醫(yī)用空氣加壓氧艙電磁兼容現(xiàn)場測試方法的研究

朱成科，李慶雨，劉美麗，徐志洲

山東省醫(yī)療器械產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心 電磁兼容室，山東 濟(jì)南 250101

引言

大型醫(yī)用電氣設(shè)備或系統(tǒng)的電磁兼容現(xiàn)場檢測是目前研究的熱點問題之一。醫(yī)用空氣加壓氧艙（以下簡稱氧艙）為大型永久安裝系統(tǒng)，安裝調(diào)試后交付使用，其組成和安裝位置不再變化。醫(yī)用空氣加壓氧艙通常由艙體、供排氣系統(tǒng)、供排氧系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，一般涉及的分布式系統(tǒng)單元主要包括控制臺、空氣壓縮機(jī)和空調(diào)等，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且各單元間互連電纜較多。由于永久安裝、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因造成其無法在實驗室進(jìn)行檢測。

氧艙符合YY0505-2012中所定義的大型設(shè)備或系統(tǒng)，即：不能在2 m×2 m×2.5 m空間內(nèi)安裝的設(shè)備或系統(tǒng)，其中不包括電纜，但包括分布式系統(tǒng)。由于大型醫(yī)療設(shè)備或系統(tǒng)的永久安裝、體積過大、使用環(huán)境等原因，不能進(jìn)入實驗室進(jìn)行型式試驗，根據(jù)GB 4824-2013/CISPR 11:2010和YY 0505-2012/IEC 60601-1-2:2004等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，結(jié)構(gòu)上不能進(jìn)行子系統(tǒng)模擬運行的大型永久安裝設(shè)備或系統(tǒng)可在其使用場所進(jìn)行現(xiàn)場測試[1-2]。

但是，目前國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了在實驗室條件下的型式試驗，而對電磁兼容現(xiàn)場測試的要求和方法都不同程度存在一些問題。本文主要結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場環(huán)境對氧艙的電磁兼容現(xiàn)場測試項目及其試驗方法進(jìn)行了介紹。

1 發(fā)射試驗

1.1 傳導(dǎo)發(fā)射

GB 4824-2013中規(guī)定在現(xiàn)場測試的條件下，不要求傳導(dǎo)發(fā)射的評估[3]。但是氧艙通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、且運行功率較大，產(chǎn)生較大傳導(dǎo)騷擾值的概率高，鑒于風(fēng)險分析方面的考慮，此類設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射應(yīng)符合實驗室標(biāo)準(zhǔn)測試的限制要求。

試驗時將接地參考平面靠近氧艙放置，人工電源網(wǎng)絡(luò)置于接地參考平面上并良好接地，距離氧艙最近表面0.8 m，因?qū)嶋H配備電源線長度不固定，為規(guī)范測試均采用1 m長電源線進(jìn)行試驗。

1.2 輻射發(fā)射

如何做好輻射發(fā)射現(xiàn)場測試，使得測試方法更加科學(xué)規(guī)范，是目前電磁兼容現(xiàn)場測試的難點[4-6]。天線的選取與布置、環(huán)境噪聲的影響、測試位置的選擇和測試距離的選取是輻射發(fā)射現(xiàn)場測試需要重點注意的問題。

天線的選取與布置。輻射發(fā)射現(xiàn)場測試頻率范圍包括150 kHz～30 MHz 和 30 MHz～1 GHz。150 kHz～30 MHz 測試輻射發(fā)射的磁場分量，采用環(huán)形天線在1 m高度（小環(huán)天線底部距離地面）測量，環(huán)形天線垂直放置，測試時天線沿軸線旋轉(zhuǎn)尋找最大的騷擾發(fā)射，對于額定功率≤20 kVA的氧艙不進(jìn)行此頻段測試，且關(guān)于此頻段磁場分量的測量實驗室型式試驗并不做要求。30 MHz～1 GHz測試輻射發(fā)射的電場分量，分別采用雙錐天線和對數(shù)周期天線固定在（2±0.2）m高度，在水平和垂直兩個極化方向上分別進(jìn)行測量。

環(huán)境噪聲的影響。氧艙主要安裝于大型醫(yī)院，其周圍往往存在著大量的動態(tài)或靜態(tài)環(huán)境輻射源，如各種廣播信號電臺、移動基站、雷達(dá)、電視塔、高壓輸電線和各類大功率設(shè)備等。這些輻射源的電磁特性是非常復(fù)雜的，有的環(huán)境噪聲電平遠(yuǎn)大于被測設(shè)備的輻射信號。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時避免騷擾過大對測試設(shè)備造成損壞，現(xiàn)場試驗時首先應(yīng)盡量關(guān)停附近的大功率電氣設(shè)備，測試點遠(yuǎn)離基站、廣播電視塔、變電站等強輻射源，測試時間盡量選擇夜間非工作時間段，以此最大限度的減少測試時的環(huán)境噪聲，其次可通過縮短測試距離提高限值的方法來達(dá)到環(huán)境噪聲比限值低6 dB的要求。

當(dāng)環(huán)境噪聲電平和氧艙輻射發(fā)射電平的合成電平數(shù)據(jù)不超過規(guī)定限值時，可以認(rèn)為氧艙的輻射發(fā)射滿足規(guī)定限值的要求；而當(dāng)兩者的合成數(shù)據(jù)結(jié)果超過規(guī)定限值時，如果在超過規(guī)定限值所對應(yīng)的每一頻率點上都能表明同時滿足環(huán)境噪聲電平比合成電平至少低6 dB且環(huán)境噪聲電平至少比規(guī)定限值低4.8 dB，則認(rèn)為發(fā)射不符合要求[7-9]。150 kHz～30 MHz測試磁場分量時，如果環(huán)境噪聲電平超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，氧艙產(chǎn)生的發(fā)射使環(huán)境噪聲電平抬高不超過3 dB，則認(rèn)為發(fā)射是符合要求。

測試位置的選擇。對于現(xiàn)場測試應(yīng)盡可能選取較多的測量點，至少應(yīng)在正交的四個方向上測量，見圖1，還應(yīng)在任何可能對無線電系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響的方向上進(jìn)行測量。如果由于現(xiàn)場環(huán)境原因無法滿足，測試時可根據(jù)氧艙設(shè)備結(jié)構(gòu)特性在懷疑的位置進(jìn)行快速預(yù)掃描，找到幾個最大發(fā)射方向后再進(jìn)行完整測試。

圖1 輻射發(fā)射3 m距離測試圖

測試距離的選取。GB 4824-2013僅規(guī)定了30 m測試距離的限值，在環(huán)境噪聲電平過高或測量場地條件無法滿足的情況下，可按每10倍距離20 dB的反比因子對距離和限值進(jìn)行調(diào)整，考慮到氧艙設(shè)備尺寸較大，距離較近可能存在不確定的近場效應(yīng)，測量距離應(yīng)不能小于3 m。

通過現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，距離建筑物外墻30 m，由于建筑物隔離防護(hù)等因素測得的騷擾信號基本為環(huán)境噪聲，所以僅通過對距離建筑物外墻30 m的輻射發(fā)射測試不能充分反映氧艙的發(fā)射特性，尤其是安裝于醫(yī)院的大型醫(yī)療設(shè)備或系統(tǒng)，鑒于風(fēng)險分析方面的考慮，應(yīng)對距離醫(yī)用空氣加壓氧艙3 m或10 m的位置進(jìn)行測試評估。

2 抗擾度試驗

氧艙適用的抗擾度項目涉及靜電放電、輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群、浪涌、傳導(dǎo)抗擾度、電壓暫降及短時中斷和工頻磁場。

2.1 靜電放電

氧艙的靜電放電試驗要求：接觸放電為±6 kV（包括與金屬外殼部分的直接接觸放電和垂直耦合板的間接放電），空氣放電為±8 kV。

現(xiàn)場試驗布置與試驗室型式試驗主要的不同是接地參考平面的尺寸和擺放位置?，F(xiàn)場測試為了便于放電回路電纜的連接，接地參考平面鋪設(shè)在地面上并保持與氧艙0.1 m的距離，其尺寸大小為2 m×0.3 m[10]。

氧艙的靜電防護(hù)薄弱點常見的有控制臺的顯示器、測氧儀、溫度儀、對講通訊設(shè)備和多媒體系統(tǒng)，試驗中應(yīng)重點關(guān)注。

2.2 輻射抗擾度

YY0505-2012規(guī)定結(jié)構(gòu)上不可實現(xiàn)子系統(tǒng)模擬運行的大型永久安裝設(shè)備和系統(tǒng)，可免于GB/T17626.3規(guī)定的試驗要求，如果使用該豁免條件，那么其應(yīng)在安裝現(xiàn)場或開闊試驗場，利用出現(xiàn)在典型健康監(jiān)護(hù)環(huán)境中的射頻源（如無線電話、對講機(jī)和其他合法發(fā)射機(jī)）進(jìn)行型式試驗，試驗頻率應(yīng)是80 MHz～2.5 GHz上受ITU支配的工科醫(yī)設(shè)備頻段。

為模擬實際環(huán)境的干擾，通常有兩種方法：第一種方法是用手機(jī)、對講機(jī)、無線路由器等能產(chǎn)生輻射干擾的常規(guī)電子設(shè)備對氧艙各部件依次進(jìn)行近場干擾，但此類方法存在的問題是，首先典型射頻源比較多，存在模擬不全面的情況；其次手機(jī)和對講機(jī)等產(chǎn)品較多，它們的輻射頻率和輻射強度等特性不一致，因此較難實現(xiàn)統(tǒng)一且具有代表性的規(guī)范，因此，該方法不是首選方法。第二種方法是參照IEC 60601-1-2:2014標(biāo)準(zhǔn)的RF無線通信設(shè)備鄰近場輻射抗擾度測試[11]，見表1。通過近場干擾測試設(shè)備模擬常規(guī)對講機(jī)、移動通訊、藍(lán)牙和Wi-Fi等頻段的干擾測試。該方法具有覆蓋頻段多、重復(fù)性高、可規(guī)范化、可操作性強等優(yōu)點，因此是首選方法。

2.3 電快速瞬變脈沖群

氧艙的電快速瞬變脈沖群試驗電平：±2 kV對電源線，±1 kV對長度不小于3 m的信號電纜和互連電纜。

表1 IEC 60601-1-2:2014 RF無線通信設(shè)備鄰近場輻射抗擾度測試

由于氧艙為大型永久安裝系統(tǒng)且在安裝后試驗，采用尺寸最小為1 m2的接地參考平面靠近氧艙放置，接地參考平面進(jìn)行良好接地，測試儀器放置于接地參考平面上，對于電源線的測試，耦合裝置與氧艙間采用（0.5±0.05）m長度的電源線。

電源端脈沖群信號的注入可使用33 nF電容直接注入的方法，尤其針對較大額定電流工作設(shè)備，例如氧艙組件的空氣壓縮機(jī)，可直接通過33 nF的耦合電容將干擾信號耦合至電源線端口處。

為盡可能逼近的模擬實際的電磁環(huán)境，在進(jìn)行安裝后現(xiàn)場試驗時應(yīng)該不用去耦網(wǎng)絡(luò)。但考慮到試驗本身不僅可能對受試設(shè)備有破壞性，對位于同一地點或同一供電網(wǎng)下的其他設(shè)備也可能造成損傷或不可接受的影響。為避免造成其他影響，一般經(jīng)用戶和制造商雙方同意后，試驗仍可使用去耦網(wǎng)絡(luò)[12]。

2.4 浪涌

氧艙的浪涌試驗要求為：交流電源線線對線±0.5 kV和±1 kV，交流電源線線對地±0.5、±1和±2 kV。

對浪涌試驗的現(xiàn)場測試試驗布置目前無特別要求。接地參考平面和測量儀器的布置可參照上述電快速瞬變脈沖群試驗，耦合/去耦裝置和氧艙之間電源線長度不超過2 m[13]。

2.5 傳導(dǎo)抗擾度

氧艙的傳導(dǎo)抗擾度試驗要求：頻率150 kHz～30 MHz，試驗電平3 V。

對傳導(dǎo)抗擾度試驗的現(xiàn)場測試試驗布置目前無特別要求。接地參考平面和測量儀器的布置可參照上述電快速瞬變脈沖群試驗。耦合/去耦裝置距離氧艙0.1～0.3 m。

現(xiàn)場測試環(huán)境通常無法滿足共模阻抗要求，當(dāng)對氧艙信號線和互連線纜的試驗參照不滿足共模阻抗要求時的鉗注入程序[14]，采用電流監(jiān)測探頭配合電流注入鉗進(jìn)行試驗測試。

2.6 電壓暫降及短時中斷

對每相額定輸入電流超過16 A的氧艙免于此項試驗，對于不超過16 A的設(shè)備進(jìn)行此項試驗。

對電壓暫降及短時中斷試驗的現(xiàn)場測試試驗布置目前無特別要求。對于三相供電的氧艙逐相進(jìn)行試驗，因具有內(nèi)部電源，適用于電壓暫降及短時中斷試驗的氧艙在規(guī)定的試驗后還需驗證其僅在網(wǎng)電源供電時繼續(xù)工作的能力。

2.7 工頻磁場

氧艙的工頻磁場試驗要求：3 A/m。因氧艙體積太大，無法采用浸入法進(jìn)行試驗，現(xiàn)場測試采用鄰近法[15]對氧艙的不同位置進(jìn)行試驗。

3 結(jié)論

氧艙是較典型的大型永久性安裝系統(tǒng)，本文從標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)并結(jié)合對較多氧艙的實際測試情況，主要探討了發(fā)射與抗擾度等電磁兼容項目現(xiàn)場測試的方法。為了嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的完成對氧艙的現(xiàn)場測試，一定程度確保試驗的可行性和可靠性，檢測前期一定要做好充分的現(xiàn)場環(huán)境情況分析，明確氧艙實際安裝情況，制定規(guī)范的現(xiàn)場試驗計劃[16-17]。