LEM 高精度大電流傳感器IT 600-S及其應用

一、問題引出：精密大電流測量方法對比

范圍
所謂大電流，范圍比較模糊。一般是說不太常見、難于找到接測量儀器、也難于產生的 較大的電流（范圍）。
有一說，>=30A就算大電流，此時絕大多數萬用表都不能直接測量了，而常見的電源也少有能輸出30A的。
另一說，要>=100A才算真正的大電流，本帖以此為準。當然，某些行業的人員可以說，我這里1000A都算小電流。
至于此處大電流是指直流還是交流？全包括，即交直流。如果只有直流或只有交流的場合，會單獨說明。
另外，所謂“精度”、“精密”的說法，也很含混的，因此在后面具體指標上，是不會出現的。


意義
大電流在工業、電力等行業廣泛存在，如何測試、計量大電流，如何產生標準大電流因此也都是必須的。


困難
大電流由于載流的關系，要比較粗的引線和相關接頭、電源，也涉及較大的發熱功率，因此無論是體積、重量、價格都很壯觀；
簡單而精密大電流測量，往往一下子就想到用分流器，比如Fluke A40B，不過這個的體積、價格和附加裝備往往大到難以讓人接受。


大電流比較儀，高端的東西，輕而易舉取得亞ppm，但太貴族了，一般單位伺候不起，這里就盡量不紙上談兵了。
精密大電流的產生不僅需要精密的電流測量裝置，而且需要大功率、綜合電源技術。
各種鉗表，測量大電流盡管很容易，但多為線性霍爾原理，與高精度無緣；羅氏線圈也不行，因此本帖以后也不會加以討論。


方法
M1 分流器
分流器是最常見的測量電流的方法，不過一旦涉及大電流和高精度，就變得復雜起來。首先50mV-75mV太小，而高精度要求較高的滿度電壓輸出，這樣才能減少熱電動勢的影響并給后續測量電路提供方便，但大電流情況下的高電壓輸出勢必產生很大的功率和熱量，這樣不僅對被測電路可能有影響，更主要是發熱引起熱電動勢和非常大的溫漂，當然還有應力和加速老化問題。例如100A電流要是輸出1V電壓，那功率就是100W了，這種發熱功率必須及時盡量散發出去，才能保證因溫度系數而引起的漂移減到最低。
0.1級100A的分流器我有一個，內阻0.75mR，但測量了一下，盡管滿足出廠指標，但偏差、溫漂都不小，不適合作為高精度使用。



我用的比較多的是這個L&N 4223 1mR標準電阻，可以100A（指標如此，當然時間不能長），很準（10ppm級），溫漂也不大（ppm/K級）


另外就是曾經傳說中的RUG-Z了，可以低達1ppm/K的溫漂，這里傳一個pdf文件，暫不做過多解釋，后面有對比表格。 RUG-Z-new.pdf (391.27 KB, 下載次數: 53)

2018-4-13 09:58 上傳

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M2 互感器
盡管具有精度較高的標準電流互感器，可達0.01級，但只能測量交流



M3 磁平衡電流傳感器
結構與互感器有點類似，也有環形鐵心、原邊1匝穿線、副邊多匝，但鐵心有開口，縫隙中放入檢零霍爾器件，副邊通以安匝大小相等方向相反的電流，與原邊不平衡則會被檢測出來，放大后驅動副邊線圈達到平衡。同時這個副邊電流流過測量電阻Rm，達到測量電流的目的。由于此時霍爾器件主要是檢測是否存在磁場，因此對其線性、溫漂等要求很低，所以精度較高，取決于線圈的平衡程度、導磁率、漏磁等。



M4 磁通門傳感器
與上述磁平衡方式比，磁通門傳感器也是閉環零磁通檢測，只不過磁路是閉合的，去掉了線性霍爾零磁通檢測器，代之以額外的檢測線圈，利用高導磁率鐵心在方波激勵下可以飽和的非線性特性來探測微弱磁場。



當檢測線圈D通以足夠的方波電流，磁芯就會反復飽和，如果原邊電流Ip=0，那么在檢測線圈上就可以出現正負峰值對稱的波形。
若Ip有出現使得磁通不為零，則檢測線圈的正負峰值就不對稱了，出現了偶次諧波，這樣就可以經過放大，產生副邊電流Is，使得原邊電流Ip得到補償，磁心重新回到零磁通。以上是磁通門傳感器的簡要描述，實際的工作原理要復雜得多，比如為了不讓周期性的驅動電流反過來向原邊注入，要采取雙磁心，激勵繞組D分成兩半反向串聯抵消，同時在外邊增加第三個空心磁心作為磁屏蔽和有效鐵心，再在上面繞制高頻補償線圈W，最后繞上副邊補償線圈S。較詳細的原理圖如下：



這種現象對被測弱磁場就好比一道門，使得磁場通過調制方式得以轉變成電信號，從而達到測試弱磁場的目的。
由于磁通門檢測具有非常高的靈敏度，因此理論上可以保持嚴格的Ip/Is比率，采取更多的相應措施后，該技術的傳感器就具有非常高的穩定性、良好的線性、超低的溫漂，同時也具有較快的反應時間，適合高精度交直流檢測。

也許有人看出來了，這種磁通門不是與DCC一樣的嗎？其實沒區別的，DCC就是采用了相同的磁通門技術，只不過通常DCC是DCC電阻橋的簡稱，因此感覺更精密。實際上，DCC從最開始就是對比直流電流的，因此也完全適應電流測試。


幾種大電流檢測方法對比表



說明：
1，帶星號（*）的指標為估值
2，盡管使用ppm為單位不規范，但上述廠家都這樣用，所以這里也沿用
3，作為一個4線電阻存在的分流器，幾乎沒有能與RUG-Z匹敵的，博計在其7550A里面用到。RUG-Z最大的優勢是在較大電流下可以做到1ppm/K的溫漂
4，A40B在大電流計量領域比較知名，以高精度和高價格著稱，除此之外還有高聯的7340-100A、高連的9230系列（只適合直流）
5，磁平衡電流傳感器種類繁多，這里只列出LEM的有代表性的一款LC500-S，精度不很高，但隔離式，各項其它性能比較均衡
6，最后一列是本帖的主角：IT 600-S，特點是偏差和長期穩定性指標占絕對優勢的，后面會展開說明。

fuxing 發表于 2015-3-7 18:30
報告lymex老大，我看您拆開的IT600的內部了，有點迷惑，
個人認為其內部是三個磁環，應該有兩個坡莫合金的 ...

根據DCCT的原理，屬于動態跟蹤，因此可以不分交流、直流。

內部結構我畫過簡圖，但考慮到沒有多少人關注就沒帖上來，補充如下：


里面主要磁心找人用儀器測量過，已經標在圖上。
其中灰色和粉色均為高導磁率材料，粉色是超薄鋼帶卷繞，我拆的那個銹蝕嚴重：

二、IT 600-S的歷史

D1，Danfysik 1964年成立，總部丹麥，擅長功率電子器件、加速器技術、高精度電源 http://www.danfysik.com/



D2，Danfysik 1984年在美國申請專利4616174號：DETECTOR CIRCUIT FOR CURRENT MEASUREMENTS（用于測量電流的檢測器電路）
https://www.google.com/patents/US4616174
（其中的pdf文件可以下載）

D3，Danfysik 1987年開始生產Ultrastab高精度電流傳感器，其中866也就是IT600的前身




D4，Danfysik ACP從Danfysik獨立出來，有16人

D5，Danfysik ACP 2008年12月被CapMan收購，收購價8.6M歐元  http://www.investegate.co.uk/article.aspx?id=20081203080000H4771
http://www.capman.com/capman-group/news-and-materials/releases/release/t=CapMan+acquires+Danfysik+ACP+AS/id=18516313

D6，2009年，Danfysik ACP被LEM收購
http://article.cechina.cn/759_Announced_the_acquisition.htm
Danfysik 的紅色Ultrastab電流傳感器至此停產，改換成藍色的頭面。




L1、LEM（萊姆）1972年成立，總部瑞士日內瓦，擅長各種電流傳感器技術
L2、LEM 1997年開始與Danfysik合作，其IT 600-S即為866貼牌
圖：1989年，與IT150共用標簽



圖：2001年的SP1



L3、LEM 2009年買下Danfysik ACP，Ultrastab生產部門
圖：后期生產的IT600



L4、大約2012年，IT 600停產。其后續產品為性能更好的計量型ITZ 600PR
http://www.gmw.com/electric_current/LEM/docs/LEM-DS_ITZFamily-26Jan2012.pdf

三、IT 600-S的指標特性


首先，貼出LEM IT 600-S的指標文件
it 600-s ultrastab.pdf (387.4 KB, 下載次數: 51)

2018-4-13 10:03 上傳

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這個指標其實不太全，考慮到IT 600-S就是Danfysik的866-600，因此給出人家原廠的pdf文件，內容多了不少
DF_MAN_866-2002手冊-16頁.pdf (1.21 MB, 下載次數: 31)

2014-5-25 14:55 上傳

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其中的一頁截圖出來：


從后面向前看：
Output Noise輸出噪聲，低頻<0.05ppm rms，相當不錯
Linearity Deviation線性偏離，<1ppm，很小
Transfer Ratio電流轉移比例
  Deviation偏離<2ppm，實際上是固定偏差，比如600A不是精確的轉換成400mA，而是可能為400.0008mA
  Deviation vs. Temp，偏差溫漂，0.3ppm/K，很小了
Offset 偏離、偏差
  Initial初始偏離、零點，20ppm，這個有點大，實際上零點是比較固定的，可以軟件減掉或硬件調零中和
  Drift vs. Temp，偏離溫漂，0.2ppm/K，非常小
  Drift vs. Time，偏離長穩，1mmp/月，不大
  Drift vs. Supply Voltage，偏離隨供電變化，1.5ppm/%，這個不大，供電比較好穩定


綜合起來看，1年期間，溫度+-5度，即便不調零，也可以達到40ppm。如果調零，加上長穩挑選，可以達到20ppm之內。
這個性能已經強于Fluke A40B-100A很多，同時考慮到這種電流比例是匝數比的關系決定的，很難找到老化因素（匝數比是不隨時間變化的），因此長期看比分流器方式的更可靠。

其實，這個世界上生產高精度磁通門電流傳感器的廠家并不多，連LEM自己原先都沒有，而是后來買來的Danfysik。
除了LEM外，我知道還有荷蘭HITEC公司有幾個系列，但指標與LEM的相比要差一些。另外還有一家Danisense，也是丹麥公司，生產0.01%的類似傳感器。
西班牙Premo的，精度不太高，其解剖圖：



大概是由于發超連的帖子要審核的原因，因此此跟帖先不發連接，這樣可以馬上出現，有鏈接的隨后發出。

（續IT 600-S的指標特性）
LEM IT系列高精度磁通門傳感器：http://www.lem.com/hq/en/component/option,com_catalog/task,displayserie/serie,IT%2060-1000%20S/output_type,/
HITEC高精度磁通門傳感器：http://www.hitecsms.com/?RubriekID=4024
Danisense高精度磁通門傳感器：http://www.danisense.com/
西班牙Premo的，http://www.grupopremo.com/zh/pro ... 00atransducers.html

四、IT 600-S的測試

按理說，像LEM這樣的知名廠家，其產品的指標不會有問題。
不過，一方面出于不太相信真有這么高的指標的東西，另外也必須驗證一下才能使用，所以還是各方面進行了測試。
貌似這么高精度的東西，需要更高精度的測試環境才能測試，但實際上并不盡然，很多指標不需要或可以繞道。

外部測試內容、方法、結果如下：
靜態耗電，+15V為220mA、-15V為33mA，與指標基本相符。
動態耗電，原邊加上+600AT后，副邊出+400mA，則+15V耗電620mA，-15V33mA
動態耗電，原邊加上-600AT后，副邊出-400mA，則+15V耗電220mA，-15V433mA
零點測試，指標20ppm，實測均滿足，在2ppm-15ppm的均有
零點漂移測試，絕大部分加電后很快穩定，再開機半小時變化不到2ppm。只有一個漂移比較大，后來拆開看原因是進水生銹所導致。
零點對供電的抑制，滿足指標。其中對-15V的抑制非常好，比指標好幾倍。
零點對放置方向的敏感度，不敏感（<0.5ppm）
零點開機重復性，<1ppm
零點對強磁場耐受性，不太敏感。用強力稀土磁鐵（直徑25mm）靠近線圈，距離2cm，有10ppm變化，并有1ppm不恢復
零點的噪聲，0.02ppm rms（分母為滿度），用3458A采樣間隔2秒。
以上測試，Burden電阻=Rm=10R，除了用3458A測噪聲外沒有其它精密設備。

線性和大電流特性測試
采用電流背靠背方式，也不需要精密設備儀器，就能得到結果。
什么是電流背靠背測試？一步步的看。
通常，對比兩個傳感器，是用套裝置、兩個Rm、兩個電壓表讀取電壓，然后對比


這種是最原始、最本分的方法，但對比精度很差，或者說所用的Rm和電壓表直接影響對比精度。某論文（見附件）就是采用這種方法對比的


第二種對比方法，是電壓背靠背，兩個傳感器最好獨立供電，這樣兩個Rm可以接到一起而沒有電流流過，兩個Rm的差值用電壓表讀出。此法基本可以忽略電壓表的誤差，但兩個Rm的偏差和溫漂等不能忽略，或者說需要非常精密的Rm才能做好對比



第三種方法是副邊電流背靠背，需要兩個傳感器獨立供電，然后兩個副邊電流反接，共用一個Rm，理想情況下Rm讀數為0，非0代表對比偏差。
此法對比精度高，既不依賴于表，也不依賴于Rm，而且Rm可以選的比較大，可以提高對比靈敏度。


第四種方法是原邊電流背靠背，兩個傳感器不需要獨立電源，只需原邊穿線一個為正、另一個為負。缺點是正、負對比，但優點也可以說進行了正負對比，同時對電壓表和Rm也沒有要求。本次對比就是采用了此法。


當然，對比得到的結果是兩個傳感器的互差，即便結果很小，可能是都小，也可能是兩個傳感器偏離誤差基本一致?？紤]到進行了不同年代的傳感器的多次對比，結果偏差都很小，因此可以排出后者。換句話說，“對”可以對到一起，“錯”不可能總錯到一起。



對比結果，穩定性、線性，在2ppm之內：



原邊繞線位置的影響
為了能夠在沒有大電流源的場合得到等效600A電流，采用了原邊多次穿繞的方法，這樣串繞30T就可以用20A得到600AT，或者60T*10A=600AT，而10A、20A的電源沒有問題（IT6322、IT6122、Advantest R6246）。
但這樣一來，穿繞的方式就可能對測試結果造成影響。
為了能夠使得影響盡量小，繞線采取盡量均勻的方式。但后來實測，背靠背測試時，改變其中一個傳感器的繞線的位置幾乎看不到有什么影響，定量看影響<1ppm。

很極端的例子，從外殼上打洞、穿線，結果都不錯。



小電流下的線性
這是我一個朋友Tony測試的，用Datron 4700輸出電流信號，最大只測試到24AT，結果還是相當不錯的（分母為600AT）。



總之，IT 600-S表現不錯，符合指標。不是非常理想的地方就是零點的開機特性，在短時間內有漂移，而且開機的重復性也是接近1ppm的變化，這個可能與器件受潮和內部生銹有關。

五、IT 600-S的構造

指標這么高的東西，是什么原理？怎么實現的？內部結構如何？

首先，內部照片









其次，電路圖
花了兩天多時間，抄出電路圖。由于是貼片元件為主，還有很多元件不知參數，因此沒有100%完成，也不保證100%正確



主要元件
7805，穩壓，從+15V得到+5V
LM675T，功放、最后輸出
OPA177×2，放大
TL072，保護
LM555，脈沖發生器
74LS74，整形、時序
T1、L2、IC3=SN75453B等，激勵
U4=DG403，相敏檢測
元件看沒啥特別的，當然主要在于系統設計。兩個變壓器T1和L2可能比較關鍵，當然最主要的還是磁頭。

接線說明


2-1-3為雙激勵/檢測線圈，內阻很小
4-5為補償線圈，內阻4.2歐,補償高頻響應
6-7、8-9為雙副邊線圈，在PCB上接成串聯，內阻12歐×2


磁頭部分

六、IT 600-S的使用與應用

外部接口

其實很簡單，9、5腳為+-15V供電，4為公共地，6接Rm電阻到地。
3、8是一個光耦狀態輸出，通為正常工作


Rm選擇

這個非常關鍵，其指標直接影響最終性能。原廠有Rm成品賣，里面只是4個塑料塊而已，真是白瞎了那么好的傳感器，出口竟然成為瓶頸。






塑料塊功率小，溫漂也不算小，耗散0.4W的時候溫升較大，造成溫漂大，可能達到10ppm以上。另外，塑料塊年穩定性為25ppm，也是很糟糕的。
建議的Rm是VHP4或VHP4Z，為TO3金封，具有5ppm的年穩，而且由于耗散功率大（加散熱措施），所以溫升小，溫漂可以做到5ppm左右。


類似的電阻為VPR247/VPR247Z，指標與VHP4/VHP4Z一樣



電流測量儀
這個其實不復雜，除了IT 600-S外，需要有電源、Rm、外殼和接口。下面的就是一個成品：








這個測試器的測量頭是外置的，比較靈活。最后一張圖是帶有一個外置的Shunt=Rm，這個盡管靈活，但恐怕性能不好，還是推薦內置的VHP4。

我自己正在組裝的一個測量器，還沒做完，用了HP3455的外殼，里面有兩個IT 600-S，除了電流測量外，還有一個用于120A恒流發生器。


簡化的電路圖：


由于采用了具有較大延遲的DCCT和具有較大電容負載的MOS管，因此放大器必須進行環路補償措施，留有足夠的相位裕度，以免振蕩。
這個測試儀等我做好后，會單獨發個帖子進行介紹。

高精度穩流源
我自己做的一個未完成的照片見上，120A的，我的目標短穩要做到10ppm之內。
網上有一個Feshbach項目，用此類傳感器產生高精度100A恒流源


這個恒流源其實是用了200A的傳感器，同時電源部分是用的成品，因此只能說是一個電流負載。不過，原理是一樣的，短穩做到了20ppm之內。
這個是多倫多大學的某人某項目，連接我就不貼了，狗一下“Fesh-MOT Coils”可以找到，有電路圖、制作說明和更多的照片。

某電源采用了一個200A的傳感器



核磁共振中的gradent （梯度）放大器
MRI核磁共振需要精確、快速可控的大電流，這使得IT 600-S成為不二之選。找不到實物照片，但有很多文章討論這個





粒子加速器、約束
這些場合都需要強大、精確而穩定的磁場，這就需要穩定的大電流，也是Danfysik最初的由來，此種場合需要用多個大電流發生器進行并聯，而每個電流發生器均采用IT 600-S或類似的DCCT。

七、類IT 600-S的制作

國內制作類似傳感器的例子有不少。
比較系統的一個例子，是中科院上海原子核研究所的一篇博士論文：
(博士學位論文)新穎高性能電流傳感器的研制.part2.rar (1.04 MB, 下載次數: 49)

2018-4-13 16:48 上傳

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(博士學位論文)新穎高性能電流傳感器的研制.part1.rar (1.14 MB, 下載次數: 59)

2018-4-13 16:48 上傳

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這個就是以IT 600-S為原型參照制作的，但性能上還是有較大的差距，比如溫漂16ppm/K、線性只做到30ppm附近。

其它還有很多，上傳一些，不一一說明，文章標題自明：
磁調制式直流小電流有源傳感器.pdf (233.19 KB, 下載次數: 18)

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基于磁通門原理的高精度電流傳感器的研制.pdf (1.12 MB, 下載次數: 24)

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基于零磁通原理的高精度小電流傳感器的研究.pdf (156.89 KB, 下載次數: 14)

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零磁通型高精度微電流傳感器.pdf (127.15 KB, 下載次數: 13)

2018-4-13 16:48 上傳

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新穎高性能電流傳感器研究.pdf (217.6 KB, 下載次數: 14)

2018-4-13 16:48 上傳

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應用于高精度穩流電源的直流零磁通誤差傳感器.pdf (165.64 KB, 下載次數: 12)

2018-4-13 16:48 上傳

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(專利)多通道開口式直流大電流比較儀.pdf (465.8 KB, 下載次數: 23)

2018-4-13 16:23 上傳

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20000A直流電流比較儀-有繞法.pdf (410.6 KB, 下載次數: 24)

2018-4-13 16:48 上傳

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縱觀這些制作，性能與IT 600-S比，差距都很大。也難怪，IT 600-S是DCCT的佼佼者，其它廠家的DCCT，包括其自己其它絕大部分的DCCT，指標都不如。
因此，若想制作一個高性能的DCCT，可以從IT 600-S入手，過程大概如下：
1，仿制一個IT 600-S電子電路板部分模型，接口一樣，裝到IT 600-S的磁頭上，測試驗證通過
2、改進這個電路板，采用新型高性能元件、改進的電路，做到小型化、耗電省、指標提高
3、仿制一個磁頭原型，裝到IT 600-S的控制板上，測試基本通過
4、該磁頭原型裝到自己制作的控制板上，測試通過。如果3能通過但4不能通過，說明還是板子有問題，回頭轉2
5、改進這個磁頭，比如換用磁導率更高的材料、改進結構，使得指標能有所改善。

八、其它

工作中的IT 600-S熱像




拆開、除去多余塑料、降低磁頭高度的IT 600-S，繞上了600A、120A和30A的測量漆包線



曾經繞過100T



幾個朋友對IT 600-S的測試照片









細線繞線的話可能很熱



DCC結構圖

九、參考資料
itz 600-spr flex ultrastab-新-Rack.pdf (1.18 MB, 下載次數: 32)

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600A直流電流自動化測量系統的建立.pdf (136.2 KB, 下載次數: 16)

2018-4-13 16:49 上傳

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100A直流大電流標準及檢定系統.pdf (80.85 KB, 下載次數: 25)

2018-4-13 16:49 上傳

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直流2000A大電流標準裝置及檢定系統.pdf (224.17 KB, 下載次數: 29)

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JBT 10056-1999 直流電流互感器技術條件.pdf (493.41 KB, 下載次數: 14)

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【全文完】

先回復，大電流我們單位一直是一個問題

先回復，大電流我們單位一直是一個問題
八一八 發表于 2014-5-26 14:06

直流大電流的檢測嗎？可以聯系我18971082037

給lymex老師跪了，太認真了。ITZ系列沒仔細研究過，從指標猜大概基于比較儀原理的，直流測量應該十分準確，直流電流勉強可以溯源，但是這款傳感器標稱帶寬很寬，能到到50kHz~100kHz，比較難校準，實際測試應該帶寬在10kHz以內。

感謝介紹  很實用

可以看出作者在對600-S的研究上做足了功夫,對計量工作者是很好的財富

lymex的文章看起來就是舒服，圖文并茂的
明天讓他們單位搞這塊的人來拜讀一下

認真學習可以受益匪淺

真是受益匪淺！
實用、適用、活用。

報告lymex老大，我看您拆開的IT600的內部了，有點迷惑，
個人認為其內部是三個磁環，應該有兩個坡莫合金的磁環和一個鐵氧體的磁環，
兩個坡莫合金的磁環主要解決直流測量的問題，
而鐵氧體的磁環主要解決交流測量的問題，
但是，我看圖片好像只有一個坡莫合金磁環，兩個鐵氧體磁環，實在是迷惑，老大指點一下

lymex 發表于 2014-5-25 23:05
九、參考資料

厲害?。?！ 圖片顯示不了，lymex老師，，

fuxing 發表于 2015-3-7 18:30
報告lymex老大，我看您拆開的IT600的內部了，有點迷惑，
個人認為其內部是三個磁環，應該有兩個坡莫合金的 ...

結構就是我2樓的圖，兩個灰色部分應該就是坡莫合金磁環。

lymex 發表于 2016-9-13 00:23
結構就是我2樓的圖，兩個灰色部分應該就是坡莫合金磁環。

看了您2樓的結構圖，我猜測
粉色0.03mm薄鋼帶 是 坡莫合金帶（有可能是1J85，1J86等）主要用于磁屏蔽
灰色部分 有可能是鉬坡莫合金磁粉芯，不是帶狀繞組而成
綠色部分 可能是 鐵氧體磁環
至于 深紅色 和黑色是不是起固定作用，沒有其他作用

老大您怎么看？請指點

老大對于繞線影響測試交流性能是否有經驗？ 非線性在電流大，頻率高時有明顯諧波。謝謝

很牛的帖子，謝謝樓主，但是圖片顯示不了啊，如何顯示？