动圈仪表

以磁电原理测量微安级电流的模拟式显示仪表

动圈仪表是以磁电原理测量微安级电流的模拟式显示仪表，在工业上常将其他物理量转换成电流信号，利用动圈仪表进行显示。

动圈仪表的组成

动圈式显示仪表的组成如下图1所示。它由测量线路和测量机构两部分组成。测量机构是核心，对于不同的型号，测量机构都是相同的，而测量线路各不相同。图2就是动圈式仪表测量机构示意图。

永久磁铁1（包括极靴）和圆柱形软铁芯3形成辐射磁场，使两者之间气隙中各处的磁场均匀，并使动圈5在气隙中转动时，切割磁力线的有效边缘始终与磁场垂直。

两根张丝2、6两端固定在仪表的机架上，共同支承动圈5，输入电流一进一出也是由这上、下两根张丝连通到动圈5上。动圈5用漆包线绕制成无骨架线框，电流通过该线圈产生动力矩，使线圈在磁场中转动，带动指针8，在刻度面板7上移动，并指向某一值。指针上的平衡锤9可用来调节整个转动机构的动平衡。动圈5一转动，使上、下张丝变形，从而又产生一个反力矩，该反力矩最终和动力矩达到平衡，指针便稳稳地指向某一值。“动圈式仪表”由此得名。

工作原理

（1）转动力矩的产生

动圈置于磁场B中，如下图a所示，经过电流时，动圈的两个有效边L分别受到大小相等、方向相反的力和，其方向可用左手定则来决定，其大小如下式：

式中，n为动圈的匝数；B为永久磁铁的磁感应强度，单位是T（特斯拉）；L为有效边长度，单位是m；为流过的电流，单位是A。

由下图b可知，动圈绕旋转轴的转动力矩为

结合两式得

式中，2r为动圈的宽度，单位是m；β为久磁铁磁力线与动圈平面的夹角。

为常数，且，它与动圈的尺寸、匝数、磁感应强度有关。当仪表定型生产后，这些参数便固定下来。

由上式可知不仅与有关，还与夹角β的大小有关。由于的非线性，使得仪表的刻度也不均匀。因此必须消除β的变化，以保证仪表输出的线性变化。为此将永久磁铁的极靴设计成如上图c的形状，这样磁力线与动圈平面的夹角在动圈转动的范围内趋向于0°，则，上式便可写成：

可见转动力矩，与输入电流成正比。

（2）反作用力矩

动圈受作用产生偏转，偏转角设为α。要使一定的电流产生一定的偏转角α，必须在动圈上加一个与偏转角成正比的反作用力矩，不然的话，电流产生的力矩将使动圈一直转到指针卡死为止。这时即使电流撤消了，由于没有反作用力矩，动圈处于静止状态，动圈也回不到仪表的原点处。反作用力矩由支撑动圈的张丝扭转而产生，反作用力矩

式中，和张丝的几何尺寸（长度、宽度与厚度）、张丝的材料以及张力的大小有关。同样，仪表设计定型了，也是一个常数，称为仪表常数。显然和α成正比关系。

（3）转动力矩与反作用力矩的平衡

当动圈产生偏转，并带动指针指在某一刻度不动时，这时仪表测量机构的转动力矩与反作用力矩也达到平衡，即

整理上述公式得：

式中，K是动圈测量机构的灵敏系数，即单位电流引起动圈偏转角的变化。K越大，测量机构就越灵敏。显然K也是常数，因而仪表的刻度是线性的。

测量机构

（1）磁分路调节片

永久磁铁即使是同一种型号，其磁感应的强度的强弱相差还是相当大的。为了保证动圈仪表磁感应强度B的恒定，有必要用磁分路调节片将强度大的磁感应强度分流掉一部分。

下图所示为XC系列动圈仪表的磁路系统。它采用立柱式外磁钢结构，两块半圆环形的磁钢与极靴、软铁心、接铁组成串级的形式。磁路经过极靴、空气隙和软铁心而闭合，动圈则置于空气隙中。磁分路调节片如顺时针方向移动，经过磁分路片的磁通量增加，而空气隙中的磁感应强度值降低，使动圈的转动力矩减小，示值也随之减小。磁分路片除了在仪表校验出厂时用来微调示值外，在使用过程中也可用来调节示值。

（2）动圈

动圈采用无框架结构，提高了测量机构的灵敏度和品质因素。虽然，这会使仪表的阻尼特性有所变差，但仍能满足要求。另外，在决定动圈的匝数和电阻值时，要考虑下列两个因素。

1)匝数越多，转动力矩越大。但匝数一多，必然增加其质量和电阻值，使品质因素下降，阻尼时间增大。

2)动圈电阻值小，可使仪表的灵敏度提高。为了保证一定的匝数，XC系列的仪表采用44号漆包线绕制。虽然用锰铜丝绕制可以免去温度补偿，但由于其电阻率过大，为了保证一定的匝数，又不能让动圈的电阻值过大，因而不采用锰铜丝绕制，而用漆包铜线绕制。

（3）温度补偿电阻

因为动圈是由铜线绕制，而铜在温度每变化10℃，其阻值变化约为4%，所以当仪表在工业现场工作，一年四季，环境温度变化很大，动圈的电阻值必然变化很大。这样即使输入信号不变，示值却变化会很大，这就是环境温度对动罔仪表正常测量的干扰。这种干扰主要反映在动圈的阻值上。为了使动圈仪表在0～50℃范围内正常测量，必须对测量机构进行温度补偿，通常用热敏电阻R，作为补偿元件。

（4）量程和阻尼调整电阻

为了使统一的表头组件适用于不同的量程，就必须加一个量程调整电阻。测量机构中的表头是以最小量程所需要的灵敏度来设计的，当测量大信号时，只需在表头上串联一个电阻，就可使流过动圈的电流减小。调节电阻的大小，便可使仪表指针在测量大信号上限时也正好指在满度刻度上。串联电阻由由锰铜丝绕制，它不随温度变化。同时串联电阻的加入，提高了仪表的输入阻抗，从而使信号源内阻的变化对测量准确度的影响减小，如下图所示。

在大量程的动圈仪表中，串联电阻往往取值较大时才能满足量程的需要。由于串联尺寸较大，虽然提高了仪表的精度，但仪表的阻尼特性变差了。因为动圈在运动过程中切割磁力线感应产生“反电动势”，由于串联电阻较大，反电动势在回路中形成的阻尼电流较小，使得阻尼作用不够，成为欠阻尼。为了解决这个矛盾，可在动圈两端并联上一个电阻，如上图中用虚线所画。这样从动圈两端往外看，电阻减小了，由反电动势所产生的阻尼电流增大，提高了仪表的阻尼能力。当然如果增加了并联尺寸，就必须重新调节量程电阻。

由于对配热电偶的动圈仪表在大量程的情况下，串联电阻并不很大，阻尼已足够，因此不必并联电阻。对配热电阻的XCZ指示型仪表，在大量程情况下，串联电阻较大，但考虑到它不带调节功能，即使指针快速多次摆动，也不会产生调节问题，且对于指示型仪表也希望指针动作灵敏一些，因此也不采用并联电阻。只有对配热电阻的又带调节功能的XCT型仪表才采用并联电阻，以防止阻尼过小，导致调节功能产生误动作。

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