าแรงดันโดยวิธีอื่น

2.         เมื่อต้องการการวัดอัตราส่วนของสองแรงดันอย่างถูกต้อง แต่ไม่ต้องการรู้ค่าขนาดของตัวหนึ่งตัวใด

3.         การวัดแรงดันที่ต้องแยกเป็นส่วนประกอบแกนขวาง ( Quadrature Component ) โพเทนชิโอมิเตอร์กระแสสลับจะให้ผลที่ดีมาก เมื่อใช้ในการทดสอบทางแม่เหล็ก และในการหาอัตราส่วนและมุมเฟสอย่างละเอียดของหม้อแปลงเครื่องมือวัด

เนื่องจากไม่มีกระแสที่สมมูลกับเซลมาตรฐาน ดังนั้นความถูกต้องสัมบูรณ์ที่เราสามารถวัดแรงดันกระแสสลับโดยโพเทนชิโอมิเตอร์กระแสสลับ จะไม่สามารถเทียบได้กับค่าแรงดันกระแสตรงที่ได้จากการวัดโดยโพเทนชิโอมิเตอร์กระแสตรง ในทางปฏิบัติ เมื่อต้องการให้อ่านแรงดันโดยตรงจากหน้าปัดของโพเทนชิโอมิเตอร์กระแสสลับ เราจะต้องปรับมาตรฐานกระแสของโพเทนชิโอมิเตอร์

เช่นเดียวกับในกรณีของโพเทนชิโอมิเตอร์กระแสตรง การปรับมาตรฐานกระแส ทำได้โดยใช้มิลลิแอมมิเตอร์แบบอิเล็กโตรไดนาโมมิเตอร์ ที่จะตอบสนองต่อกระแสสลับได้เช่นเดียวกับกระแสตรง โดยการปรับเทียบกับกระแสตรงและปรับให้มีค่าเดียวกัน เมื่อใช้กับกระแสสลับ

โพเทนชิโอมิเตอร์กระแสสลับแบ่งได้เป็น 2 ชนิด ตามค่าที่แรงดันที่ต้องการทราบค่า ปรากฏที่หน้าปัด หรือ สเกลของเครื่องวัด ได้แก่

โพเทนชิโอมิเตอร์เชิงขั้ว ( Polar )

                              ในโพเทนชิโอมิเตอร์แบบนี้ แรงดันที่ต้องการทราบค่าจะถูกทำให้สมดุล โดยการปรับทั้งขนาดและเฟสของแรงกันตัวเดียว ตัอย่างของโพเทนชิโอมิเตอร์แบบนี้คือ โพเทนชิโอมิเตอร์ของ Drysdale ( ในปี 1908 ) จะใช้กระแสทำงานประมาณ 0 mA โดยการตั้งมิลลิแอมมิเตอร์แบบอิเล็กโตรไดนามิก โดยเริ่มจากการปรับมาตรฐานกระแส โดยป้อนแหล่งกำเนิดกระแสตรงให้แก่โพเทนชิโอมิเตอร์ต่อเซลมาตรฐานคร่อมลวดเลื่อน ปรับกระแสโพเทนชิโอมิเตอร์ให้ได้ค่ากระแสโพเทนชิโอมิเตอร์ตามต้องการ ต่อไปให้แรงดันที่ป้อนแก่โพเทนชิโอมิเตอร์มาจากตัวเลื่อนเฟส ซึ่งจะให้แรงดันกระแสสลับที่ขนาดคงที่ แต่สามารถปรับเฟสได้ตามต้องการ จากนั้นนำแรงดันที่ต้องการทราบค่ามาต่อแทนเซลมาตรฐาน เราสามารถปรับขนาด โดยปรับตัวเลื่อนของลวดความต้านทาน ร่วมกับมุมเฟสของตัวเลื่อนเฟส เพื่อให้ได้ขนาดและเฟสของแรงดันที่เราต้องการทราบค่า

โพเทนชิโอมิเตอร์เชิงพิกัด ( Coordinate )

                              ในโพเทนชิโอมิเตอร์แบบนี้ จะเป็นการเปรียบเทียบพิกัดของแรงดันที่ต้องการทราบค่า ในพจน์ของส่วนประกอบที่ Inphase ( X ) และส่วนประกอบแกนขวาง ( y ) ค่าทั้งสองนี้ จะอ่านขากสเกลทั้งสองของโพเทนชิโอมิเตอร์ ตัวอย่างของโพเทนชิโอมิเตอร์ชนิดนี้ได้แก่ โพเทนชิโอมิเตอร์ของ Gall หลักการจะอาศัยกระแสสองค่า I₁ กับ I₂ โดยที่ความต่างเฟสร่วม 90 องศา กระแสทั้งสองค่าจะได้จากแหล่งจ่ายเฟสเดียวผ่านหม้อแปลงแยกขดลวด I₂ จะมีเฟสห่างจาก I₁ 90 องศา โดยวงจรแยกเฟส

ก่อนใช้วัด จะต้องปรับมาตรฐานกระแส I₁ โดยวิธีเดียวกับที่อธิบายในโพเทนชิโอมิเตอร์ของ Drysdale ต่อไปทำการปรับมาตรฐานกระแส I₂ โดยอาศัยแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำร่วมในขดทุติยภูมิของตัวเหนี่ยวนำร่วม ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะนำไปปรับเทียบกับส่วนประกอบแกนขวาง ( ที่วัดคร่อมลวดเลื่อน ) การสมดุลจะเกิดเมื่อ I₂ มีขนาดที่ถูกต้องและต่างเฟสกัน 90 องศา พอดี ซึ่งทำได้โดยการปรับตัวเลื่อนเฟสและ R₂

จากนั้นทำการป้อนแรงดันที่ต้องการทราบค่าลวดเลื่อนชุดที่ 1 จะวัดส่วนประกอบของ E_x ซึ่ง Inphase กับ I₂ ลวดเลื่อนชุดที่ 2 จะวัดส่วนประกอบของ E_x ซึ่ง Inphase กับ I₁ เพราะว่า I₁ กับ I₂ ห่างกัน 90 องศา ดังนั้นค่าที่วัดจากลวดเลื่อนจะเป็นส่วนประกอบของ E_x ที่ห่างกัน 90 องศา ด้วย

สวิตช์กลับทางจะใช้สำหรับวัดทั้งส่วนประกอบ Inphase และตามขวางที่เป็นแรงดันบวกและลบที่ไม่ทราบค่า

รูปนี้ แสดงลักษณะของตัวต้านทานแบบโพเทนชิโอมิเตอร์แบบปรับละเอียด

                                             รูปแสดงลักษณะโครงสร้างของโพเทนชิโอมิเตอร์ (Potentiometer)

แหล่งอ้างอิง

http://automationreview.blogspot.com/2013/10/potentiometer-motor-inverter.html
https://www.google.co.th/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CCoQFjAA&url=http%3A%2F%2Fstudent.nu.ac.th%2Felectronic%2F00001.doc&ei=vYR_Ur7dF8L-rAervoDADQ&usg=AFQjCNHA0hFMUXP8FAZHUAAs22waxjk-oA
https://www.google.co.th/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CCoQFjAA&url=http%3A%2F%2Fstudent.nu.ac.th%2Felectronic%2F00004.doc&ei=VEh6UsnPGKbiigLei4HIBA&usg=AFQjCNEwRDWU5MmVyXcdIgU0nmxW0nCxrg
http://www.ee.eng.cmu.ac.th/OnlineCourses/252283/Lab2-TheoryIV.html

หนังสือ ทฤษฏีเครื่องวัดไฟฟ้า การวัดขนาดทางไฟฟ้า  ผู้เขียน  วิบูล เขมรังสฤษฎ์

หนังสือ การวัดและเครื่องวัดไฟฟ้า  ผู้เขียน  รศ.ดร.เอก ไชยสวัสดิ์

หนังสือ เครื่องวัดและการวัดทางไฟฟ้า  ผู้เขียน  อาภรณ์ เก่งพล  และ  ดร.โอซามุ นิชิโนะ