医用泄漏电流分析仪校准装置研究

【摘要】为了解决医用漏电分析仪电流示值误差参数的溯源问题，研制一种医用漏电分析仪校准装置。本文介绍了该校准装置的研究方案和硬件实现，接着通过一系列实验验证了该校准装置的性能，最终确定医用漏电分析仪电流示值误差参数溯源方法。

【关键词】医用漏电分析仪；渥尔曼电路；Howland电流泵

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.01.070

Research on Calibration Methods for Medical Leakage Current Tester

SHANG Shuangshuang

（Liaoning Institute of Measurement， Shenyang 110004， China）

Abstract： To solve the traceability issue of the current indication error parameters of the medical leakage current tester， a calibration device for the medical leakage current tester has been developed. This article introduces the research plan and hardware implementation of the calibration device. Then， the performance of the calibration device is verified through a series of experiments， and finally， the traceability method for the current indication error parameters of the medical leakage current tester is determined.

Keywords： medical leakage current tester； Wollmann circuit； Howland current pump

我國早在2007年就已出台泄漏电流分析仪或类似设备的检定规程JJG 843—2007《泄漏电流测试仪》，但专用的检定装置鲜有报道。虽然JJG 843—2007中阐述了相关的检定方法，但满足要求的标准器不多。通过研究，我们认为使用一个宽带且具备一定的带载能力的交流电流源就可以满足泄漏电流测试仪的检定要求。为了研制一个满足要求的交流电流源，我们先研究了最基本的恒流源电路，如图1a、图1b所示。根据三极管的工作原理，晶体管发射极电流IE、基极的输入电压以及Vz之间的关系式为：IE=（Vz-VBE）/R1。由于VBE的温度系数约为-2.5 mV/℃，对恒流源的输出有较大影响。为了减小恒流源对温度变化的依赖性，应该使Vz和VBE具有相同的温度系数，因此应该使用具备温度补偿功能的二极管或者如图1c那样使用镜像电流源结构。为了获得较高准确度的电流源，图1c使用了一个具有共基极特点的PNP对管，使得两个三极管具有几乎相同的特性（如VBE和hEF），则会获得Is×R2=Iout×R1，最终使Iout有规律地变化。

如果要获得性能更加优良的电流源，就需要使用运算放大器。图1d是通过R1控制的确保恒定电流I流入负载RL的基于运算放大器的电流源电路。图1a～图1d都是基于单极性电流源设计的，而要满足医用泄漏电流测试仪的检定要求，需要研发双极性电流源。图1e是双极性电流源的一个典型电路，即将Vs接在反向器的一侧，代替反向输入与输出间的电阻所产生的电压，这时流过RL的电流IL=Vs/R1。图1f依赖Rs、RL、R1和R2的电阻平衡以及运算放大器的CMR特性，因此在长期使用后，性能会出现下降。为了克服图1e电路中遇到的应用问题，图2a电路中增加了运算放大器对图1f电路进行改进。为了进一步克服Vs内阻对设计性能的影响，又在Vs的输出端加入两个运算放大器作为电压跟随器，具体如图2b所示。

尽管图2b中的电路有良好的频率特性和输出准确性，但存在以下缺点：1）受限于大量使用运算放大器，其输出电压不会超过运算放大器的供电电压范围（一般为-15 V～+15 V）；2）运算放大器输出的带载能力有限，难以满足10 mA输出电流的要求；3）Vs是浮空注入两个电压跟随器的，不符合常用的信号源使用方法。因此，该电路不能满足全部医用泄漏电流测试仪的检定要求。

按照JJG 843—2007中的阐述，测试仪泄漏电流示值误差的检定主要有标准电流源法、标准数字表法和试验电压法3种溯源方法。如图3a所示，标准电流源法直接将标准电流源与被检测仪器连接，调节标准电流源输出各个检定点电流，并将标准电流源的设定输出值作为实际值。这种方法操作简便，是3种方法中最容易掌握的，但受限于标准电流源的带载能力，满足检定需求的商用标准电流源几乎没有。标准数字表法又分为标准数字电流表和可调稳流电源法（见图3b）、标准数字电流表和可调稳压电源法（见图3c），以及标准数字电压表和可调稳压电源法（见图3d）3种方法。由于标准电流源法要求电流源具备足够高的输出电压，造成电流源的选择较为困难，因此采用标准数字表法对其进行“修正”。标准数字表法的接线相对复杂，并且需要串联可调无感电阻。出于同样的原因，规程中也提出了试验电压法（见图3e、图3f）。

经分析，在进行测试仪泄漏电流示值误差的检定时需要使用标准电流源，而在进行输入电路时间常数测量时需要使用标准电压源。无论是标准电流源还是标准电压源，都需要其具备10 Hz～100 kHz的频带要求。对于标准电流源、电压源，除了对其输出准确性、稳定性要求外，还有带载能力这个关键指标。按照JJG 843—2007中的要求（在兼具普通泄漏电流分析仪校准能力时），标准电流源需要具备20 mA的输出能力，最大负载为1 kΩ，因此该电流源至少应具备输出20 Vrms电压的能力（相当于峰值为28.3 V的正弦波）。目前，市場上很少有输出电压峰峰值达到57 V且具备高带宽输出能力的交流电流源/电压源，因此设计一台满足上述带宽和输出能力的电流源/电压源是本文的主要任务之一。

从图4中可以发现输入阻抗会随着频率的升高快速降低，经计算得出：在1 kHz时，输入阻抗为707.1Ω；在10 kHz时，输入阻抗为99.5Ω；在100 kHz时，输入阻抗为9.995Ω；在1 MHz时，输入阻抗约为1Ω。可以推算本设计中的交流可调稳压源的输出电压峰值应满足表1中的要求。

本文采用图3e的方法实现测试仪泄漏电流示值误差的检定。根据JJG 843—2007中的要求，确定要设计的交流可调稳压源基本参数如下：1）输出电压最大峰峰高于114 V；2）输出正弦波信号的频带范围为10 Hz～100 kHz；3）失真率（THD）优于1%；4）能够为1 kΩ负载提供10 mA的电流输出能力（10 kHz频率下）；5）输出信号频率在20 kHz以内时，输出采用功率放大方式；6）输出信号频率在20 kHz～1 MHz时，输出采用运放扩流方式。

由于输出信号频率在20 kHz～1 MHz时，输出信号的幅值在运放的工作电压范围内，使用运放与推挽电路很容易达到设计要求，因此本设计的难点集中在输出频率在20 kHz以内时的功率放大模块设计上。下文如无特殊说明，在介绍医用泄漏电流测量仪校准装置的实现技术时，所使用的频带范围都默认在20 kHz以内。根据设计指标要求，本课题研制医用泄漏电流分析仪校准装置的基本结构如图5所示。其主要由基带信号发生模块、功率放大模块、数据采集模块、控制模块、显示模块、键盘模块、通信模块和电源模块组成。为了便于调试和安装，本装置将基带信号发生模块、数据采集模块、控制模块、显示模块、键盘模块、通信模块集成在基带信号电路板上，主要完成基带信号的输出（50 Hz～1 MHz，0～4 V）、人机交互（显示、键盘控制）、仪器与电脑/标准表通信以及反馈电压采集工作。功率放大模块用于对基带信号发生模块输出的小信号进行21倍放大（约26 dB）。电源模块用于为功率放大模块提供±60 V直流电压，为基带信号电路板提供±15 V和+5 V直流电压。工作时，控制模块根据用户的设定值控制基带信号发生模块输出一定频率和幅值的电压，并经过功率放大模块放大后输出到待校准的医用漏电分析仪（DUT）上。同时，控制模块通过数据采集模块采集功率放大模块中使用电阻网络反馈的电压信号，并根据该电压信号计算出通过DUT的电流，然后根据该计算值对输出电压进行调整，直到电流值接近用户设定值后，显示当前实际的电流测量值。用户可以将本装置的显示值与DUT的示值进行比较，进而判断DUT是否满足指标要求。

如图5所示，医用漏电分析仪校准装置中的基带信号电路板部分为常规技术，技术人员通过MCU配合成品芯片的方式可以实现类似功能。本文仅对功率放大模块中的推挽放大电路的进行介绍。

装置设计要求输出信号峰峰值达到114 V，考虑裕量，将装置功放部分的供电电压定为±60 V，则根据此电压确定功放中所用的三极管的VCEO和VCBO达120 V。由于基带信号发生器模块的输出电压为±3 V，设定功放的放大倍数为20倍，即高于26 dB。根据功放的带宽设计要求，需要使用的三极管的特征频率优于500 kHz×20=10 MHz。根据功放的输出能力要求，考虑到裕量，得到功放至少需要输出8 W的信号。据此，选择东芝公司的TTC004B和TTA004B作为功放推挽输出部分的三极管，这两种管具备：160 V的耐压能力、100 MHz的特征频率、集电极功率为10 W、集电极电流最大为1.5 A（在单向60 V供电时，集电极电流可以达到30 mA以上），满足推挽输出部分的要求；选择东芝公司的共发射极单片双三极管HN4C06J和共基极单片双三极管HN4C51J作为差动放大电路关键部分和渥尔曼电路变换关键部分，这两种管具备：120 V的耐压能力、100 MHz的特征频率、集电极功率为150 MW、集电极电流最大为0.1A，满足输入部分的要求。

为使T2、T3和T8工作正常，这里暂定它们的静态电流为10 mA，为使T2正常工作，设定T2的发射极电阻静态电压达到2 V，那么可以确定T2的发射极电阻为R3=2 V/10 mA=200Ω，A点的静态电压为VA=2 V+VBE2=2.7 V，从而确定使用2.6～2.7 V稳压管，由此可以计算流过T6发射极电阻R1的电流为（2.7-VBE6）/1 kΩ= 2 mA。由于T6的增益范围为200～700，这里取中间值作为其增益，即hFE6=（200×700）0.5=374，又由于T2的增益hFE2=80，由此设定流经R8的电流为（10 mA/hFE2×10+2 mA/hFE6×10）≈0.4 mA，这里设定为0.5 mA，由此确定R8=（120 V-2.7 V）/0.5 mA=234 kΩ，为了方便使用，这里将R8定为100 kΩ以内。由于HN4C06J的饱和压降VCE（SAT）=0.3 V，所以设定自举稳压管SD2为2.6～2.7 V稳压管，由于HN4C06J的基极电位在0 V左右，所以确定B点电位VB为-0.7 V，得到C点电位为VC=VB+VSD2=2 V，那么R10两端的静态电压为（60 V-2 V）=58 V。HN4C51J的增益范围为200～700，这里取中间值作为其增益，则其增益值为374，由此设定流经R10的电流为（1 mA/374×10×2）≈50μA，则R10的阻值应小于（58 V/50μA）≈1 MΩ，这里设定为500 kΩ。为使T8能够正常工作，则设定T8的发射极电阻R2两端的电压为2 V，由于流经R2的电流为10 mA，则确定R2的阻值为200Ω，并由此确定D点的电位VD= 2 V+VBE2=2.7 V。由于流经R12的静态电流为1 mA，则确定R12的阻值为（2.7 V/1 mA）=2.7 kΩ，为了方便使用，这里设定其为2.5kΩ，根据经验，这里假定流经T3集电极电流与流经R4、R5的电流为9∶1的关系，那么可以计算流经R4的电流为1 mA，则确定R4的阻值最大为（VBE3/1 mA）=700Ω，这里设定R4的电阻为600Ω。由于T3的集电极和发射极两端电压为推挽部分的T1、T7提供偏置电压，并且使推挽电路有足够的静态工作电流（此处设定该静态工作电流为0.02A，保护电阻R6和R7的阻值都为5Ω），所以计算得到R5的阻值为1 kΩ，实际应用时采用变阻器进行微调。考虑到功放电路的放大倍数为26倍，所以此处设定负反馈电阻R9和R11的阻值分别为39 kΩ和3 kΩ。

装置在应用时所带的负载为2 kΩ，类型为甲乙类功放，所以预估其最大集电极损耗PC，其中Vcc为供电电压值（这里是120 V），RL为2 kΩ，经计算，PC为0.72 W。由于这个功耗十分小，所以采用普通的小型散热器即可，但T3、T1和T7仍然要进行热耦合。

功率放大模块中的电阻网络电路用于与负载RL构成分压器，对功放的输出信号进行分压，然后将分压后的小信号输入到数据采集模块中，以构成反馈回路，实现功放输出信号的自动调节。本装置的数据采集模块使用AD637作为交直流信号转换芯片，其准确度的最高工作范围在0～2 Vrms，因此要对功放的输出信号进行分压，并将分压后的信号控制在2 Vrms以内。由于在200μArms～20 mArms的范围内使用1组电阻网络进行分压和反馈难以获得有效的设计准确度，因此本装置设计了3组电阻分压网络，进而实现3个量程的测量能力（20μArms～200μArms、200μArms～2 mArms和2 mArms～20 mArms），以保障装置的测量准确度。

本文采用图6所示的连接方式对本装置输出标准泄漏电流的能力进行测试。为了满足医用泄漏电流分析仪的校准需求，测试的频率范围为50 Hz～150 kHz，测试的电流有效值范围为0.1～10 mA。图6中电脑通过GPIB控制数字多用表FLUKE8846进入交流电流触发测量模式，通过USB控制本装置输出指定频率下的交流电流，在装置输出稳定后，控制FLUKE8846读取当前电流。校准连接中的1 kΩ标准电阻代表被校准仪器的内阻，用于模仿待校准的泄漏电流分析仪。

在校准时控制本装置输出的頻点有50 Hz、100 Hz、200 Hz、500 Hz、1000 Hz、2000 Hz、5000 Hz、10 kHz、20 kHz、50 kHz、100 kHz和150 kHz共计12个；输出的电流有效值点为0.1 mA、0.2 mA、0.5 mA、0.7 mA、1 mA、2 mA、5 mA、7 mA、10 mA共计9个。按照图3e的方法，使用3458A数字万用表作为标准器，本装置主要用于输出相对稳定的高频电流，按照3458A的性能，其指标能达到0.1%。医用泄漏电路分析仪校准装置对1.0173 kΩ负载输出10 mA/100 Hz电流时的现场照片及示波器的截图如图7所示。

经过上面的研究发现，使用文中描述的装置可以实现医用漏电分析仪校准装置关键参数的溯源。本文所述方法成本低、性能稳定，完全适合资金不足的部门快速建立校准能力，开展相关服务。

【参考文献】

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【作者简介】

尚霜霜，男，1971年出生，高级工程师，学士，研究方向为压力、流量计量。

（编辑：李加鹏）