李立焯，曹俐

1.北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所，北京 101111；2.湖南省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)所 醫(yī)用電器室，湖南 長(zhǎng)沙 410001

引言

剩余電壓測(cè)量是電氣安全領(lǐng)域的重要測(cè)試項(xiàng)目，目的是防止電氣設(shè)備在拔插頭時(shí)，由于設(shè)備內(nèi)殘余能量的影響，人員接觸插頭受到意外電氣傷害。由于交流電的周期性，交流電與設(shè)備的能量交換是周期進(jìn)行的，在拔斷插頭瞬間設(shè)備內(nèi)的殘余能量也不同，因此剩余電壓的幅值也不一樣。為了避免過(guò)高的剩余電壓對(duì)人體產(chǎn)生危害，必須對(duì)剩余電壓的幅值進(jìn)行測(cè)量[1-4]。

1 現(xiàn)有檢測(cè)方法的缺陷

許多電氣設(shè)備的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)各自適用設(shè)備的情況制定了不同的剩余電壓、剩余能量的指標(biāo)或者安全電壓的規(guī)定，剩余電壓測(cè)試的最終目標(biāo)是找到剩余電壓的最大值[5-8]，如GB9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》中規(guī)定：在斷開(kāi)電源后1 s時(shí)，用一個(gè)內(nèi)阻不影響測(cè)量值的儀表來(lái)測(cè)量插頭各電源插腳間及電源插腳與外殼間電壓，試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行10次[9]。規(guī)定10次試驗(yàn)是為了找出剩余電壓的最大值。

目前國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室多使用自制的人工拔斷裝置配合測(cè)試[10]，人工模擬拔斷是隨機(jī)的，可能在交流電的任一相位斷開(kāi)，交流電的相位決定了交流電與被測(cè)設(shè)備能量交換的程度[11]，因此測(cè)量結(jié)果也是隨機(jī)的，即使通過(guò)10次測(cè)試也不一定能找到剩余電壓的最大值。

也有一些實(shí)驗(yàn)室使用專用的峰值斷電測(cè)試裝置，在交流電的峰值處斷電來(lái)測(cè)量剩余電壓值，理論上認(rèn)為在交流電的峰值處被測(cè)設(shè)備獲得的能量最多，剩余電壓也應(yīng)最大[12]。但筆者通過(guò)實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)并非如此，如同一被測(cè)設(shè)備，正半周峰值處的剩余電壓與負(fù)半周峰值處并不一樣，在交流電零點(diǎn)處的剩余電壓甚至比峰值處還大，因此在交流電峰值處斷電測(cè)量也有其不足之處。

剩余電壓測(cè)試的目標(biāo)是找到其最大值，由于交流電的特性，不論是人工隨機(jī)斷電，還是交流電峰值處斷電。在實(shí)際測(cè)試中都難以找到最大值出現(xiàn)的時(shí)刻，醫(yī)用電氣設(shè)備檢測(cè)亟需一種可靠的剩余電壓測(cè)量斷電裝置。針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)方法的缺陷，筆者利用模擬電路及單片機(jī)系統(tǒng)制作了一種相位選擇斷電裝置，可在交流電的一個(gè)周期內(nèi)任一相位處精確斷電，配合示波器測(cè)量，可以方便找出最大剩余電壓值。同人工模擬拔斷裝置相比，則顯著提高了剩余電壓測(cè)量的重復(fù)性。

2 本測(cè)試裝置的實(shí)施

2.1 基本設(shè)計(jì)思路

利用模擬電路檢測(cè)出交流電的零點(diǎn)[13]，再利用單片機(jī)延時(shí)電路設(shè)定延時(shí)，以確定所選擇的相位，并觸發(fā)斷電動(dòng)作。常用220 V，50 Hz交流電的一個(gè)周期為20 ms，考慮檢測(cè)和工程實(shí)際，相位選擇的步進(jìn)周期設(shè)定為1 ms，對(duì)于50 Hz交流電共有20個(gè)相位點(diǎn)可供選。

2.2 原理與組成

該裝置的組成，見(jiàn)圖1，主要由交流電零點(diǎn)檢測(cè)電路、延時(shí)電路、設(shè)置電路、執(zhí)行電路4部分組成。

圖1 相位選擇斷電裝置原理圖

交流電零點(diǎn)檢測(cè)電路可對(duì)220 V，50/60 Hz交流電進(jìn)行零點(diǎn)檢測(cè)并輸出零點(diǎn)信號(hào)，此零點(diǎn)信號(hào)為延時(shí)電路的時(shí)間基準(zhǔn)；延時(shí)電路由單片機(jī)組成，可根據(jù)設(shè)置電路的要求進(jìn)行延時(shí)，并可對(duì)執(zhí)行電路的動(dòng)作誤差進(jìn)行補(bǔ)償；設(shè)置電路可人為設(shè)置延時(shí)時(shí)間，并對(duì)交流電頻率、正/負(fù)半周進(jìn)行選擇；執(zhí)行電路由機(jī)械繼電器組成，執(zhí)行延時(shí)電路發(fā)出的命令，模擬插頭拔斷的動(dòng)作。

零點(diǎn)檢測(cè)電路，見(jiàn)圖2。利用兩個(gè)光電耦合器進(jìn)行交流電正負(fù)半周的分離，兩個(gè)光電耦合器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)分別控制兩個(gè)三極管的導(dǎo)通和斷開(kāi)，兩個(gè)三極管產(chǎn)生脈沖信號(hào)為交流電正半周/負(fù)半周的零點(diǎn)信號(hào)，送入單片機(jī)待處理。此處使用光電耦合器同時(shí)還有強(qiáng)/弱電隔離的作用，避免使用變壓器造成設(shè)備體積和重量的增大。

延時(shí)和設(shè)置電路以單片機(jī)為核心，在觸摸屏界面上可進(jìn)行交流電正負(fù)半周的選擇、交流電頻率的選擇、相位時(shí)間的選擇，并可對(duì)執(zhí)行電路的動(dòng)作誤差進(jìn)行時(shí)間修正，這些設(shè)置信號(hào)與零點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)共同送入單片機(jī)，當(dāng)按下斷電按鈕后，單片機(jī)向執(zhí)行電路發(fā)出斷電指令。

圖2 零點(diǎn)檢測(cè)電路

執(zhí)行電路由機(jī)械繼電器及相應(yīng)電路組成，接到斷電指令后，機(jī)械繼電器斷開(kāi)被測(cè)設(shè)備供電，并將被測(cè)設(shè)備的插頭插腳接至測(cè)量?jī)x器。此處選用機(jī)械繼電器做為電路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，以克服固態(tài)繼電器、光電繼電器等器件阻抗較大而影響剩余電壓測(cè)量的缺陷。

2.3 關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

由于相位選擇的步進(jìn)設(shè)定為1 ms，所以斷電誤差應(yīng)不大于±0.5 ms，這是實(shí)現(xiàn)相位選擇斷電的關(guān)鍵指標(biāo)。由于本裝置采用的是機(jī)械繼電器，接到單片機(jī)的斷電指令后，并不能實(shí)時(shí)斷電，而是有一個(gè)延時(shí)過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)在選定相位處的精確斷電，采取以下4項(xiàng)措施：① 利用機(jī)械繼電器的斷開(kāi)動(dòng)作，機(jī)械繼電器的特點(diǎn)是吸合時(shí)間長(zhǎng)而釋放時(shí)間極短，可以讓繼電器在必要時(shí)刻以極短時(shí)間快速斷電，這一特性使得機(jī)械繼電器的使用對(duì)斷電精度的影響很小[14]；② 進(jìn)行精確的時(shí)間修正，由于系統(tǒng)的延遲和滯后，需要在單片機(jī)延時(shí)程序中增加一個(gè)修正的時(shí)間，修正時(shí)間的選擇，對(duì)斷電精度有很大的影響，需根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果選擇合理的修正時(shí)間；③ 提高繼電器線圈供電的精度，繼電器線圈的電壓要穩(wěn)定，電壓波動(dòng)性要小，在設(shè)計(jì)上采用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源給繼電器供電，所以開(kāi)關(guān)電源的功率不宜太大，以免造成電壓波動(dòng)，我們選用額定輸出為24 V，0.05 A的開(kāi)關(guān)電源；④盡快消除線圈自感電動(dòng)勢(shì)，線圈通電后再斷電，由于自感電動(dòng)勢(shì)的影響，線圈內(nèi)的電流并不能馬上降為零，線圈產(chǎn)生的吸力將阻礙觸頭的釋放，這個(gè)阻礙的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)斷電時(shí)刻一致性的影響越大，在繼電器線圈旁路一個(gè)續(xù)流二極管，給自感電動(dòng)勢(shì)提供放電通路[15]。

2.4 實(shí)物結(jié)構(gòu)

該裝置的控制面板圖，見(jiàn)圖3。右下方的觸摸屏可以對(duì)設(shè)定相位點(diǎn)、交流電正/負(fù)半周、交流電頻率進(jìn)行選擇，并可設(shè)定修正時(shí)間、執(zhí)行斷開(kāi)操作；面板左下方為正反相開(kāi)關(guān)，可對(duì)交流電的正反相進(jìn)行切換；面板左上方為被測(cè)設(shè)備插座；面板右上方L、N、G三個(gè)接線端子分別表示火線、零線、地線，用于連接測(cè)量?jī)x表。

圖3 控制面板圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)該裝置的斷電精度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，斷電誤差測(cè)試電路，見(jiàn)圖4。初始狀態(tài)時(shí)，繼電器線圈通電，觸頭處于閉合狀態(tài)，220 V，50 Hz的交流電信號(hào)通過(guò)高壓探頭顯示在示波器上，當(dāng)接到斷電指令后，觸頭斷開(kāi)，交流電信號(hào)消失，利用示波器可測(cè)量實(shí)際斷電時(shí)間與理論值的差異。

圖4 斷電誤差測(cè)試電路

示波器得到的波形，見(jiàn)圖5，圖中的正弦波為220 V，50 Hz交流電壓波形，此時(shí)設(shè)定的斷電相位為正半周過(guò)零點(diǎn)3 ms處，可以看出該處斷電誤差為2.88 ms-3 ms=-0.12 ms。

圖5 50 Hz交流電正半周3 ms處斷電波形

交流電正、負(fù)半周設(shè)定相位點(diǎn)的斷電誤差測(cè)試數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1～2。其中的誤差、重復(fù)性數(shù)值為同一相位點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的最大值。從表中可以看出，實(shí)測(cè)斷電相位點(diǎn)的最大誤差為+0.27 ms，滿足斷電誤差應(yīng)不大于±0.5 ms的設(shè)計(jì)要求。重復(fù)性最大為0.2，表明該裝置的測(cè)量穩(wěn)定性較好。

從上述測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該裝置在技術(shù)上可以滿足相位步進(jìn)間隔為1 ms時(shí)的剩余電壓檢測(cè)要求，若對(duì)每個(gè)相位單獨(dú)進(jìn)行更精確的時(shí)間修正，該裝置的斷電精度還可以得到進(jìn)一步的提高。

表1 正半周斷電誤差、重復(fù)性測(cè)試

表2 負(fù)半周斷電誤差、重復(fù)性測(cè)試

4 實(shí)際使用效果

4.1 剩余電壓最大值的檢測(cè)能力

使用該裝置可對(duì)交流電一個(gè)周期內(nèi)全相位點(diǎn)的剩余電壓數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，可以查找出之前不能發(fā)現(xiàn)的剩余電壓?jiǎn)栴}，例如某型號(hào)紅外治療機(jī)，按GB9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》中規(guī)定剩余電壓不超過(guò)60 V，使用人工模擬拔斷裝置配合示波器進(jìn)行測(cè)量（示波器探頭內(nèi)阻100 MΩ，衰減比1000:1[16]，下同），剩余電壓最大值為52 V，判定為合格，而使用相位選擇斷電裝置在交流電一個(gè)周期內(nèi)的全相位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備在交流電正半周零點(diǎn)處的剩余電壓值為最大，見(jiàn)圖6。測(cè)量圖6所示剩余電壓波形可知其剩余電壓值為-84 V，已超出國(guó)標(biāo)要求。

圖6 正半周零點(diǎn)處斷電后剩余電壓波形

相位選擇斷電裝置因其具有精確斷電的能力，可以無(wú)一遺漏的對(duì)交流電一個(gè)周期內(nèi)的全相位點(diǎn)進(jìn)行斷電檢測(cè)，形成了對(duì)剩余電壓測(cè)量的全覆蓋，此處通過(guò)實(shí)例證明了使用相位選擇斷電裝置在剩余電壓測(cè)量中的重要意義。

4.2 測(cè)量穩(wěn)定性

使用本裝置與人工斷電裝置進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，使用同一塊MW開(kāi)關(guān)電源，型號(hào)HSP-250-2.5，測(cè)試點(diǎn)為火線與地線之間，測(cè)量?jī)x器為T(mén)ek DOP3012數(shù)字示波器，按GB9706.1-2007《醫(yī)用電氣設(shè)備 第1部分：安全通用要求》第三篇中剩余電壓測(cè)試要求分別進(jìn)行10次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表 3～4。

表3 相位選擇斷電裝置試驗(yàn)結(jié)果

表4 人工斷電裝置試驗(yàn)結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果看，使用相位斷電裝置的測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1，人工斷電裝置的測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.7，使用人工斷電裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)離散度比相位選擇斷電裝置大7.5倍，這是由于相位選擇斷電裝置可在特定的相位點(diǎn)準(zhǔn)確進(jìn)行斷電。因此被測(cè)設(shè)備每次的剩余能量都基本一致，而人工斷電裝置的斷電時(shí)刻是隨機(jī)的，被測(cè)設(shè)備的剩余能量相差很大，造成數(shù)據(jù)的離散度很大。

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該裝置斷電精度較高，測(cè)量重復(fù)性好，已在實(shí)際檢測(cè)中得到了應(yīng)用，利用它的相位選擇斷電功能，可以方便地找出剩余電壓的最大值，同時(shí)測(cè)量的穩(wěn)定性也得到了較大的提高，解決了現(xiàn)有剩余電壓測(cè)試方法盲目性較大、數(shù)值重復(fù)性差的問(wèn)題，并為檢測(cè)人員研究剩余電壓課題提供了技術(shù)手段，在此裝置的基礎(chǔ)上可增加剩余電壓的自動(dòng)檢測(cè)及顯示模塊，減少檢測(cè)人員在火線、零線、地線之間頻繁換線的操作，減少頻繁判讀示波器所造成的誤差，提高檢測(cè)自動(dòng)化水平，應(yīng)具有良好的應(yīng)用前景。