接觸電流測量中使用的模擬人體網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)

1、學(xué)術(shù)論文Academic Papers接觸電流測量中使用的模擬人體網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)倪 華 金雷鳴/上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院該文通過介紹接觸電流，引岀相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)的測試接觸電流所需的三種模擬 人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，對其計(jì)量屬性進(jìn)行分析，提岀了幾種校準(zhǔn)方法，并對測得的數(shù)據(jù)進(jìn) 行分析，選擇最佳的校準(zhǔn)方法以及所必需配置的儀器。關(guān)鍵詞接觸電流；模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)；校準(zhǔn)；高頻電流國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào) CN31-1424/TB2010/4總第218期學(xué)術(shù)論文Academic Papers國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào) CN31-1424/TB2010/4總第218期學(xué)術(shù)論文Academic Papers0引言接觸電流是漏電流的一種 ，漏電流是

2、指設(shè)備 在外界施加電壓的作用下，相互絕緣的金屬部件 之間或帶電部件與接地部件之間，通過其周圍的介質(zhì)或絕緣表面所形成的電流。泄漏電流可分為兩種：1型電流，在正常條件或單一故障條件下，當(dāng)人體接觸連接到不同電源系統(tǒng)的接地或不接地 的I類或H類設(shè)備時(shí)流過人體的電流；2型電流，在正常條件下流過I類設(shè)備的保護(hù)導(dǎo)體的電流。將流過人體的電流 （1型電流）稱為接觸電流。 因此對接觸電流的定義是：當(dāng)人體或動(dòng)物接觸一 個(gè)或多個(gè)裝置的或設(shè)備的可觸及零部件時(shí)，流過他們身體的電流。接觸電流對人體的效應(yīng)主要有四種：感知、反應(yīng)、擺脫和電灼傷。感知閾值是能引起人體任 何感覺的最小電流值；反應(yīng)閾值是通過人體能引 起肌肉不自覺收縮

3、的最小電流值；擺脫閾值是手握電極的人能自行擺脫電極的最大電流值；電灼傷是電流流過或穿過人體表皮而引起的皮膚或器 官的灼傷的電流值。四種人體效應(yīng)中，感知、反應(yīng)和擺脫與接觸 電流的峰值有關(guān)，并且隨頻率變化而不同；電灼 傷與接觸電流的有效值有關(guān)，而與頻率無關(guān)。所以對于電擊而言是測量電流的峰值，對電灼傷則是測量電流的有效值。1相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)接觸電流簡單地說是流過人體的電流，為能測量電子、電氣產(chǎn)品所產(chǎn)生的接觸電流，就需要使用模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)來模擬測量流過人體的電 流。人體總阻抗由阻性分量和容性分量組成，經(jīng)研究分析采用1750 土 250 Q的電阻值模擬人體 電阻，用0.105 口 F0.1

4、60 口 F的電容量模擬人體 電容，總的原則是模擬時(shí)間常數(shù)為225 口 s 15 口 s為前提，這樣使測得的電流既模擬了人體阻抗又 具有可比性。根據(jù) GB/T12113-2003/IEC 60990:1999 接觸 電流和保護(hù)導(dǎo)體電流的測試方法，規(guī)定了在各種 情況下的三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò) 。圖1為模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)，在電灼傷測量中 使用，圖2為測量感知電流、反應(yīng)電流時(shí)使用的測応端子Rs： 1 500 Q； RB: 500 Q； CS: 0.22 口 F圖1電灼傷測量使用的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò) （含模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)），圖3 是擺脫電流模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)（含模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)），在測量擺脫電

5、流中使用。卸換電涯（感知電泓込應(yīng)電流）Al測號(hào)崩子b?r;TU=nI(pCi *Rs: 1500 Q; Ri： 1000 Q; Rb： 500 Q; Ci： 0.022(i F; Cs: 0.22(i F圖2感知電流、反應(yīng)電流時(shí)使用的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)fA *Rs: 1500 Q; Ri： 500 Q; R2： 10 000 Q; Ra： 20 000 Q;Cs: 0.22（1 F; C2： 0.062（1 F; C3： 0.0091（i Fn :iLJ 1cfHl權(quán)按觸血沌擺腔血血） 5OTA：圖3擺脫電流使用的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)以上三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)都有A、B測量端和輸出電壓Ui,模擬人體阻

6、抗網(wǎng)絡(luò)的上半部分 （尺II Cs）為人體皮膚阻抗,Rb為人體內(nèi)部阻抗， 而判斷是否有觸電的各種反應(yīng)都和輸出電壓Ui有關(guān)。本文認(rèn)為A、B是模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入端, 輸出電壓Ui處是模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸出端。2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的計(jì)量屬性在 GB/T12113-2003/IEC 60990:1999 的 附 錄 中，給出了各個(gè)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)從20Hz-1MHz的輸入輸出的校準(zhǔn)特性，可以根據(jù)這些表格的數(shù) 據(jù)與實(shí)際測量的數(shù)據(jù)來判斷各模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò) 是否合格。表1是各模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的特性。2.1 頻率現(xiàn)在電子開關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電源系統(tǒng)和 各種儀器設(shè)備中，因而不可避免地會(huì)產(chǎn)生高頻諧 波電壓和高頻泄

7、漏電流。GB/T12113-2003的主要目的是為解決由此產(chǎn)生的安全問題。從表1和表2中的數(shù)據(jù)可看出，各個(gè)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的頻 率特性都需要測量到1 MHz ,因此對于各個(gè)人體模擬阻抗網(wǎng)絡(luò)的測量儀表都需要有高達(dá)1 MHz的頻率響應(yīng)。測試 頻率圖1圖2圖3輸入阻抗U/I傳輸阻抗U輸入阻抗U/I傳輸阻抗U2/I輸入阻抗U/I傳輸阻抗U3/I20 Hz19985001998500199850050 Hz19905001990499199049960 Hz198650019864981986499100 Hz196150019614951961496200 Hz18575001857480185848

8、4500 Hz1434500143340514344271 kHz9795009782849763402 kHz675500661162.96672515 kHz53350051268.3515144.310 kHz50950048534.448779.920 kHz50250047917.2147941.250 kHz5005004776.8947716.63100 kHz5005004763.454768.32200 kHz5005004761.7224764.16500 kHz5005004760.6894761.6661 MHz5005004760.3454760.833表1各模擬人體

9、阻抗網(wǎng)絡(luò)的特性2.2輸入阻抗輸入阻抗可以認(rèn)為是人在觸電時(shí)的整個(gè)人身 體的阻抗，即從模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入端（上圖中的A、B端）看入的阻抗大小，可用高頻儀 器直接測量輸出端的阻抗值。2.3傳輸阻抗傳輸阻抗是模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)輸出端的電壓 與人體觸電電流的比值。由于傳輸阻抗的特殊定義，一般無法用現(xiàn)有的儀器設(shè)備直接測得，但是可以通過測量一些相關(guān)的數(shù)據(jù)來計(jì)算出傳輸阻抗。以圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)為例：假設(shè)輸入阻抗為Za，傳輸阻抗為Zb,即Za= U/I ; Zb=U2 /I,因此 乙 /Zb=U/U 2,可得出 Zb=（ZaX U2）/U。在2.2中提到輸入阻抗可以用儀器直接測 量而得到，因此在上述公式中的

10、乙、U2、U是已知的，通過計(jì)算就能十分容易地得到傳輸阻抗Zb的值。另外如果有咼頻無感電阻（測試頻率DC 1 MHz或更高）,可以用其作為取樣電阻串聯(lián)在測 量回路中，測量無感電阻兩端的電壓再換算成電 流，在輸入端就能直接測量出電流值I,同時(shí)再測量出U2的值，就能很容易地計(jì)算出傳輸阻抗 。根據(jù)圖2、圖3的計(jì)算公式，加權(quán)接觸電流 是由模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)輸出端的比值計(jì)算出的，所以判斷是否觸電和傳輸阻抗有很大關(guān)系。傳輸國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào) CN31-1424/TB2010/4總第218期學(xué)術(shù)論文Academic Papers阻抗的校準(zhǔn)是整個(gè)接觸電流模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的 重點(diǎn)，也是比較困難和復(fù)雜的測量項(xiàng)目。3模擬人體

11、阻抗網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)3.1設(shè)備根據(jù)以上對模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的頻率、輸入阻抗、傳輸阻抗的分析，選擇高精度高頻響的 數(shù)字多用表如 FLUKE 8508A、示波器 （DC100 MHz 或頻率更高）女口 Agolent 54624A、LCR 測 試儀（測試頻率20 Hz1 MHz或頻率更寬）如 Agolent 4284A、高穩(wěn)定度的信號(hào)發(fā)生器（DC1MHz或更高）、雙通道高精度電子電壓表 （測試 頻率DC 1 MHz或更高）、高頻無感電阻 （測試 頻率DC 1 MHz或更高，阻抗在1 k Q以上）。選用菊水的TOS 3200的內(nèi)置模擬人體阻抗網(wǎng) 絡(luò)作為被校準(zhǔn)對象，因?yàn)樵搩x器的內(nèi)置模擬人體 阻抗網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出

12、端都有校準(zhǔn)端口 ，可以很方 便地對輸入端施加電壓,同時(shí)也可以方便地測量輸出端的電壓，得到所需的測量數(shù)據(jù)。3.2輸入阻抗的校準(zhǔn)輸入阻抗的校準(zhǔn)比較方便 ，只要在輸入端直 接測量就可以，有兩種方法。3.2.1方法1需要使用信號(hào)發(fā)生器、無感電阻、數(shù)字多用表或電子電壓表（圖4）。圖4輸入阻抗的校準(zhǔn)接線根據(jù)圖4進(jìn)行接線，信號(hào)發(fā)生器輸出 DC1 MHz的電壓信號(hào),施加到模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸 入端（A、B）,數(shù)字多用表或電子電壓表（2）測量 輸入端的電壓值，即為U。數(shù)字電壓表或電子電 壓表（1）監(jiān)測高頻電阻兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律可計(jì)算出流過電阻的電流，同時(shí)也是流入模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的電流，即為I。所以可以根據(jù)

13、U/I計(jì) 算出輸入阻抗。改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，測量在不同頻率下模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。3.2.2方法2是使用LCR儀對模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò) 的輸入端A、B兩端直接測量，改變LCR的測試iR5M?SI tMT HSR ISMTTl癱it -t測就頻率，測量在不同頻率下模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗。表2是分別使用兩種方法對圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測量所得到數(shù)據(jù)。表2使用兩種方法對圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)所得數(shù)據(jù)測試頻率標(biāo)準(zhǔn)值方法1方法1方法2數(shù)字多用表電子電壓表LCR儀輸入阻抗U/I輸入阻抗U/I輸入阻抗U/I輸入阻抗U/I20 Hz199819991999200050 Hz199019911991

14、199160 Hz1986198519841985100 Hz1961196119631962200 Hz1857185218531857500 Hz14331431143114321 kHz9789759759762 kHz661660661 6625 kHz51250950851110 kHz48548348748620 kHz47947347747850 kHz477472475476100 kHz476469474475200 kHz476467474474500 kHz4764664734741 MHz4764594704723.2.3從表2可以看出兩種方法測得結(jié)果相差不 大，在方法

15、1中，使用數(shù)字多用表測得在高頻時(shí) 的結(jié)果與其他兩個(gè)的結(jié)果略有區(qū)別，主要是數(shù)字多用表的頻響不是很高，但還是在誤差的允許范 圍之內(nèi)。方法2相對于方法1,測得的數(shù)據(jù)更接 近于理論值，主要是LCR使用4線法測試，接線 比較短，基本不受干擾；數(shù)據(jù)直接讀出，不需要計(jì)算, 也避免了計(jì)算所產(chǎn)生的誤差。因此方法2是既簡單，測量精度又高。3.3傳輸阻抗的校準(zhǔn)傳輸阻抗校準(zhǔn)也有兩種方法，在2.3的推導(dǎo)中, 可知其中一種方法需要在測得輸入阻抗后才能得 出傳輸阻抗。3.3.1直接測量法，這種方法與3.2.1所需要的設(shè) 備一樣，按圖5接線。由信號(hào)發(fā)生器給出某個(gè)頻率的信號(hào) ,用數(shù)字 多用表或電子電壓表（2）測得電壓值 Ux,

16、然后除以數(shù)字多用表或電子電壓表 （1）測得的數(shù)據(jù)， 計(jì)算出輸入端的電流I，得到這個(gè)模擬人體阻抗網(wǎng) 絡(luò)在該頻率下的傳輸阻抗。改變信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，測得不同頻率時(shí)的模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)傳國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào) CN31-1424/TB2010/4總第218期學(xué)術(shù)論文Academic Papers圖5 傳輸阻抗直接測量法接線圖輸阻抗。332間接測量法，這種方法前提是要在測得各 個(gè)輸入阻抗數(shù)據(jù)后，通過對所測量輸入輸出端的 電壓值來計(jì)算求得傳輸阻抗。使用設(shè)備(除不用 取樣電阻外)與直接測量法基本相同，接線如圖6,圖6 傳輸阻抗間接測量法接線圖在信號(hào)發(fā)生器發(fā)出不同頻率的同時(shí)，分別由2個(gè)數(shù)字多用表或電子電壓表記錄下輸

17、入與輸出 端的電壓，用2.3中推導(dǎo)出的公式 B=(A X Ui ) / U , 計(jì)算出傳輸阻抗。表3是用上述兩種方法測量圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)所得到的數(shù)據(jù)，其中間接測量法使用的輸 入阻抗的數(shù)據(jù)為LCR直接測量所得的。3.3.3在兩種測量方法中，使用數(shù)字多用表測量 電壓時(shí)，隨著測量頻率的增高測量誤差也逐漸增 大，特別是在測量圖2和圖3模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò) 的情況。因?yàn)槟M人體阻抗網(wǎng)絡(luò)在高頻時(shí)輸出端 的電壓特別小，只有幾個(gè)毫伏，一般數(shù)字多用表 最小量程也要幾十毫伏，因此會(huì)產(chǎn)生很大的測量 誤差，同時(shí)在頻率增大時(shí)又會(huì)產(chǎn)生一些附加誤差 以及高頻干擾等，所以無論直接測量還是間接測 量，使用數(shù)字多用表所得到的測量

18、結(jié)果其誤差都 會(huì)比較大。在兩種測量方法中，使用電子電壓表所得到 的測量結(jié)果比較令人滿意，而且一般電子電壓表都是雙通道的，只需使用一臺(tái)就能同時(shí)測量出兩 個(gè)測量點(diǎn)的電壓值，相對于數(shù)字多用表方便了許 多。但是直接測量中需要使用高頻電阻作為電流表3測量圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)測試 頻率標(biāo)準(zhǔn)值直接測量間接測量數(shù)字多用表電子電壓表數(shù)字多用表電子電壓表輸入阻抗U/I輸入阻抗U/I輸入阻抗U/I輸入阻抗U/I輸入阻抗U/I20 Hz50049949949950050 Hz49949949949849960 Hz498498498498498100 Hz495494495495496200 Hz4804794

19、79481481500 Hz4054044054064041 kHz2842832842822852 kHz162.9162.1162.6162.8162.75 kHz68.367.868.168.268.110 kHz34.434.134.334.634.520 kHz17.2117.3617.2617.3817.2450 kHz6.896.946.886.956.92100 kHz3.453.533.413.563.47200 kHz1.7221.7631.7361.7521.726500 kHz0.6890.7130.6920.7050.6881 MHz0.3450.3680.3520.

20、3550.348測量時(shí)的取樣電阻來得到模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的輸 入電流，由于接入了取樣電阻使得A、B端的輸入電壓因?yàn)榉謮憾鴾p小 ，從而輸出端的電壓也會(huì) 隨之降低，造成最后的測量結(jié)果誤差變大。為了 提高輸出端電壓的測量準(zhǔn)確度，適當(dāng)提高A、B輸入端的輸入電壓，以便間接提高輸出端的測量 精度。4 總結(jié)通過以上的分析，校準(zhǔn)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò) 比較簡單方法是：使用LCR測量模擬人體阻抗 網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗，再使用信號(hào)發(fā)生器與電子電壓 表結(jié)合測量其傳輸阻抗。這個(gè)方法不僅能對 GB/ T12113-2003中規(guī)定的三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 校準(zhǔn)，也能對IEC規(guī)定的一些其他模擬人體阻抗 網(wǎng)絡(luò)開展校準(zhǔn)，如模擬人體濕手的模

21、擬人體阻抗 網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)療設(shè)備及其他科學(xué)儀器的模擬人體阻抗 網(wǎng)絡(luò)等。但是，通過以上方法校準(zhǔn)模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò) 只是第一步，現(xiàn)在市場上一些接觸電流測試儀的 模擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)是直接內(nèi)置在儀器里，并沒有為校準(zhǔn)而預(yù)留出相應(yīng)的輸入輸出端的測量端口，所以無法直接使用上述方法來進(jìn)行測量 ，需要在 上述方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的探索和研究 ，以 解決沒有預(yù)留校準(zhǔn)端口的接觸電流測試儀內(nèi)置模國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào) CN31-1424/TB2010/4總第218期學(xué)術(shù)論文Academic Papers擬人體阻抗網(wǎng)絡(luò)的校準(zhǔn)。注：i類電器一一該類電器的防觸電保護(hù)不僅依靠基本絕緣，而且還有一個(gè)附加預(yù)防措施，其方法是將易觸及的導(dǎo)電部件與已安

22、裝在固 定線路中的保護(hù)接地導(dǎo)線連接起來，使易觸及的導(dǎo)電部件在基本絕 緣損壞時(shí)不成為帶電體。例如，國產(chǎn)電冰箱多為I類電器。ii類電器一一該類電器在防止觸電保護(hù)方面，不僅依靠基本絕緣，而且還具有附加的安全預(yù)防措施。其方法是采用雙重絕緣或加 強(qiáng)絕緣結(jié)構(gòu)，但沒有保護(hù)接地或依靠安裝條件的措施。例如，國內(nèi) 生產(chǎn)的電熱毯多為 ii類電器。參考文獻(xiàn)：1 中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.B/T12113-2003/IEC 60990:1999SS.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.2 全國建筑物電氣裝置標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 13870.1-1992S.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.3 中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.

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24、i on of MDs used for measur ing touchcurre ntsNi hua Jin leimi ng(Shan ghai In stitute of Quality In spect ion and Tech ni cal ResearchAbstract : This essay ?rst de?nes the touch current, then introduces three kinds of measuring devices (MDs) according to relevant standards, and analyzes the measuri

25、ng attributes of the three MDs. After that, this essay 中國標(biāo) 準(zhǔn)puts forward several calibration methods. By comparing the calibration results, it concludes with the best calibration method and necessary instruments.Key words : touch current; measuring device (MD); calibration; high- frequency current國內(nèi)

26、統(tǒng)一刊號(hào) CN31-1424/TB2010/4總第218期學(xué)術(shù)論文Academic Papers國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào) CN31-1424/TB2010/4總第218期學(xué)術(shù)論文Academic Papers(上接第17頁)4結(jié)論及建議通過對以上幾組靜電放電發(fā)生器進(jìn)行校驗(yàn)比 較，可以得出以下結(jié)論：非接觸方法校驗(yàn)的數(shù)據(jù) 與手持校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器有著明顯的差異。利 用手持方式校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器，由于每個(gè)人的 個(gè)體不同，帶來的校驗(yàn)結(jié)果千變?nèi)f化，而使用非 接觸方法校驗(yàn)，能一舉消除外界的干擾，使得數(shù) 據(jù)更為真實(shí)、可靠、有效。即將出版的新版靜電放電模擬器校準(zhǔn)規(guī) 范2中明確規(guī)定“在校準(zhǔn)過程中，靜電放電模擬 器安裝在三腳架或者等效的非金屬的低損耗支持 物上?！彼?，建議在校驗(yàn)靜電放電發(fā)生器時(shí)， 嚴(yán)格按照校準(zhǔn)規(guī)范中的規(guī)定操作。另外，在進(jìn)行 靜電放電發(fā)生器試驗(yàn)時(shí)，也可利用三角架或等效 的非金屬的低損耗支持物，從而保證試驗(yàn)的有效 性、可靠性。參考文獻(xiàn)：1全國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) .GB/T 17626.2-2006S.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.2全國無線電計(jì)量技術(shù)委員會(huì).靜電放電模擬器校準(zhǔn)規(guī)范(征求意見稿)S.Difference in calibrati on for electrostaticdischarge gen erator betwe