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(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行型式試驗(yàn)，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(yùn)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(shí)驗(yàn)室條件下的型式試驗(yàn)，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(xiàng)目及其試驗(yàn)方法進(jìn)行了介紹。

1 發(fā)射試驗(yàn)

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(yùn)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(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測試的限制要求。

試驗(yàn)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(yàn)。

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(diǎn)[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(diǎn)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(shí)驗(yàn)室型式試驗(yàn)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(yàn)時首先應(yīng)盡量關(guān)停附近的大功率電氣設(shè)備，測試點(diǎn)遠(yuǎn)離基站、廣播電視塔、變電站等強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)，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(yàn)

氧艙適用的抗擾度項(xiàng)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(yàn)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(yàn)布置與試驗(yàn)室型式試驗(yàn)主要的不同是接地參考平面的尺寸和擺放位置。現(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(diǎn)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(yàn)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2.2 輻射抗擾度

YY0505-2012規(guī)定結(jié)構(gòu)上不可實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)模擬運(yùn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)，試驗(yàn)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(shí)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(qiáng)度等特性不一致，因此較難實(shí)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(yàn)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(yàn)，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(shí)際的電磁環(huán)境，在進(jìn)行安裝后現(xiàn)場試驗(yàn)時應(yīng)該不用去耦網(wǎng)絡(luò)。但考慮到試驗(yàn)本身不僅可能對受試設(shè)備有破壞性，對位于同一地點(diǎn)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(yàn)仍可使用去耦網(wǎng)絡(luò)[12]。

2.4 浪涌

氧艙的浪涌試驗(yàn)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(yàn)的現(xiàn)場測試試驗(yàn)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(yàn)，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(yàn)要求：頻率150 kHz～30 MHz，試驗(yàn)電平3 V。

對傳導(dǎo)抗擾度試驗(yàn)的現(xiàn)場測試試驗(yàn)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(yàn)。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(yàn)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(yàn)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(xiàng)試驗(yàn)，對于不超過16 A的設(shè)備進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)。

對電壓暫降及短時中斷試驗(yàn)的現(xiàn)場測試試驗(yàn)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(yàn)，因具有內(nèi)部電源，適用于電壓暫降及短時中斷試驗(yàn)的氧艙在規(guī)定的試驗(yàn)后還需驗(yàn)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(yàn)要求：3 A/m。因氧艙體積太大，無法采用浸入法進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場測試采用鄰近法[15]對氧艙的不同位置進(jìn)行試驗(yàn)。

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(shí)際測試情況，主要探討了發(fā)射與抗擾度等電磁兼容項(xiàng)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(yàn)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(shí)際安裝情況，制定規(guī)范的現(xiàn)場試驗(yàn)計劃[16-17]。