หม้อแปลงเครื่องมือวัด เป็นเครื่องสำเร็จ (Apparatus) ที่ใช้สำหรับแปลงแรงดันหรือกระแส เพื่อให้สามารถใช้ได้กับเครื่องวัดไฟฟ้าภายในพิสัยความถี่กำลัง โดยเครื่องวัดปกติ การขยายพิสัยวัดกระแสทำได้โดยใช้ชันต์ การขยายพิสัยวัดแรงดันทำโดยใช้ตัวต้านทานอนุกรม (ตัวคูณ) ซึ่งสามารถทำได้โดยสะดวก และพบเห็นทั่วไปในการวัดกระแสตรง อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีขีดจำกัดที่ค่ากระแสและแรงดันไม่สูงมาก เมื่อกระแสมีค่าสูงมากเกินไม่กี่ร้อยแอมแปร์ กำลังที่สูญเสียในชันต์จะมีค่ามากพอ นอกจากนั้นจะต้องคิดถึงการฉนวนเครื่องวัดให้พอเพียง ซึ่งเป็นเรื่องยากถ้ากระแสที่จะวัดอยู่ที่หลายร้อยหรือหลายพันโวลต์เหนือดิน ในกรณีที่ต้องวัดค่าที่มีพิสัยกว้างให้มีความถูกต้อง เป็นเรื่องที่ไม่เหมาะสมที่จะต้องมีเครื่องวัดที่สามารถวัดค่าพิสัยกว้างให้ถูกต้องทั้งหมด แต่โดยการลดกระแสหรือแรงดันค่าสูงลงมาด้วยอัตราส่วนที่รู้ค่า และถูกต้องหลายๆค่าโดยใช้หม้อแปลง และใช้เครื่องมือวัดที่สามารถวัดขนาดกระแสหรือแรงดันค่าไม่สูง แต่มีความถูกต้องมากวัดค่า จะสามารถได้พิสัยกว้าง โดยมีความถูกต้องตามต้องการแต่ประหยัดและปลอดภัย
เราสามารถแบ่งหม้อแปลงเครื่องมือวัดตามการใช้งานได้เป็นหม้อแปลงกระแส (Current Transformer (CT)) และหม้อแปลงแรงดัน (Potential Transformer (PT)) หม้อแปลงเครื่องมือวัดมีลักษณะเหมือนหม้อแปลงกำลังทั่วๆไป (สามารถใช้วงจรสมมูลของหม้อแปลงธรรมดาได้) แต่มีข้อพิเศษที่แตกต่างคือ
1. จำเป็นต้องรู้อัตราส่วนจำนวนรอบอย่างแน่นอน เนื่องจากค่าความผิดพลาดหนึ่งรอบใน 200 ถ้าพิจารณาในลักษณะหม้อแปลงกำลัง จะทำให้เกิดความแตกต่างของแรงดันน้อยมาก แต่ก็จะผิดพลาดมาก ถ้าพิจารณาในการนำไปใช้ด้านการวัด
2. แรงดันตกคร่อมในขดลวดจะต้องมีค่าต่ำที่สุด เพื่อหลีกเลี่ยงการเลื่อนเฟสหรือการเปลี่ยนอัตราส่วนการแปลง โดยการออกแบบหม้อแปลงให้มีค่ารีแอกแตนซ์รั่วซึมต่ำ และโดยใช้สายตัวนำ (ทองแดง) ให้มีขนาดโตกว่าที่ต้องการ ดังนั้นในกรณีหม้อแปลงกำลัง การโหลดจะถูกจำกัดโดยผลเนื่องจากความร้อน แต่การโหลดของหม้อแปลงเครื่องมือวัดจะถูกจำกัดโดยค่าความถูกต้อง
เราอาจแบ่งหม้อแปลงเครื่องมือวัดตามความถูกต้องออกได้เป็น 5 ชั้น คือ 0.1 0.2 0.5 1.0 และ 3.0 สามชั้นแรกใช้สำหรับการทดสอบหรืองานวัดละเอียด สองชั้นหลังจะใช้สำหรับการวัดทั่วไป
หม้อแปลงกระแส (Current Transformer (CT))
ในแอมมิเตอร์กระแสตรงแบบ Permanent Magnet Moving Coil (PMMC) เมื่อต้องการขยายพิสัยวัดจะทำโดยการใช้ชันต์เพื่อแบ่งกระแสที่ต้องการวัดระหว่างเครื่องวัดกับชันต์ วิธีนี้จะเหมาะสำหรับวงจรกระแสตรง แม้ว่าเมื่อกระแสเพิ่มมากขึ้น กำลังสูญเสียในชันต์จะมีค่ามาก ในวงจรกระแสสลับ การแบ่งกระแสจะไม่เพียงขึ้นกับความต้านทานของเครื่องวัดกับชันต์เท่านั้น แต่ยังขึ้นกับค่ารีแอกแตนซ์ของมันด้วย เพราะว่าการวัดกระแสสลับอาจกระทำในพิสยความถี่กว้าง ดังนั้นจะเป็นการยากที่จะได้ความถูกต้องสูง หม้อแปลงกระแสจะทำให้เกิดการขยายพิสัยที่ต้องการผ่านอัตราส่วนการแปลง และทำให้เกิดค่าที่อ่านเกือบจะเหมือนกัน โดยไม่คำนึงถึงค่าคงที่ (ความต้านทาน หรือรีแอกแตนซ์) หรือจำนวนของเครื่องวัด (ภายในขอบเขต) ที่ต่ออยู่ในวงจร
หลักการเบื้องต้นของ CT
กระแสโหลดที่ต้องการวัด จะไหลผ่านขอปฐมภูมิ ซึ่งอาจจะเป็นลวดตัวนำเส้นเดียว ถือว่าเป็นหนึ่งรอบทางปฐมภูมิ ขดลวดทุติยภูมิจะมีจำนวนรอบมากกว่า และจะต่อกับมาตรวัดกระแส ขดลวดของรีเลย์หรือขดลวดของวัตต์มิเตอร์ การทำงานของหม้อแปลงกระแสจะขึ้นอยู่กับสมดุลของค่าแอมแปร์-รอบที่สร้างขึ้น โดยขดปฐมภูมิและทุติยภูมิ ถ้าหม้อแปลงเป็นอุดมคติ คือ ไม่มีกระแสทำแม่เหล็ก (Magnetizing Current) หรือความสูญเสียในแกน จะได้
คือ อัตราส่วนรอบของหม้อแปลงกระแสโดย
จะมีความผิดพลาดที่สำคัญในหม้อแปลงกระแสคือ ความผิดพลาดของกระแส (หรืออัตราส่วน) กับความผิดพลาดมุมเฟส มีการนิยามความผิดพลาดกระแสหรืออัตราส่วน (Current or Ratio Error) ว่าเท่ากับ
คือ อัตราส่วนตามพิกัด 
คือ อัตราส่วนจริง
ความผิดพลาดมุมเฟสคือ มุมเฟสระหว่างเวกเตอร์ของกระแสปฐมภูมิกับเวกเตอร์ของกระแสทุติยภูมิที่กลับทิศ สำหรับหม้อแปลงที่สมบูรณ์ ค่ามุมเฟสนี้จะเป็น 0
ค่าความผิดพลาดเหล่านี้ จะกำหนดโดยเทียบกับโหลดที่ต่ออยู่กับขดทุติยภูมิโดยเฉพาะค่าหนึ่ง เรียกโหลดนี้ว่า เบอร์เดน (Burden) ของหม้อแปลง และกำหนดเบอร์เดนนี้โดยกำลังปรากฏ (VA) ที่ใช้ไปในโหลดภายใต้ความถี่ และกระแสทุติยภูมิที่กำหนด และโดยตัวประกอบกำลัง (Power Factor) ของมัน
ข้อควรระวังในการใช้หม้อแปลงกระแส
จะต้องไม่เปิดวงจรทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสขณะที่มีกระแสไหลทางด้านปฐมภูมิ จำนวนแอมแปร์-รอบจะถูกทำให้คงที่โดยกระแสปฐมภูมิ และจะไม่ลดลงเมื่อทางทุติยภูมิเปิดวงจร การเปิดวงจรทางด้านทุติยภูมิจะลดแอมแปร์-รอบทางด้านทุติยภูมิเป็นศูนย์ ซึ่งจะไม่มีแรงเคลื่อนแม่เหล็กกลับไปต่อต้านแรงเคลื่อนแม่เหล็กจากแอมแปร์-รอบปฐมภูมิ และความหนาแน่นของเส้นแรงจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งแกนอิ่มตัว ผมที่ตามมาของการที่เส้นแรงอิ่มตัว จะกระทำต่อจำนวนรอบทางทุติยภูมิที่มีค่ามาก ทำให้แรงดันที่ถูกเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิจะมีค่าสูง ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อผู้เปิดวงจรหรือทำความเสียหายต่อฉนวนของหม้อแปลง นอกจากนั้น จะเกิดความร้อนเนื่องจากความสูญเสียในแกนขณะที่มันอิ่มตัว อาจมากพอที่จะทำลายหม้อแปลงได้ หม้อแปลงกระแสที่ใช้งานจะมีหลายลักษณะ เช่น
-เครื่องวัดแบบ Clip-on เป็น CT แบบหนึ่ง โดยแกนเหล็กสามารถแยกออกจากกัน เพื่อให้สอดเข้าไปวัดสายตัวนำ (ทำให้สามารถวัดค่ากระแสโดยไม่จำเป็นต้องตัดวงจร)
-โพรบกระแส (Current Probe) ของออสซิลโลสโคปสำหรับใช้วัดกระแสสลับ จะทำงานในลักษณะเดียวกัน โดยมีแกนแยกจากกันที่ปลายของโพรบ
CT ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการส่วนมาก จะมีลักษณะดังรูป คือจะมีรูตรงกลางให้สายตัวนำพันรอบ โดยทางปฐมภูมิจะมีหลายจุดแยก ทางด้านทุติยภูมิจะมีจำนวนรอบคงที่
หม้อแปลงแรงดัน (Potential Transformer(PT))
ในการส่งกำลังไฟฟ้าเพื่ออยู่อาศัยหรือเพื่ออุตสาหกรรม กำลังไฟฟ้าจะถูกส่งในรูปแรงดันสูงผ่านสายส่งซึ่งสูงเป็นร้อยกิโลโวลต์ เป็นการยากที่จะวัดค่าแรงดันสูงโดยตรงอย่างปลอดภัย เมื่อใช้หม้อแปลงแรงดันลดแรงดันลงให้มีขนาดที่สามารถใช้โวลต์มิเตอร์แรงดันต่ำที่มีความถูกต้องสูงวัด และสามารถคำนวณกลับเป็นแรงดันจริงได้ จะเห็นได้ว่า การใช้หม้อแปลงแรงดันจะช่วยขยายพิสัยของโวลต์มิเตอร์แรงดันต่ำที่มีอยู่ และทำหน้าที่แยกระบบการวัดออกจากสายส่งแรงดันสูง
ในการวัดจะใช้หม้อแปลงแรงดัน เพื่อลดแรงดันด้านปฐมภูมิของหม้อแปลงที่อาจสูงเป็นร้อยกิโลโวลต์ลง เหลือแรงดันทุติยภูมิมาตรฐาน 110, 120 V.
สำหรับหม้อแปลงในอุดมคติ อัตราส่วนของเวกเตอร์ Vp และ Vs จะเท่ากับอัตราส่วนรอบ และเวกเตอร์ Vp กับ Vs ที่กลับทิศจะต้องทับกันแต่ในทางปฏิบัติ ความผิดพลาดของหม้อแปลงแรงดันคือ
1. ความผิดพลาดแรงดันหรืออัตราส่วนร่วม (Voltage or Ratio Error) ซึ่งนิยามคือ
คือ อัตราส่วนแรงดันจริง
2. การเปลี่ยนตำแหน่งของเฟส (Phase Displacement) คือ การเปลี่ยนตำแหน่งของเฟสระหว่างแรงดันปฐมภูมิและทุติยภูมิ ค่านี้จะเป็นบวก ถ้าแรงดันทุติยภูมินำแรงดันปฐมภูมิที่ถูกกลับทิศ (180 องศา)
หม้อแปลงเครื่องมือวัดแบบที่สามารถใช้งานอย่างกว้างขวาง จะต้องมีหลายจุดแยก (Tap) ซึ่งสามารถปรับมาใช้พิสัยวัดที่เราต้องการ และเกือบทุกแบบจะจำเพาะให้ใช้ความถี่ 50 หรือ 60 Hz. เราสามารถใช้หม้อแปลงแรงดันร่วมกับแหล่งกำเนิด และโหลดที่มีอิมพิแดนซ์สูง และในขณะที่ไม่สามารถหาหม้อแปลงที่มีอัตราส่วนที่เหมาะสมได้ เราสามารถใช้มากกว่าหนึ่งตัวต่ออนุกรมกัน
ในทางปฏิบัติ จะไม่ต่อด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงแรงดันร่วมกับอิมพิแดนซ์ที่มีค่าอนันต์ แต่จะต่อกับเครื่องวัด (ซึ่งจะดึงกระแสจำนวนหนึ่ง) โหลดนี้คือเบอร์เดน (Burden) ของหม้อแปลง ซึ่งอยู่ในรูปโวลต์-แอมป์ของขดทุติยภูมิ การกำหนดจำเพาะสำหรับเบอร์เดนสูงสุดของหม้อแปลง จะแตกต่างกันตามลักษณะของโหลด โดยจะมีช่วงจากตั้งแต่ 12.5 ถึง 400 VA ถ้าหากเกินค่าเหล่านี้ ความถูกต้องของหม้อแปลงจะไม่อยู่ในค่ากำหนดจำเพาะที่ผู้ผลิตกำหนด
ตารางข้างต้นแสดงให้เห็นข้อกำหนดจำเพาะของ PT ความผิดพลาดของแรงดัน และการเลื่อนเฟสของ PT ที่พิกัดความถี่จะต้องไม่เกินค่าที่กำหนดในตาราง ที่ค่าแรงดันใดๆระหว่าง 80-120% ของพิกัดแรงดัน และโดยมีเบอร์เดนระหว่าง 25-100% ของพิกัดเบอร์เดน ที่ตัวประกอบกำลัง 0.8 (ตาม)
ในการต่อหม้อแปลงเครื่องมือวัด บริษัทผู้ผลิตจะทำเครื่องหมาย "+" หรือ . ไว้ที่ปลายด้านหนึ่งของทั้งขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิของหม้อแปลง (หรืออาจกำกับด้วยคู่อักษร) เครื่องหมายที่ปลายนี้จะแสดงว่า เมื่อมีกระแสไหลเข้าสู่ขดปฐมภูมิทางด้านที่มีเครื่องหมายกำกับ กระแสจะออกจากขดทุติยภูมิทางด้านที่มีเครื่องหมายกำกับ
ข้อควรระวัง
1. ควรต่อลงดิน วงจรด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงแรงดันและกระแส เพื่อเป็นการปกป้องผู้ปฏิบัติงานในกรณีมีการเสียสภาพฉับพลัน (Breakdown) ระหว่างขดลวดทั้งสอง การต่อลงดินด้านทุติยภูมิยังช่วยป้องกันความผิดพลาดเนื่องจากการสะสมประจุไฟฟ้าสถิตบนหม้อแปลง
2. เมื่อเราต้องการถอดเครื่องวัดออกจากขดทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแส จะต้องตัดแหล่งกำเนิดออกก่อน หรือจะต้องต่อปลายทั้งสองของขดทุติยภูมิเข้าด้วยกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการเหนี่ยวนำแรงดันค่ามากที่ขดทุติยภูมิ เนื่องจากการเปิดวงจร ซึ่งอาจทำให้เกิดอันตรายร้ายแรงได้
3. ความผิดพลาดอัตราส่วน จะมีนัยสำคัญในหม้อแปลงแรงดันและหม้อแปลงกระแส เมื่อเราใช้ในการวัดแรงดันหรือกระแส แต่เมื่อเราใช้หม้อแปลงแรงดันและกระแสในการขยายพิสัยของวัตต์มิเตอร์ ทั้งความผิดพลาด อัตราส่วน และความผิดพลาดมุมเฟสจะมีความสำคัญ
References: การวัดและเครื่องวัดไฟฟ้า โดย รศ.ดร.เอก ไชยสวัสดิ์
http://www.engineerfriend.com/2012/articles/%E0%B8%AB%E0%B8%A5%E0%B8%B2%E0%B8%A2%E0%B8%AB%E0%B8%A5%E0%B8%B2%E0%B8%81%E0%B8%84%E0%B8%B3%E0%B8%96%E0%B8%B2%E0%B8%A1%E0%B9%80%E0%B8%81%E0%B8%B5%E0%B9%88%E0%B8%A2%E0%B8%A7%E0%B8%81%E0%B8%B1%E0%B8%9A-c/
http://www.9engineer.com/index.php?m=reference&a=show&reference_id=1020
http://www.transtutors.com/homework-help/electrical-engineering/electronic-and-electrical-measurements/measurement-power-conjunction.aspx
