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  這架儀器的外部結構(或框架)是黃銅環,代表天空主要的環圈。  1.赤道"A":被劃分為360度(與黃道交會於白羊座之處是起點)以顯示太陽的赤經;也可以用24小時,以顯示太陽時。  2.黃道"B":分為12個宮,每個宮30度,也標示出一年中的月和日並且;以這種方式,在給定的任何一天,太陽會位於黃道圈上特定月份的某一度或點上。  3. 北迴歸線 "C":與黃道在巨蟹宮接觸的點"e"是起點,南迴歸線 "D"在摩羯宮和黃道接觸的點"f"是起點。兩者都與天球赤道平行,且距離均是23.5度。  4.北極圈 "E",和南極圈 "F":兩者分別距離北極點"N"和南極點"S"23.5度。.  5. 二分圈 "G":經過天空上的北極點"N"和南極點"S",並且通過白羊宮和天秤宮在黃道上的分點。  6.二至圈 "H":經過天空上的極點,並且在黃道上穿過巨蟹宮和摩羯宮的至點。這些圈將每個象限被劃分為90度,從赤道到兩極,顯示太陽、月球和恆星的赤緯;每個象限都有字母,從黃道的"e"和"f",到極圈的"b"和"d",顯示恆星的赤經。  在黃道北極"b"上有一個螺母,固定了一條90度長線的一端,而在另一端有一個代表太陽的小球"Y",轉動螺母,它就位會沿著黃道"B"—"B"繞行。旋轉黃道南極的螺母:栓在"d"上90度長的飾針另一端上面有代表月球的小球"Ζ",這可以用手轉:但是這兒有一個特別的巧思,可以讓月球的軌道與黃道有5又1/3的夾角移動的特殊裝置,相對的這個點稱為"月球節點";這個節點也可以移動,在黃道上退行,如同月球在天空中的移動。  在這些圓環的內部有一個小地球儀"J",固定在延伸至天球的南極點"s"和北極點"N"的軸"K"上。在這個軸上固定了一條平板天球子午線"L L",這條子午線可以移到世界各地的任何地方,所以只有一條子午線在此處。這條平板子午線上有刻度,就像普通天球儀的黃銅一樣,它們的用途是相同的。在這個地球上裝有可移動的地平線' M ',這個地平線的東西兩個端點被連線到地球赤道溝槽上相對的兩個點,使這個黃銅環可以環繞地球,而地球的也仍可以有自轉的運動。在這個環內的地球可以用手轉動,所以子午線可以在任何的地點之上,直接在天球子午線"L"之下。地平圈的外緣等分為360度,其作用如同羅盤一樣,使用角度和點來顯示月球和太陽移動的範圍。天球子午線"L",如同一般的地球儀,經過地平圈上的南北兩個點:兩者也都一樣,當地球轉動時,地平圈和子午線會跟著一起轉動。在球的南極有一個25小時的圈,固定在環上,並且在軸上有一個指標,如果地球繞軸轉動時可以環繞著這個環。  整個結構支撐在一個基座"N"上,並且可以在一個固定在"R"上的連結"O"上升高或降低,從固定在堅固黃銅臂"Q"上的"P"弧,調整出在0到90度之間的任何角度,而滑片可以用螺絲'r '在適當的角度上固定住。

  

  希臘天文學家喜帕恰斯(c. 190 – c. 120 BCE)稱許埃拉託斯特尼(276 – 194 BCE)是環形球儀的發明者。此裝置的名稱最終的來源是拉丁文的圓環("armilla"),因為它有一個有刻度的金屬圈連結極點,還有代表黃道、赤道、子午圈和平行圈。 通常,在它的中心有一個球代表地球,後來改成太陽。 它也用來演示恆星環繞地球的運動。在17世紀望遠鏡發明之前,環形球儀是歐洲天文學家測量天體位置的主要工具。  它最簡單的形式是一個固定在赤道平面上的圓環,這種環形球儀是一種最古老的天文儀器。稍後它有了改進,有另一個圓環穿過平面並固定在子午線上。第一個是二分圈,第二個是二至圈(可能類似於簡儀)。組合的環被以等分的角度刻畫,陰影被用來指示太陽的位置,就成為環形日晷。當更多的大圓組合代表著天球上不同的環圈時,這個儀器就是渾儀。  埃拉託斯特尼最有可能是使用分至圈來測量黃道的轉軸傾角;喜帕恰斯使用的環形球儀可能有四個環。托勒密在他的著作"Syntaxis"(第五冊第一章)描述了他的儀器,它包含了一個有刻度的環圈,在裡面還有一個可以滑動,由在直徑兩端的兩個小管來移動。這臺儀器有著垂圈和分度圓。  在公元前三世紀,希臘人已經將環形球儀開發成教學工具。更大和更精密的形式則被作為觀測儀器。

  在中國歷史上,天文學家曾經創造渾象(天球儀)來協助觀察恆星。中國也使用渾儀以協助制歷和進行歷算的計算。在韓國,也得利於中國的天文思想和天文儀器進一步發展。  根據李約瑟的研究,環形球儀的發展最早可以追溯至公元前四世紀的石申和甘德,他們已經配置了原始的單環環形球儀。這讓他們可以測量各個星宿的去極度(緯度)和經度(赤經)。李約瑟推算的日期,公元前四世紀,否定了英國漢學家克里斯多夫·卡倫仁所追溯這些裝置出現在公元前一世紀的觀點。  西漢的天文學家落下閎、Xiangyu Wangren和耿壽昌發展並製造出早期階段的環形球儀。在公元前52年,耿壽昌首次提出了有永久固定赤道環的環形球儀。在隨後的東漢時代,天文學家符安(Fu An)和賈奎(Jia Kui)在公元84年新增了黃道環。著名的政治學家、天文學家兼發明家張衡在公元125年將地平圈和子午環加入,完成了渾儀。張衡還完成世界上第一座由水力驅動的渾儀,它是利用水流轉動由擒縱器控制速度的渾儀(參見渾儀、水運儀象臺條目,有更詳細的介紹)。  漢朝以後的發展,讓環形球儀的使用有了許多改進與演變。在公元323年,天文學家Kong Ting重新組合了渾儀的環,以便黃道可以和赤道在任何需要的點上結合。之後,唐朝的李淳風在公元633年使用三層環的環形球儀,稱為'nests' (chhung),從多方位來校準天文觀測。他也負責安裝窺管的一項計劃,以使緯度的觀測能更為精確。然而,到了下個世紀,一行(Yi Xing,參見下文)才完成在渾儀內安裝窺管的工作。在1050年,Zhou Cong和Shu Yijian為環形球儀安裝了赤道裝置,沈括在11世紀晚期也做了相同的改進。但直到歐洲的耶穌會士來到中國,他們才不再使用渾儀。  在唐朝開元十一年(公元723 年),一行和尚和兵曹參軍樑令瓚組合完成張衡使用擒縱器的渾象,每15分鐘便會擊鼓,整點便會搖鈴的自動裝置,也就是報時鐘。蘇頌著名的水運儀象臺在元祐七年(公元1092年)落成,如同一行的渾象使用擒縱器,並用水車將漏壺注滿水來推動。這架儀器上下分三層;上層是渾儀(天體測量之用),中層是渾象(天體執行演示),下層是司辰(自動報時器)。司辰有機械操作的小人偶,可以開啟鐘樓的門,定時擊鼓或搖鈴,可以精確報時。還有政治家兼科學家的沈括(公元1031-1095年),曾任司天監,是熱心的天文學者,改進和設計了許多天文儀器:日晷、擒縱器、渾儀和固定觀察北極星以瞄準極點的窺管。 韓國的發明家蔣英實奉朝鮮世宗之命打造渾儀,在1433年完成,命名為혼천의(Honcheonui)。  1669年,韓國天文學家Song Iyeong重新打造渾儀,做為一座天文鐘。這座天文鐘高度重視製作的技術,是朝鮮王朝留下的唯一一座天文鐘。

  波斯和阿拉伯天文學家將公元8世紀的希臘環形球儀改良,並由波斯天文學家Fazari(d.c.777年)撰寫出論文"Dhat al-Halaq"或"The instrument with the rings"(圓環的儀器)。Abbas Ibn Firnas (d.887年)為哈里發默罕默德(852-886年的統治者)製造了另一個有圓環的儀器(環形球儀)。球形等高儀是等高儀和環形球儀變化出來的,是中世紀伊斯蘭黃金時代的發明。對球形等高儀的描述,最早可以追溯到波斯天文學家Nayrizi(fl. 892-902)。穆斯林的天文學家也獨立發明了環形球儀,主要用來解決球面天文學的問題。現今,世界上還留存了126件這一類的儀器,最早的製作於11世紀。太陽的高度,或是恆星的赤經和赤緯,都可以從球上的環輸入觀測者的地理經度,計算出來。  在10世紀晚期,環形球儀經由在安達魯斯的教宗西爾維斯特二世(r. 999–1003)的介紹傳入西歐。教宗西爾維斯特二世使用窺管和這種儀器確認了當時的北極星和紀錄與測量了赤道和熱帶。

  第谷·布拉赫(1546-1601)在儀器設計上有了進展,他精心設計的環形球儀進入了等高儀的領域,並繪製在他的"新天文學儀器(Astronomiae Instauratae Mechanica)"。  環形球儀是第一個複雜的機械裝置,它們的發展在許多機械裝置的技術和設計上導致了許多改進。文藝復興的科學家和公眾人物經常在他們畫像的手上展示一個環形球儀,代表最高的智慧和知識。  環形球儀也是很有用的教具,框架可以描述天球,系列的環形成代表天空的大圓,而在軸上旋轉的代表地平線。中心的球代表地球的是托勒密的宇宙;中心的球是太陽的,是哥白尼的宇宙。  目前,自從曼紐一世時代,環形球儀就出現在葡萄牙國旗和國徽上。

  在1980年代,愛蜜利薩維奇-史密斯在喀什米爾和拉合爾發現一些沒有任何縫隙的天球。 空心的物體通常使用兩半來澆鑄,儘管滾塑成型等技術在1960年代已經被使用,同樣可以產生無縫的球體,但是薩維奇-史密斯指出鑄造一個無接縫的球體被認為是不可能的。在喀什米爾發現最早的無接縫球是由中世紀天文學家和冶金學家Ali Kashmiri ibn Luqman 在1589-90年(AH998),阿克巴大帝的時期;另一個是在1659-60年(1070AH),穆罕默德·薩利赫賦予阿拉伯文和梵文題字;最後一個是由印度天文學家和冶金學家 Lala Balhumal Lahuri,在Jagatjit Singh Bahadur統治期間,於1842年在拉哈爾製造的。總共製造了21個這樣的球,而這些也是迄今儲存無接縫球體的唯一例子。這些蒙兀兒冶金學家是使用脫蠟鑄造的法來生產這些球。

  環形球儀經常在紋章學和旗幟學中被使用,關聯的符號主要出現在葡萄牙、巴西,這和葡萄牙帝國與葡萄牙發現有關。  在15世紀結束時,環形球儀成為葡萄牙未來的國王曼紐一世個人的徽章,而當時他還只是葡萄牙的葡萄牙王子。在曼紐一世的統治期間,從環形球儀轉化過來,簡化的這個私人徽章在檔案、紀念碑、旗幟和其它物品上被大量的使用,特別是在海外殖民地。在曼紐一世死後,這個環形球儀的標示繼續被使用作為國家的象徵。在17世紀,它與葡屬巴西有了特別的連結。在1815年,當英屬巴西和葡屬巴西聯合成為一個國家時,這個徽章正式被作為一塊藍色領域上的金色環形球儀。除了代表巴西,這個環形球儀也出現在葡萄牙-巴西-阿爾加維聯合王國的旗幟和紋章。當巴西在1822年獨立成為帝國,這個徽章繼續出現在國旗和國家的紋章上。在1889年,巴西國旗上的環形球儀才被現今的天球取代。在1910年,環形球儀再度出現在葡萄牙的國徽和國旗上。
渾天儀(也可以稱為球形等高儀或渾儀,英文縮寫為armilla或armil)是中國和希臘古代測定天體位置的一種儀器。由相應天球座標系各基本圈的環規及瞄準器構成,與渾象(渾天儀,一種模擬天體執行的儀器)不同。其主要用作展示圍繞地球的天體軌跡。渾儀也是最早期的複雜機械儀器,其發展促進了機器的改良和設計。渾儀在古希臘和古中國被分別獨立發明。