動圈儀錶

動圈儀錶

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

設備組成


動圈式顯示儀錶的組成如下圖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就是動圈式儀錶測量機構示意圖。
圖1:動圈式顯示儀錶組成
圖1:動圈式顯示儀錶組成
圖2:動圈式儀錶測量機構示意圖
圖2:動圈式儀錶測量機構示意圖
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、6兩端固定在儀錶的機架上,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。“動圈式儀錶”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I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;I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。當儀錶定型生產後,這些參數便固定下來。
動圈測量機構工作原理
動圈測量機構工作原理
由上式可知不僅與I有關,還與夾角β的大小有關。由於的非線性,使得儀錶的刻度也不均勻。因此必須消除β的變化,以保證儀錶輸出的線性變化。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I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I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,動圈也回不到儀錶的原點處。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,儀錶設計定型了,也是一個常數,稱為儀錶常數。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,這時儀錶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,因而儀錶的刻度是線性的。

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。為了保證動圈儀錶磁感應強度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系列動圈儀錶的磁路系統。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。磁分路片除了在儀錶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
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,這會使儀錶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,可使儀錶的靈敏度提高。為了保證一定的匝數,XC系列的儀錶採用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,其阻值變化約為,所以當儀錶在工業現場工作,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錶正常測量的干擾。這種干擾主要反映在動圈的阻值上。為了使動圈儀錶在範圍內正常測量,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,便可使儀錶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,提高了儀錶的輸入阻抗,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
具有溫度補償的測量機構線路
在大量程的動圈儀錶中,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,雖然提高了儀錶的精度,但儀錶的阻尼特性變差了。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,提高了儀錶的阻尼能力。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錶在大量程的情況下,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指示型儀錶,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,且對於指示型儀錶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型儀錶才採用並聯電阻,以防止阻尼過小,導致調節功能產生誤動作。