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医用电气设备电磁兼容性现场发射测试浅析

2025-03-27 85 上传者：管理员

摘要：医用电气设备电磁兼容性现场发射测试对于设备的性能和安全性至关重要。为探讨测试要求，结合国内现行标准，以基本测量过程分析及测量原理概述为出发点，以传导发射/端子骚扰电压测试、辐射发射/电磁辐射骚扰测试、谐波失真及电压波动和闪烁为具体测试探索脉络，最终得到测试项目及要求，希望对相关人员在该领域的工作和学习有所启发。

关键词：
医用电气设备
发射测试
发射测试部分
现场测试
电磁兼容性
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根据YY9706.102—2021《医用电气设备第1-2部分:基本安全和基本性能的通用要求并列标准:电磁兼容要求和试验》[1]的要求,医用电气设备需要进行电磁兼容性测试｡但部分受试设备由于尺寸太大不便于搬运,又或者是需要在现场安装调试后才能运行,不能在试验场地进行测量,需要在现场进行电磁兼容性测试｡

鉴于此,本文对医用电气设备需要在现场进行电磁兼容性测试的情况,给出了发射测试部分的说明及要求,从电磁兼容性检验中传导发射/端子骚扰电压测试､辐射发射/电磁辐射骚扰测试､谐波失真及电压波动和闪烁共四个发射类测试项目分别进行叙述,以期与相关从业人员进行交流和探讨｡

1、传导发射/端子骚扰电压测试

为量化医用电气设备沿供电线向外传导的电磁骚扰大小而进行该项目测试｡按标准GB4824—2019《工业､科学和医疗设备射频骚扰特性限值和测量方法》[2]中条款6.4.1的规定“在现场测量的条件下,不要求传导骚扰的评估”,标准中未给出不进行评估的原因,造成执行该标准的工作者出现测试和不进行测试两种做法｡

本文遵循现场测试不应进行传导发射/端子骚扰电压测试的结论,结合实际电路模型,从规范测量的角度阐述原因｡

GB4824—2019中条款7.3.2.2指出,“工科医设备交流电源端口传导发射测试中应用到的人工电源网络为V型AMN(V-AMN)”[2]｡同时,标准GB/T6113.102—2018《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第1-2部分:无线电骚扰和抗扰度测量设备传导骚扰测量的耦合装置》[3]的术语和定义中3.1.6规定,“V-AMN用于测量非对称电压”｡对照两份标准后可知,对于工科医设备交流电源端口的传导发射测试项目,要测试的目标是非对称电压｡

已知GB/T6113.102—2018的术语和定义中3.1.3~3.1.5给出了不对称电压(共模电压)､对称电压(差模电压)和非对称电压(各电源端子对地电压矢量的幅值)的定义及计算公式｡根据标准,Va表示其中一个电源端子与地之间的电压矢量,Vb表示另一个电源端子与地之间的电压矢量,结合测试目标得到实际测试是在量化Va和Vb｡

使用变量Vcm表示共模电压､Vdm表示差模电压,可得公式Vcm=(Va+Vb)/2和Vdm=Va-Vb｡利用公式可将非对称电压表示为Va=Vcm+Vdm/2和Vb=Vcm-Vdm/2｡通过这里的数学模型进一步得出结论,标准要求测试的非对称电压Va和Vb实际上包含共模电压和差模电压两部分[4]｡

对应到共模电压和差模电压实际应用中产生的骚扰过程,绘制图1和图2;并结合实际测量过程,需将V-AMN放置在图中电源所画位置处,通过图例做进一步分析｡

首先,在通常情况下,现场测量的过程中无法为V-AMN提供一个良好的参考地｡通过图1和图2可知,此时差模电压和共模电压均不是准确值,故测得的非对称电压不准确｡其次,若通过采用符合标准要求的金属接地板为V-AMN提供一个良好的参考地,但无法为受试设备(以下简称EUT)提供同样的金属接地板或参考地时(通常进行现场试验的EUT均属于大型设备､不可/不便于移动或永久安装的设备,所以无法在其下面铺设金属接地板),通过图2可知,V-AMN与EUT的参考地存在电压差,即无法统一参考地零点位点,此时共模电压不是准确值,故测得的非对称电压不准确｡最后,即使实现了为整个EUT和V-AMN提供统一的金属接地板,由于现场环境的复杂程度,无法保证接地金属板的平整以及接地阻抗的均匀性,会导致实际参考地并不一致｡通过图2可知,此时共模电压不是准确值,故测得的非对称电压不准确｡

图1差模电压原理示意图

图2共模电压原理示意图

综上所述,现场测试中若进行本项目测试,所测得的不对称电压会随着测试场所地面的不平整程度变化而变化｡现场场地内无法提供统一的参考地而不能得到准确的非对称电压,故现场测试中不要求传导发射的评估,不需要进行本项目的测试｡

值得注意的是,若现场测试中不进行本项目测试,实际上的EUT沿线缆传导的低频段电磁骚扰并未得到量化及限值控制｡这也为未来提供了研究方向,可以考虑使用替代量值来取缔目前的非对称电压的测量,只要替代量值能够反映电磁骚扰大小,应该是一种可行的方案｡

2、辐射发射/电磁辐射骚扰测试

GB4824—2019中条款6.1规定,“A类设备可由制造商提出在试验场地或现场测量;B类设备应在试验场地进行测量”,即只有制造商规定EUT为A类的时候才允许在现场进行测试｡同时,GB4824—2019中条款6.4.2给出的2组A类设备的限值表格的数据是固定限值,且测量距离与辖区的周界相关,故不对2组A类产品展开电磁辐射骚扰测试｡本文中默认EUT为1组A类产品,下面从限值､布置､测试要求和运行模式四个方面分析现场测试中的电磁辐射骚扰｡

2.1关于限值

根据GB4824—2019中条款6.4的描述,标准将测试距离定为30m及以上,从业者应严格按照标准执行｡然而实际测试中发现,若将测试距离规定为30m及以上时会存在两个问题:一是以目前国内大多数城区内的建筑密度而言,30m之内一般存在非预期的障碍物,在这个距离下进行测量,几乎不可能测得EUT的发射值;二是城区内的电磁环境复杂,这个距离下测得的值一般为各类背景噪声｡考虑到上述实际情况,可将测试距离修订为一般性的3m或10m(测试距离不得小于3m),再根据此距离换算对应限值｡

此外须知,现场测试中1组A类设备的电磁辐射骚扰的测量要包含磁场分量的测量,这有别于1组A类设备的试验场地电磁辐射骚扰的测量(只需要进行电场分量的测量)｡以下分别对两种分量给出对应的限值｡

磁场分量:引用GB4824—2019表16中给出的30m及以上测试距离下的限值要求,将测试距离修订为3m或10m,因此需要将限值要求做规定距离归一化处理,但不能使用“-20dB/十倍距离”的因子直接对原限值进行叠加,因为目前的距离要求小于30m｡关于本部分的限值要求,参照参考文献[5]执行(仅限磁场分量限值)｡

电场分量:根据GB/T6113.203—2020《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第2-3部分:无线电骚扰和抗扰度测量方法辐射骚扰测量》[6]条款7.7.3.2中要求,如果不能在标准距离下测量场强,可以通过下式进行场强转换:

式中:Estd为标准距离上的场强;Emeas为测量距离处的场强;dmeas为测量距离;dstd为标准测量距离;n取决于测量距离dmeas,若30m≤dmeas,n=1,若10m≤dmeas<30m,n=0.8,若3m≤dmeas<10m,n=0.6｡

由上可知,测试距离为3m时,n取值0.6;测试距离为10m时,n取值0.8,得出推荐距离下的电场分量限值要求如表1所示｡

值得注意的是,GB/Z6113.205—2013《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第2-5部分:大型设备骚扰发射现场测量》[7]条款6.1中规定,“若EUT安装高度较高(例如高楼的顶部),则测试距离计算公式根据一般性经验判断,大型医用电气设备或系统一般可以与天线处于同一水平面进行测量”,故本文不针对测试距离的特殊情况处理展开讨论｡

2.2关于布置

由于标准要求现场测试时天线的高度不变,故当EUT的高度超过一定范围时,测试电场分量使用的对数周期天线在垂直极化方向上存在天线主瓣波束无法覆盖整个EUT的情况[8]｡如图3所示,d是测试距离､θ是天线主瓣宽度,垂直极化方向测量时波束覆盖高度H=2dtanθ2,故建议根据计算的覆盖高度调整天线仰角φ(不应超过70°),实现整个EUT的覆盖,以获得最大读数｡

同时注意,天线与接收机的线缆应放置在测试环境外,测量天线与附件任意金属物体的距离大于2m｡

图3天线布置图

2.3关于测试要求

按上述描述位置放置好天线,并连接接收机｡首先断开EUT电源,使用峰值检波器对EUT周围环境进行测量,尽量保证环境噪声至少低于测量限值6dB[9]｡

若在某一特征频率及其多个倍频上出现单脉冲,通常可找到对应产生该骚扰的电气单元[10]｡测量前应关闭对应的电气单元,以保证环境噪声满足上述要求｡当环境噪声依旧存在超过限值的背景噪声频段/点时,需记录在报告中｡只要在正式测量时得到的值不再使得此频段的环境噪声再升高3dB即可｡

2.4关于运行模式

EUT的运行模式由制造商关于预期产生最大发射电平的典型应用来确定｡如果EUT已经规定了额定运行时间,那么其运行时间按规定执行,否则EUT在测试过程中应保持持续运行｡EUT具有多运行模式或功能时,每一种运行模式或功能均应进行测试,且在该模式下的发射值应符合标准要求;若设备的多种功能可同时运行,则发射测量时应同时运行这些功能[11]｡

表1电场分量限值表

3、谐波失真及电压波动和闪烁

上文提到默认本文讨论的EUT按GB4824—2019分类为A类｡GB4824—2019条款5.2中定义A类设备为“非居住环境和不直接连接到住宅低压供电网设施中使用的设备”｡对于医用电气设备而言,谐波失真及电压波动和闪烁这两项测试的目的为“公共电网的保护”,不在A类设备定义范围内,故现场测试中此两项测试不适用｡

4、结束语

综上所述,医用电气设备的电磁兼容性现场发射测试是一个复杂而细致的过程,需考虑多种因素以确保测试结果的准确性和可靠性｡本文对传导发射､辐射发射以及谐波失真等关键测试项目进行了深入分析,并针对现场测试的特殊性提出了相应的解决方案和建议｡尽管现场测试存在诸多挑战,但通过合理的设计和严格的执行,仍能有效地评估医用电气设备的电磁兼容性,确保其在实际使用中的安全性和稳定性｡建议未来的研究继续关注现场测试方法的优化以及可能的替代量值的开发,以进一步提高测试效率和准确性｡

参考文献:

[1]国家药品监督管理局.医用电气设备第1-2部分:基本安全和基本性能的通用要求并列标准:电磁兼容要求和试验:YY9706.102—2021[S].北京:中国标准出版社,2021.

[2]国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.工业､科学和医疗设备射频骚扰特性限值和测量方法:GB4824—2019[S].北京:中国标准出版社,2019.

[3]国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第1-2部分:无线电骚扰和抗扰度测量设备传导骚扰测量的耦合装置:GB/T6113.102—2018[S].北京:中国标准出版社,2018.

[4]郭军朝,屈新田,孙平,等.传导发射内涵与仿真案例分析[J].计算机辅助工程,2020,29(2):51-54.

[5]邹明明,宋盟春,陈婷,等.大型医疗设备或系统辐射骚扰现场测试方法研究[J].电气技术,2017(12):104-109.

[6]国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会.无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第2-3部分:无线电骚扰和抗扰度测量方法辐射骚扰测量:GB/T6113.203—2020[S].北京:中国标准出版社,2020.

[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范第2-5部分:大型设备骚扰发射现场测量:GB/Z6113.205—2013[S].北京:中国标准出版社,2014.

[8]刘培国,覃宇建,卢中昊,等.电磁兼容现场测量与分析技术[M].北京:国防工业出版社,2013.

[9]徐甜甜,孟志平.大型医疗设备辐射抗扰度现场测试中的射频源简析[J].医疗装备,2023,36(16):27-30.

[10]朱成科,李庆雨,刘美丽,等.医用空气加压氧舱电磁兼容现场测试方法的研究[J].中国医疗设备,2018,33(11):62-65.

[11]朱成科,张敏,范书健,等.基于标准的医用电气设备电磁兼容整改可行性和关联性分析[J].中国医疗设备,2020,35(3):5-8.