動圈儀表

動圈儀表是以磁電原理測量微安級電流的模擬式顯示儀表，在工業上常將其他物理量轉換成電流信號，利用動圈儀表進行顯示。

基本介紹

• 中文名：動圈儀表
• 外文名：Moving coil instrument
• 屬性：顯示儀表
• 領域：檢測技術

動圈儀表的組成

動圈式顯示儀表的組成如下圖1所示。它由測量線路和測量機構兩部分組成。測量機構是核心，對於不同的型號，測量機構都是相同的，而測量線路各不相同。圖2就是動圈式儀表測量機構示意圖。

圖1：動圈式顯示儀表組成

圖2：動圈式儀表測量機構示意圖

永久磁鐵1（包括極靴）和圓柱形軟鐵芯3形成輻射磁場，使兩者之間氣隙中各處的磁場均勻，並使動圈5在氣隙中轉動時，切割磁力線的有效邊緣始終與磁場垂直。

兩根張絲2、6兩端固定在儀表的機架上，共同支承動圈5，輸入電流一進一出也是由這上、下兩根張絲連通到動圈5上。動圈5用漆包線繞製成無骨架線框，電流通過該線圈產生動力矩，使線圈在磁場中轉動，帶動指針8，在刻度面板7上移動，並指向某一值。指針上的平衡錘9可用來調節整個轉動機構的動平衡。動圈5一轉動，使上、下張絲變形，從而又產生一個反力矩，該反力矩最終和動力矩達到平衡，指針便穩穩地指向某一值。“動圈式儀表”由此得名。

工作原理

（1）轉動力矩的產生

動圈置於磁場B中，如下圖a所示，經過電流時，動圈的兩個有效邊L分別受到大小相等、方向相反的力和，其方向可用左手定則來決定，其大小如下式：

式中，n為動圈的匝數；B為永久磁鐵的磁感應強度，單位是T（特斯拉）；L為有效邊長度，單位是m；為流過的電流，單位是A。

由下圖b可知，動圈繞旋轉軸的轉動力矩為

結合兩式得

式中，2r為動圈的寬度，單位是m；β為久磁鐵磁力線與動圈平面的夾角。

為常數，且，它與動圈的尺寸、匝數、磁感應強度有關。當儀表定型生產後，這些參數便固定下來。

動圈測量機構工作原理

由上式可知不僅與有關，還與夾角β的大小有關。由於的非線性，使得儀表的刻度也不均勻。因此必須消除β的變化，以保證儀表輸出的線性變化。為此將永久磁鐵的極靴設計成如上圖c的形狀，這樣磁力線與動圈平面的夾角在動圈轉動的範圍內趨向於0°，則，上式便可寫成：

可見轉動力矩，與輸入電流成正比。

（2）反作用力矩

動圈受作用產生偏轉，偏轉角設為α。要使一定的電流產生一定的偏轉角α，必須在動圈上加一個與偏轉角成正比的反作用力矩，不然的話，電流產生的力矩將使動圈一直轉到指針卡死為止。這時即使電流撤消了，由於沒有反作用力矩，動圈處於靜止狀態，動圈也回不到儀表的原點處。反作用力矩由支撐動圈的張絲扭轉而產生，反作用力矩

式中，和張絲的幾何尺寸（長度、寬度與厚度）、張絲的材料以及張力的大小有關。同樣，儀表設計定型了，也是一個常數，稱為儀表常數。顯然和α成正比關係。

（3）轉動力矩與反作用力矩的平衡

當動圈產生偏轉，並帶動指針指在某一刻度不動時，這時儀表測量機構的轉動力矩與反作用力矩也達到平衡，即

整理上述公式得：

式中，K是動圈測量機構的靈敏係數，即單位電流引起動圈偏轉角的變化。K越大，測量機構就越靈敏。顯然K也是常數，因而儀表的刻度是線性的。

測量機構

（1）磁分路調節片

永久磁鐵即使是同一種型號，其磁感應的強度的強弱相差還是相當大的。為了保證動圈儀表磁感應強度B的恆定，有必要用磁分路調節片將強度大的磁感應強度分流掉一部分。

下圖所示為XC系列動圈儀表的磁路系統。它採用立柱式外磁鋼結構，兩塊半圓環形的磁鋼與極靴、軟鐵心、接鐵組成串級的形式。磁路經過極靴、空氣隙和軟鐵心而閉合，動圈則置於空氣隙中。磁分路調節片如順時針方向移動，經過磁分路片的磁通量增加，而空氣隙中的磁感應強度值降低，使動圈的轉動力矩減小，示值也隨之減小。磁分路片除了在儀表校驗出廠時用來微調示值外，在使用過程中也可用來調節示值。

磁路系統

（2）動圈

動圈採用無框架結構，提高了測量機構的靈敏度和品質因素。雖然，這會使儀表的阻尼特性有所變差，但仍能滿足要求。另外，在決定動圈的匝數和電阻值時，要考慮下列兩個因素。

1)匝數越多，轉動力矩越大。但匝數一多，必然增加其質量和電阻值，使品質因素下降，阻尼時間增大。

2)動圈電阻值小，可使儀表的靈敏度提高。為了保證一定的匝數，XC系列的儀表採用44號漆包線繞制。雖然用錳銅絲繞制可以免去溫度補償，但由於其電阻率過大，為了保證一定的匝數，又不能讓動圈的電阻值過大，因而不採用錳銅絲繞制，而用漆包銅線繞制。

（3）溫度補償電阻

因為動圈是由銅線繞制，而銅在溫度每變化10℃，其阻值變化約為4%，所以當儀表在工業現場工作，一年四季，環境溫度變化很大，動圈的電阻值必然變化很大。這樣即使輸入信號不變，示值卻變化會很大，這就是環境溫度對動罔儀表正常測量的干擾。這種干擾主要反映在動圈的阻值上。為了使動圈儀表在0～50℃範圍內正常測量，必須對測量機構進行溫度補償，通常用熱敏電阻R，作為補償元件。

（4）量程和阻尼調整電阻

為了使統一的表頭組件適用於不同的量程，就必須加一個量程調整電阻。測量機構中的表頭是以最小量程所需要的靈敏度來設計的，當測量大信號時，只需在表頭上串聯一個電阻，就可使流過動圈的電流減小。調節電阻的大小，便可使儀表指針在測量大信號上限時也正好指在滿度刻度上。串聯電阻由由錳銅絲繞制，它不隨溫度變化。同時串聯電阻的加入，提高了儀表的輸入阻抗，從而使信號源內阻的變化對測量準確度的影響減小，如下圖所示。

具有溫度補償的測量機構線路

在大量程的動圈儀表中，串聯電阻往往取值較大時才能滿足量程的需要。由於串聯尺寸較大，雖然提高了儀表的精度，但儀表的阻尼特性變差了。因為動圈在運動過程中切割磁力線感應產生“反電動勢”，由於串聯電阻較大，反電動勢在迴路中形成的阻尼電流較小，使得阻尼作用不夠，成為欠阻尼。為了解決這個矛盾，可在動圈兩端並聯上一個電阻，如上圖中用虛線所畫。這樣從動圈兩端往外看，電阻減小了，由反電動勢所產生的阻尼電流增大，提高了儀表的阻尼能力。當然如果增加了並聯尺寸，就必須重新調節量程電阻。

由於對配熱電偶的動圈儀表在大量程的情況下，串聯電阻並不很大，阻尼已足夠，因此不必並聯電阻。對配熱電阻的XCZ指示型儀表，在大量程情況下，串聯電阻較大，但考慮到它不帶調節功能，即使指針快速多次擺動，也不會產生調節問題，且對於指示型儀表也希望指針動作靈敏一些，因此也不採用並聯電阻。只有對配熱電阻的又帶調節功能的XCT型儀表才採用並聯電阻，以防止阻尼過小，導致調節功能產生誤動作。