医用电气设备漏电流检测中的若干问题及解决方法*
作者：陈安宇 姜远海 尹志臣 王锐
单位：首都医科大学生物医学工程系 (100054)
关键词：漏电流；安全检测；RMS电路；单片机
中国医疗器械杂志990307 提要 医用电气设备漏电流的检测是安全检测的重要项目，对检测仪器的要求很高，国家标准中对此有明确的规定。然而，这项检测经常被误解为普通的电流测量，从而降低了检测结果的可靠性，成为不安全的隐患。本文对医用电气设备漏电流检测的特殊要求及在研制检测仪器中所采取的关键技术进行了详细的阐述。
The Problems and Solutions of the Leackage Current
Checking in Medical Electiical Equipments
, 百拇医药
Chen Anyu Qiang Yuanhai Yin zhiChen Wang Rui
Biomedieal Engineering Department,Capital University of Medical Sciences
ABSTRACT It is an important safety checking item to check leackage current of medical electric equipments.In the national standard,there are definite and strict stipulations for the leackage current-checking and the checkers.But this important checking is often misrepresented with general current measurements.So the checking is not up to the standard and the results are not dependable.In this paper,the special demands for the checking and the key technique of the checkers have been expounded in detail.
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KEY WORDS Leackage Current Safety Checking RMS Circuit Single-Chip Microprocessor
随着电子技术在医学领域中的广泛应用，医学诊断、治疗水平有了很大的提高，但与此同时，由于相应的安全检测不规范，检测人员缺乏安全检测的基础知识，医用电气设备引起的医疗事故也在不断增多。在这些事故中，漏电流引起的电击是主要原因。因此，对医用电气设备漏电流的检测是安全检测的重要内容之一。
医用电气设备漏电流的检测常被混同于一般的电流测量，从而错误地采用一般的电工仪表。我国强制性国家标准9706.1“医用电气设备通用安全要求”中对漏电流的检测有明确的规定。检测电路如图1所示。
图1 漏电流检测电路
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从图中不难看出，检测仪表实际上是一个电压表，测量漏电流时通过测量阻抗上产生的电压降，再按1千欧阻抗折算成电流值。然而，这个电压表不是常规的电压表。国家标准中规定，检测仪器必须具备从直流到1MHz的连续频率响应，对任意波形的电压经全波整流后均要按有效值指示，示值误差小于5%，所测漏电流值应以检测过程中最大漏电流值为准[1]。根据国家标准的规定，常规电压表是不能胜任的，会产生一系列的问题。
1.漏电流检测中的若干问题
1.1 连续频率响应的问题
常规电压表直流电压和交流电压是分档测量的，因为电压值要按有效值指示。直流电压等于有效值，而交流电压经过半波整流或全波整流，得到平均值或峰值，与有效值有如下关系，设平均值Vm，输入交流电流有效值V，峰值Vp，半波整流时：
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全波整流输出波形面积是半波整流的两倍，则：
Vm=0.9V
有效值和峰值的关系：
由此可见，交流电压的平均值和峰值与有效值都不相等，所以测量时要与直流电压分档测量，或者采用不同的表盘刻度[4][5]。在测量电路中交流电压必须整过整流，所以与直流测量电路也是分开的，并且为了减少温度漂移，在电路中都采用阻容耦合方式。由于电容对低频信号容抗很大，从而使常规电压表在低频段(一般小于20Hz)产生了测量的空白区，不能做到连续频率响应。
1.2 任意波形的检测问题
常规电压表只能对标准的正弦波按有效值指示，如果不是正弦波，指示将产生误差，特别是采用半波整流的电压表测量不对称波形，误差将会更严重。表1是平均值指示型仪表和峰值指示型仪表测量几种典型波形电压的修正系数。
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表1 波形
修正系数=准确的有效值/有效值刻度的读数
平均值指示型仪表
峰值指示型仪表
1.0
1.0
0.9
1.41
1.04
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0.82
从表1可以看出两种电压表在测量非正弦波时的误差，波形越不规则产生的误差也越大。
表2列出了各种波形对应的峰值因数。其中，峰值因数=峰值/有效值。医用电气设备的漏电流成份是复杂的，可能出现非正弦波形，使用常规仪表检测必然要产生误差，很可能超过允许的限度。
1.3 表笔极性和换档问题
在检测之前，对漏电流的方向、幅值并不清楚，而且漏电流有时忽大忽小，极不稳定。检测的幅值在1μA～10mA四个数量级范围。所以，为了使检测结果可靠，操作方便，减少可能的人为误差，检测仪应具备表笔无极性和对不同幅值自动换档的功能。
1.4 检测仪器的自我保护问题
漏电严重的电气设备可能带有高电压，最常见的情况是带有220V电网电压。如果检测仪没有自我保护功能，将可能被高压损坏。然而一般常用的过流熔断，过压击穿短路的保护方式是不宜采用的。因为这些保护电路一旦起作用就不能自动恢复。如果操作人员没有发现，还继续进行检测，就会使检测结果发生错误，得出漏电流很小，设备合格的错误结论甚至可能引起严重的后果。所以，保护电路必须是能在脱离高压后自动恢复，以便检测能够继续正常进行。
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1.5 最大漏电流值的记忆问题
由于漏电流的不稳定性，根据国家标准规定，要以检测中最大漏电流值作为检测结果。因此，检测仪应该具有最大值的记忆功能，而这种功能也是常规仪表所不具备的。
2. 解决问题的技术方案
常用的全波整流电路或称绝对值电路如图2所示。
由于受到运算放大器特性的限制，即使采用高速运放，其最高频率响应也不会超过100KHz。所以这种常规的电路不可能达到1MHz频响要求，整流后也无法做到对任意波形均按有效值指示。为此，我们采取了真有效值检测电路(Root-Mean-Square RMS)，这种电路的结构如图3所示。
表2
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图2 常规的绝对值电路
图3 RMS电路结构
RMS的原理电路如图4所示。
图4 RMS的原理电路
电压信号经前置放大器放大和阻抗变换，输入R1。R1 T1、R2 T2组成了完全对称的有效值差分比较电路，T1，T2之间无热传导。电流经R1，R2产生的热效应分别传导给T1，T2，改变T1，T2的工作状态。加在R1上的输入电压，无论波形和极性如何，都以热效应的方式传导到T1，实际上起到了绝对值电路的作用。这种绝对值电路具有高达1MHz的频率响应。差分电路的输出电压经过平方、积分、开平方等运算得到直流电压输出，同时送到R2，构成一个闭环负反馈回路。由于回路中开环放大倍数达到10万倍以上，电路平衡时R2产生的热效应与R1的热效应几乎相等，即输出的直流电压V0与输入的电压Vi的有效值相等，从而完成了任意波形电压向有效值的转换。这种电路的传递函数为：
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从中可以看出，这个传递函数就是有效值的定义公式。
采用RMS电路解决了连续频率响应、任意波形的有效值检测和表笔极性的问题。RMS电路也可采用集成芯片，如AD637、AD737等。
在检测仪的输入回路，我们设计了如图5所示的过压保护电路。
图5 可自动恢复的过压保护电路
图5中D是双向二极管，W是稳压管，J是继电器，R是限流电阻，使高压输入时W不被损坏，其阻值又远远小于电路的输入电阻。在输入电压正常时，D、W都不导通，J接点为常闭，不影响检测。当高压从a、b端输入时，Wa、Wb正向导通和反向击穿，起双向瞬时限幅作用。紧接着，由于D的导通，J吸合，将输入端自J之后断开，起到保护作用，而J仍由高压维持吸合。当高压消失后，W、D重新截止，J释放，电路自动恢复原状。这种保护电路可通过选择不同吸合电压的继电器和增加继电器的数量，使吸合电压J1小于J2、J2小于J3，以此类推。高压值如高到使J2吸合，断开输入电路，也保护了吸合电压较低的J1。同理，J3吸合也保护了J1和J2，从而可以得到不同的高压保护范围。这种保护电路不依赖于检测仪的控制，即使不开机也有保护功能，只要有高压输入，可长时间起到保护作用。该保护电路已获国家专利。
, 百拇医药
对于自动换档和最大漏电流值的记忆问题，我们设计了由51系列单片机为核心的自动程控系统，结构框图如6所示。
图6 漏电流检测仪的结构框图
检测仪开机后，档位置于最大量程，以后根据A/D转换的结果调整到合适的档位。这里共分四档，可以满足从1μA～10mA幅值范围的测量。第一次测量值存入数据存储器，以后的测量值都与上一次进行比较，将较大的值重新存入，这样就可以实现最大值的记忆功能。(2)平时显示器仍显示实时测量值，记录时将最大值调出显示。由于采取了上述技术方案，检测时不必有人在现场监视，便于在放射线等对人体有害的场合进行检测。
2. 结束语
漏电流的检测是一项重要的安全检测项目，关系着患者和医务人员的生命安全，按规定至少每季度对用电的仪器设备检测一次。国家标准中对检测的方法，最大允许值，检测步骤都有明确的规定，对检测仪也有特殊要求。然而，这项重要的安全检测往往被人们误解，混同于一般的电流测量，从而使用常规仪表，缩小了检测的频率范围，不考虑波形问题等等，使检测的可靠性大为降低，为事故的发生埋下了隐患。上面提到的若干问题和解决的方法是我们多年从事安全检测工作和研制漏电流检测仪的一些经验和技术方案，谨供从事这方面工作的人员参考，以便切实做好这一项安全检测工作。
, 百拇医药
*北京市科干局基金资助项目。
参 考 文 献
1 国家技术监督局.中华人民共和国国家标准GB9706.1-1995.医用电气设备第一部分：安全通用要求.中国标准出版社，1996，21-32
2 陈安宇等.医用电气设备通用安全检测仪的研制.医疗设备信息.1998.3，1-4
3 John Fluke Mfg.Co:True RMS Voltmeter Instruction Manual.1981,3-4-3-5
4 秦曾煌.电子学.人民教育出版社，1982，P87-91
5 清华大学电子教研组.模拟电子技术基础.高等教育出版社，1985.
(1998年11月12日收稿), 百拇医药
单位：首都医科大学生物医学工程系 (100054)
关键词：漏电流；安全检测；RMS电路；单片机
中国医疗器械杂志990307 提要 医用电气设备漏电流的检测是安全检测的重要项目，对检测仪器的要求很高，国家标准中对此有明确的规定。然而，这项检测经常被误解为普通的电流测量，从而降低了检测结果的可靠性，成为不安全的隐患。本文对医用电气设备漏电流检测的特殊要求及在研制检测仪器中所采取的关键技术进行了详细的阐述。
The Problems and Solutions of the Leackage Current
Checking in Medical Electiical Equipments
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Chen Anyu Qiang Yuanhai Yin zhiChen Wang Rui
Biomedieal Engineering Department,Capital University of Medical Sciences
ABSTRACT It is an important safety checking item to check leackage current of medical electric equipments.In the national standard,there are definite and strict stipulations for the leackage current-checking and the checkers.But this important checking is often misrepresented with general current measurements.So the checking is not up to the standard and the results are not dependable.In this paper,the special demands for the checking and the key technique of the checkers have been expounded in detail.
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KEY WORDS Leackage Current Safety Checking RMS Circuit Single-Chip Microprocessor
随着电子技术在医学领域中的广泛应用，医学诊断、治疗水平有了很大的提高，但与此同时，由于相应的安全检测不规范，检测人员缺乏安全检测的基础知识，医用电气设备引起的医疗事故也在不断增多。在这些事故中，漏电流引起的电击是主要原因。因此，对医用电气设备漏电流的检测是安全检测的重要内容之一。
医用电气设备漏电流的检测常被混同于一般的电流测量，从而错误地采用一般的电工仪表。我国强制性国家标准9706.1“医用电气设备通用安全要求”中对漏电流的检测有明确的规定。检测电路如图1所示。
图1 漏电流检测电路
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从图中不难看出，检测仪表实际上是一个电压表，测量漏电流时通过测量阻抗上产生的电压降，再按1千欧阻抗折算成电流值。然而，这个电压表不是常规的电压表。国家标准中规定，检测仪器必须具备从直流到1MHz的连续频率响应，对任意波形的电压经全波整流后均要按有效值指示，示值误差小于5%，所测漏电流值应以检测过程中最大漏电流值为准[1]。根据国家标准的规定，常规电压表是不能胜任的，会产生一系列的问题。
1.漏电流检测中的若干问题
1.1 连续频率响应的问题
常规电压表直流电压和交流电压是分档测量的，因为电压值要按有效值指示。直流电压等于有效值，而交流电压经过半波整流或全波整流，得到平均值或峰值，与有效值有如下关系，设平均值Vm，输入交流电流有效值V，峰值Vp，半波整流时：
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全波整流输出波形面积是半波整流的两倍，则：
Vm=0.9V
有效值和峰值的关系：
由此可见，交流电压的平均值和峰值与有效值都不相等，所以测量时要与直流电压分档测量，或者采用不同的表盘刻度[4][5]。在测量电路中交流电压必须整过整流，所以与直流测量电路也是分开的，并且为了减少温度漂移，在电路中都采用阻容耦合方式。由于电容对低频信号容抗很大，从而使常规电压表在低频段(一般小于20Hz)产生了测量的空白区，不能做到连续频率响应。
1.2 任意波形的检测问题
常规电压表只能对标准的正弦波按有效值指示，如果不是正弦波，指示将产生误差，特别是采用半波整流的电压表测量不对称波形，误差将会更严重。表1是平均值指示型仪表和峰值指示型仪表测量几种典型波形电压的修正系数。
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表1 波形
修正系数=准确的有效值/有效值刻度的读数
平均值指示型仪表
峰值指示型仪表
1.0
1.0
0.9
1.41
1.04
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0.82
从表1可以看出两种电压表在测量非正弦波时的误差，波形越不规则产生的误差也越大。
表2列出了各种波形对应的峰值因数。其中，峰值因数=峰值/有效值。医用电气设备的漏电流成份是复杂的，可能出现非正弦波形，使用常规仪表检测必然要产生误差，很可能超过允许的限度。
1.3 表笔极性和换档问题
在检测之前，对漏电流的方向、幅值并不清楚，而且漏电流有时忽大忽小，极不稳定。检测的幅值在1μA～10mA四个数量级范围。所以，为了使检测结果可靠，操作方便，减少可能的人为误差，检测仪应具备表笔无极性和对不同幅值自动换档的功能。
1.4 检测仪器的自我保护问题
漏电严重的电气设备可能带有高电压，最常见的情况是带有220V电网电压。如果检测仪没有自我保护功能，将可能被高压损坏。然而一般常用的过流熔断，过压击穿短路的保护方式是不宜采用的。因为这些保护电路一旦起作用就不能自动恢复。如果操作人员没有发现，还继续进行检测，就会使检测结果发生错误，得出漏电流很小，设备合格的错误结论甚至可能引起严重的后果。所以，保护电路必须是能在脱离高压后自动恢复，以便检测能够继续正常进行。
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1.5 最大漏电流值的记忆问题
由于漏电流的不稳定性，根据国家标准规定，要以检测中最大漏电流值作为检测结果。因此，检测仪应该具有最大值的记忆功能，而这种功能也是常规仪表所不具备的。
2. 解决问题的技术方案
常用的全波整流电路或称绝对值电路如图2所示。
由于受到运算放大器特性的限制，即使采用高速运放，其最高频率响应也不会超过100KHz。所以这种常规的电路不可能达到1MHz频响要求，整流后也无法做到对任意波形均按有效值指示。为此，我们采取了真有效值检测电路(Root-Mean-Square RMS)，这种电路的结构如图3所示。
表2
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图2 常规的绝对值电路
图3 RMS电路结构
RMS的原理电路如图4所示。
图4 RMS的原理电路
电压信号经前置放大器放大和阻抗变换，输入R1。R1 T1、R2 T2组成了完全对称的有效值差分比较电路，T1，T2之间无热传导。电流经R1，R2产生的热效应分别传导给T1，T2，改变T1，T2的工作状态。加在R1上的输入电压，无论波形和极性如何，都以热效应的方式传导到T1，实际上起到了绝对值电路的作用。这种绝对值电路具有高达1MHz的频率响应。差分电路的输出电压经过平方、积分、开平方等运算得到直流电压输出，同时送到R2，构成一个闭环负反馈回路。由于回路中开环放大倍数达到10万倍以上，电路平衡时R2产生的热效应与R1的热效应几乎相等，即输出的直流电压V0与输入的电压Vi的有效值相等，从而完成了任意波形电压向有效值的转换。这种电路的传递函数为：
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从中可以看出，这个传递函数就是有效值的定义公式。
采用RMS电路解决了连续频率响应、任意波形的有效值检测和表笔极性的问题。RMS电路也可采用集成芯片，如AD637、AD737等。
在检测仪的输入回路，我们设计了如图5所示的过压保护电路。
图5 可自动恢复的过压保护电路
图5中D是双向二极管，W是稳压管，J是继电器，R是限流电阻，使高压输入时W不被损坏，其阻值又远远小于电路的输入电阻。在输入电压正常时，D、W都不导通，J接点为常闭，不影响检测。当高压从a、b端输入时，Wa、Wb正向导通和反向击穿，起双向瞬时限幅作用。紧接着，由于D的导通，J吸合，将输入端自J之后断开，起到保护作用，而J仍由高压维持吸合。当高压消失后，W、D重新截止，J释放，电路自动恢复原状。这种保护电路可通过选择不同吸合电压的继电器和增加继电器的数量，使吸合电压J1小于J2、J2小于J3，以此类推。高压值如高到使J2吸合，断开输入电路，也保护了吸合电压较低的J1。同理，J3吸合也保护了J1和J2，从而可以得到不同的高压保护范围。这种保护电路不依赖于检测仪的控制，即使不开机也有保护功能，只要有高压输入，可长时间起到保护作用。该保护电路已获国家专利。
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对于自动换档和最大漏电流值的记忆问题，我们设计了由51系列单片机为核心的自动程控系统，结构框图如6所示。
图6 漏电流检测仪的结构框图
检测仪开机后，档位置于最大量程，以后根据A/D转换的结果调整到合适的档位。这里共分四档，可以满足从1μA～10mA幅值范围的测量。第一次测量值存入数据存储器，以后的测量值都与上一次进行比较，将较大的值重新存入，这样就可以实现最大值的记忆功能。(2)平时显示器仍显示实时测量值，记录时将最大值调出显示。由于采取了上述技术方案，检测时不必有人在现场监视，便于在放射线等对人体有害的场合进行检测。
2. 结束语
漏电流的检测是一项重要的安全检测项目，关系着患者和医务人员的生命安全，按规定至少每季度对用电的仪器设备检测一次。国家标准中对检测的方法，最大允许值，检测步骤都有明确的规定，对检测仪也有特殊要求。然而，这项重要的安全检测往往被人们误解，混同于一般的电流测量，从而使用常规仪表，缩小了检测的频率范围，不考虑波形问题等等，使检测的可靠性大为降低，为事故的发生埋下了隐患。上面提到的若干问题和解决的方法是我们多年从事安全检测工作和研制漏电流检测仪的一些经验和技术方案，谨供从事这方面工作的人员参考，以便切实做好这一项安全检测工作。
, 百拇医药
*北京市科干局基金资助项目。
参 考 文 献
1 国家技术监督局.中华人民共和国国家标准GB9706.1-1995.医用电气设备第一部分：安全通用要求.中国标准出版社，1996，21-32
2 陈安宇等.医用电气设备通用安全检测仪的研制.医疗设备信息.1998.3，1-4
3 John Fluke Mfg.Co:True RMS Voltmeter Instruction Manual.1981,3-4-3-5
4 秦曾煌.电子学.人民教育出版社，1982，P87-91
5 清华大学电子教研组.模拟电子技术基础.高等教育出版社，1985.
(1998年11月12日收稿), 百拇医药