如何利用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)減少大型醫(yī)用電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)EMC測(cè)試的誤差

陳寧　姚健

1 湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院　（長(zhǎng)沙　410014）

2 湖南省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)所?。ㄩL(zhǎng)沙　410001）

◎ 裝備管理與醫(yī)療信息化

如何利用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)減少大型醫(yī)用電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)EMC測(cè)試的誤差

陳寧1姚健2

1 湖南省計(jì)量檢測(cè)研究院（長(zhǎng)沙410014）

2 湖南省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)所（長(zhǎng)沙410001）

本文先探討了電磁兼容輻射發(fā)射測(cè)試設(shè)備在非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境中如何進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)和其必要性，再具體研究了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試用儀器的特殊校準(zhǔn)方法，以便在需要開展大型醫(yī)療電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試的相關(guān)人員盡可能的剔除環(huán)境背景中的無線電干擾，大幅度減少現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果誤差。

電磁兼容輻射發(fā)射大型醫(yī)療電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

0.引言

所謂大型醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容試驗(yàn)特殊性，一般來說是由于其不方便進(jìn)入電波暗室的尺寸造成的，但是實(shí)際上很多A類（參照GB 4824-2013第5.3條定義）醫(yī)療電氣設(shè)備其功能特殊性（如需引入和輸出純凈水或特殊高壓氣體）也是其不能進(jìn)入開闊場(chǎng)完成電磁輻射騷擾檢測(cè)的重要原因之一。如果將大型醫(yī)療電氣設(shè)備布置到位后的整個(gè)系統(tǒng)視作被測(cè)物，要具備如此大的實(shí)驗(yàn)室來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容實(shí)驗(yàn)，需要投入的成本將十分高昂。

儀器校準(zhǔn)的目的本來是想透過調(diào)整來消除被校準(zhǔn)的檢測(cè)裝置在準(zhǔn)確度方面的任何偏差［1］。被用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的儀器一般是被送至標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行逐個(gè)校準(zhǔn)，一般情況下各自誤差都會(huì)在允許范圍之內(nèi)，但是在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)將其整合之后所搭建的測(cè)試系統(tǒng)的誤差是否就是簡(jiǎn)單地一個(gè)“合”的概念呢？再加上，離開了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境后，外界帶來的測(cè)量結(jié)果不確定度究竟怎么評(píng)？又是一個(gè)對(duì)測(cè)試結(jié)果質(zhì)量有追求的檢測(cè)機(jī)構(gòu)最頭疼的問題。

針對(duì)上述情況，本文論述了一種對(duì)輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境進(jìn)行實(shí)地校準(zhǔn)的方法，采用了直接縮短溯源鏈和替代發(fā)射信號(hào)的方法，來達(dá)到減少不確定度評(píng)定過程中需要引入的量，并把由測(cè)試環(huán)境造成的電磁波干涉和衍射誤差也一并修正的目的，最終將現(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果的主要誤差修正到只與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器這一獨(dú)立儀器相關(guān)。

1.對(duì)測(cè)試儀器開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的目標(biāo)

如引言中提到的，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果總是有些不討喜的地方，但是開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試又不能避免。依照我國(guó)現(xiàn)有國(guó)情，大型醫(yī)用電氣設(shè)備都會(huì)被部署在高級(jí)別醫(yī)療機(jī)構(gòu)，而這些高級(jí)的、綜合類的重要醫(yī)療機(jī)構(gòu)一般都坐落在城市的人員活動(dòng)密集區(qū)域。該區(qū)域不用于城市郊區(qū)，所謂無線電干擾背景除了調(diào)頻廣播和移動(dòng)電話通訊以外，還有來自短距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、安防對(duì)講機(jī)、出租車通訊電臺(tái)、中遠(yuǎn)距離無線遙控設(shè)備和無法避免的非法干擾源。

國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì)雖然在CISPR 11對(duì)工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療（ISM）設(shè)備指出了如何在非標(biāo)場(chǎng)地進(jìn)行［3］，其對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)GB 4824中也同樣給出了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法和限值等信息，實(shí)際用于對(duì)醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)YY 0505、GB/T 18268.1和GB/T 18268.26直接引用GB 4824作為基礎(chǔ)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試依據(jù)［4］［5］。但是在實(shí)際測(cè)試過程中，即便是有了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，即便是忽略現(xiàn)場(chǎng)布置過程的繁雜和儀器搬運(yùn)的消耗，我們的檢測(cè)工程師們還是不喜歡所謂的“現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試”，因?yàn)槠浣Y(jié)果相較于電波暗室來說會(huì)增加很多“可疑之處”。相較于電波暗室來說，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)有無法預(yù)見的背景干擾，不同于電波暗室有吸波材料來抑制無線電波反射的干涉和衍射，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的無線電測(cè)試環(huán)境可以說是雜亂無章，正如圖1中所表示的，測(cè)量結(jié)果的不確定度來源太多造成了想使用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量檢品的真實(shí)輻射發(fā)射值難上加難。

圖1. 影響測(cè)量結(jié)果的不確定度來源［2］

醫(yī)用電氣設(shè)備電磁兼容檢測(cè)在我國(guó)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)已超過10年，但是真正全面鋪開執(zhí)行時(shí)間并不長(zhǎng)，隨著相關(guān)法規(guī)執(zhí)行力度的加強(qiáng)和相關(guān)企業(yè)對(duì)自身產(chǎn)品質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，針對(duì)醫(yī)用電氣產(chǎn)品的電磁兼容檢測(cè)的嚴(yán)肅性和復(fù)雜性將驅(qū)使檢測(cè)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)誤差和測(cè)量不確定度更緊密的結(jié)合。

我們了解誤差來源之后，也就明白了為什么我們的測(cè)試設(shè)備或系統(tǒng)一定要在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)做一個(gè)系統(tǒng)性的校準(zhǔn)。雖然EUT（被測(cè)物）自身的不確定性可以通過多次測(cè)量來找尋折中結(jié)果，但是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中的布置是不可能完全按照標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行的，至于測(cè)量設(shè)備和設(shè)施和試驗(yàn)場(chǎng)地的性能是息息相關(guān)的，最后環(huán)境帶來的影響，特別是現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境、溫濕度和空氣質(zhì)量也是造成無線電信號(hào)測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確的干擾來源。要解決這些問題就要將我們的檢測(cè)系統(tǒng)放置在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，按照測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的布置、場(chǎng)地和環(huán)境來校準(zhǔn)以消除引入誤差。

2.對(duì)測(cè)試儀器開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的技術(shù)方法

執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的必要性等到證明后，我們還需要一套簡(jiǎn)單、易行的方法，如果現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法僅停留在理論層面，不具備可操作性和實(shí)用性，是不會(huì)對(duì)檢測(cè)人員有幫助的。

造成無線電干擾試驗(yàn)結(jié)果在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生系統(tǒng)性誤差的原因主要有以下幾點(diǎn)：第一、在我們的測(cè)試頻率段之內(nèi)有較大干擾信號(hào)在持續(xù)發(fā)送，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)無線電環(huán)境背景不佳，造成測(cè)試結(jié)果真實(shí)性較低；第二、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)可以造成無線電發(fā)射的金屬器件較多，且擺放無序，我們的測(cè)試結(jié)果被無線電及其反射波的干涉和衍射放大或減小了，造成測(cè)試結(jié)果誤差較大；第三、測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)空氣質(zhì)量、溫濕度等自然環(huán)境波動(dòng)范圍較大，空氣中的固體和水分子等顆粒加大了無線電波的衰減，造成測(cè)試結(jié)果偏小于真值等。

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)目的就是要提出會(huì)引起測(cè)量誤差的干擾。我們采取的方法其實(shí)很直觀，就是在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)利用一個(gè)只和最高基準(zhǔn)溯源的信號(hào)發(fā)生器，它的信號(hào)發(fā)射值一定要在最高計(jì)量單位進(jìn)行校準(zhǔn)，將其緊貼被測(cè)物外立面（被測(cè)物暫不通電工作），并在測(cè)試頻率段內(nèi)不間斷的發(fā)送穩(wěn)定的信號(hào)，假定這個(gè)信號(hào)發(fā)生器的發(fā)射值可以參考為基準(zhǔn)值，此時(shí)在測(cè)試距離上已完成布置的測(cè)試系統(tǒng)（圖2）所接收到的值和信號(hào)發(fā)生器的發(fā)射值之差就是在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)需要修正的誤差值。下面我們可以分別通過數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)程序兩種方法來直觀呈現(xiàn)。

2.1數(shù)學(xué)模式

圖2. 現(xiàn)場(chǎng)布置圖

公式1中Fstar和Fend分別是測(cè)試的開始與終止頻率點(diǎn)，n+1為全部測(cè)試的頻率點(diǎn)數(shù)（此處按照1%步進(jìn)計(jì)算頻率點(diǎn)，且不存在第零點(diǎn)，取樣點(diǎn)不能少于測(cè)試頻率點(diǎn)），f（n）是信號(hào)發(fā)生器與國(guó)家基準(zhǔn)溯源后的發(fā)射值，ff（n）是信號(hào)發(fā)生器在現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)量得到的發(fā)射值，F(xiàn)為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)各對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果。實(shí)際情況中需要注意的是，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)物直接的距離一定要與信號(hào)發(fā)生器溯源時(shí)保持一致，也就是說信號(hào)發(fā)生器如果在國(guó)家計(jì)量院溯源時(shí)的測(cè)試距離是3m、10m甚至30m，那么在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的過程中，我們的天線尖端也要和被測(cè)物的外擴(kuò)保持對(duì)應(yīng)距離。F是一個(gè)數(shù)學(xué)集合，其元素個(gè)數(shù)與試驗(yàn)頻率點(diǎn)個(gè)數(shù)保持一致，可被視作天線系數(shù)或線纜系數(shù)添加在測(cè)量接收機(jī)中。

2.2計(jì)算機(jī)程序模式

F_star=30；

F_end=1000；

n=ceil（log（F_end/F_star）/log（1.01））+1；

i=0；

Frequency_list=F_star；

for i=1：n

Frequency_list（i）=F_star*（1+0.01）^（i-1）；

end

Original_Signal=xlsread（'Signal_Generator.xls'）；

Receiver_data=xlsread（'data.xls'）；

cali_data=Original_Signal-Receiver_data；

xlswrite（'C：Rohde & SchwarzEMC32Correction. xls'，data，'cali_data'）；

程序編寫的依據(jù)是數(shù)學(xué)關(guān)系，因?yàn)槌Ｓ媒邮諜C(jī)操作軟件能導(dǎo)入的參數(shù)類型一般都是excel的xls或xlsx格式，所以當(dāng)工程師依照個(gè)人習(xí)慣利用不同語言編寫程序時(shí)，請(qǐng)一定要將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)保存成excel可識(shí)別格式。

3.總結(jié)

理論上來說現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)會(huì)增加檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)停留的時(shí)間，會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的時(shí)間成本，但是其測(cè)試結(jié)果對(duì)檢品來說會(huì)相對(duì)公平一些。檢品的輻射發(fā)射值，特別是在進(jìn)行100MHz以上頻率段測(cè)試的過程中，該頻率范圍內(nèi)波長(zhǎng)較短，就算可以人為消除周邊FM調(diào)頻廣播、WIFI數(shù)據(jù)通訊、對(duì)講機(jī)通訊和移動(dòng)電話通訊等干擾頻率，100MHz以上無線電波波長(zhǎng)均在3m以內(nèi)，在10m甚至30m的測(cè)試距離內(nèi)，因?yàn)闆]有了電波暗室的吸波功能，如果遭遇環(huán)境引起的無線電波干涉或衍射，其波峰或者波谷的疊加和抵消很有可能會(huì)出現(xiàn)很多次，那么只會(huì)造成測(cè)試結(jié)果的倍增和倍減。如果遇到倍增，那么檢品輻射發(fā)射值超過限值被判定不合格，對(duì)企業(yè)來說是不公平的。如果遇到無線電波干涉造成了測(cè)試值偏低，那么對(duì)周邊其他設(shè)備或人員活動(dòng)來說這個(gè)電磁環(huán)境就不夠公平了，因?yàn)榇蠹液苡锌赡鼙贿@個(gè)“合格品”干擾了，不能正常工作。

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的常見問題來分析，其實(shí)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的性價(jià)比是很高的，其關(guān)鍵在于作為模擬基準(zhǔn)的信號(hào)發(fā)生器一定要送至最高計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，一般來說可以將中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的開闊場(chǎng)認(rèn)定為輻射發(fā)射測(cè)試的基準(zhǔn)，如果有這樣的校準(zhǔn)結(jié)果，測(cè)試結(jié)果的質(zhì)量和可行度都會(huì)比較高，也更方便檢測(cè)人員對(duì)于檢品的無線電輻射在各頻率點(diǎn)的發(fā)射值進(jìn)行合格判定。

［1］ GB/T 6113.203-2008，無線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范 第2-3部分：無線電騷擾和抗擾度測(cè)量方法 輻射騷擾測(cè)量［S］.

［2］ GB/Z 6113.401-2007，無線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范 第4-1部分：不確定度、統(tǒng)計(jì)學(xué)和限值建模標(biāo)準(zhǔn)化的EMC試驗(yàn)不確定度［S］.

［3］ GB 4824-2013，工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）射頻設(shè)備騷擾特性 限值和測(cè)量方法［S］.

［4］ YY 0505-2012，醫(yī)用電器設(shè)備第1-2部分安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容要求和實(shí)驗(yàn)［S］.

［5］ 王權(quán)，蘇宗文，李澍，等.大型醫(yī)用電氣設(shè)備的電磁兼容現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試［J］.中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2015，30（9）：70-72.

Method of Reducing Errors by Using In-situ Calibration in Field Electromagnetic Compatibility Test for Large Medical Electrical Equipment

CHEN Ning1YAO Jian2
1 Hunan Institute of Metrology and Test（Changsha410014）
2 Hunan Institute for Medical Devices（Changsha410001）

In this paper， we frst study the method and necessity of in-situ calibration for EMC radiated emission testing instrument in non-standard test environment， and specifcally developed a special method of calibrating the feld EMC testing instrument， based on in-situ calibration result the engineer can eliminate the radio interferences，which exist in the surrounding environment over the large medical electrical equipment ，and with this help the testing engineer will be easier to reduce the error form fled EMC test.

EMC radiated emission，large medical electrical equipment，feld EMC testing，in-situ calibration

1006-6586（2016）03-0001-03

TH7

B

湘食藥科2016003