接觸電流測量中使用的模擬人體網(wǎng)絡的校準

1、學術論文Academic Papers接觸電流測量中使用的模擬人體網(wǎng)絡的校準倪 華 金雷鳴/上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院該文通過介紹接觸電流，引岀相關標準中對應的測試接觸電流所需的三種模擬 人體阻抗網(wǎng)絡，對其計量屬性進行分析，提岀了幾種校準方法，并對測得的數(shù)據(jù)進 行分析，選擇最佳的校準方法以及所必需配置的儀器。關鍵詞接觸電流；模擬人體阻抗網(wǎng)絡；校準；高頻電流國內統(tǒng)一刊號 CN31-1424/TB2010/4總第218期學術論文Academic Papers國內統(tǒng)一刊號 CN31-1424/TB2010/4總第218期學術論文Academic Papers0引言接觸電流是漏電流的一種 ，漏電流是

2、指設備 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類設備時流過人體的電流；2型電流，在正常條件下流過I類設備的保護導體的電流。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：當人體或動物接觸一 個或多個裝置的或設備的可觸及零部件時，流過他們身體的電流。接觸電流對人體的效應主要有四種：感知、反應、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。四種人體效應中，感知、反應和擺脫與接觸 電流的峰值有關，并且隨頻率變化而不同；電灼 傷與接觸電流的有效值有關，而與頻率無關。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相關標準中的模擬人體阻抗網(wǎng)絡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 電流和保護導體電流的測試方法，規(guī)定了在各種 情況下的三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡 。圖1為模擬人體阻抗網(wǎng)絡，在電灼傷測量中 使用，圖2為測量感知電流、反應電流時使用的測応端子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)絡模擬人體阻抗網(wǎng)絡 （含模擬人體阻抗網(wǎng)絡），圖3 是擺脫電流模擬人體阻抗網(wǎng)絡（含模擬人體阻抗網(wǎng)絡），在測量擺脫電

5、流中使用。卸換電涯（感知電泓込應電流）Al測號崩子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、反應電流時使用的模擬人體阻抗網(wǎng)絡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)絡以上三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡都有A、B測量端和輸出電壓Ui,模擬人體阻

6、抗網(wǎng)絡的上半部分 （尺II Cs）為人體皮膚阻抗,Rb為人體內部阻抗， 而判斷是否有觸電的各種反應都和輸出電壓Ui有關。本文認為A、B是模擬人體阻抗網(wǎng)絡的輸入端, 輸出電壓Ui處是模擬人體阻抗網(wǎng)絡的輸出端。2模擬人體阻抗網(wǎng)絡的計量屬性在 GB/T12113-2003/IEC 60990:1999 的 附 錄 中，給出了各個模擬人體阻抗網(wǎng)絡從20Hz-1MHz的輸入輸出的校準特性，可以根據(jù)這些表格的數(shù) 據(jù)與實際測量的數(shù)據(jù)來判斷各模擬人體阻抗網(wǎng)絡 是否合格。表1是各模擬人體阻抗網(wǎng)絡的特性。2.1 頻率現(xiàn)在電子開關技術被廣泛應用于電源系統(tǒng)和 各種儀器設備中，因而不可避免地會產(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，各個模擬人體阻抗網(wǎng)絡的頻 率特性都需要測量到1 MHz ,因此對于各個人體模擬阻抗網(wǎng)絡的測量儀表都需要有高達1 MHz的頻率響應。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)絡的特性2.2輸入阻抗輸入阻抗可以認為是人在觸電時的整個人身 體的阻抗，即從模擬人體阻抗網(wǎng)絡的輸入端（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)有的儀器設備直接測得，但是可以通過測量一些相關的數(shù)據(jù)來計算出傳輸阻抗。以圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡為例：假設輸入阻抗為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,同時再測量出U2的值，就能很容易地計算出傳輸阻抗 。根據(jù)圖2、圖3的計算公式，加權接觸電流 是由模擬人體阻抗網(wǎng)絡輸出端的比值計算出的，所以判斷是否觸電和傳輸阻抗有很大關系。傳輸國內統(tǒng)一刊號 CN31-1424/TB2010/4總第218期學術論文Academic Papers阻抗的校準是整個接觸電流模擬人體阻抗網(wǎng)絡的 重點，也是比較困難和復雜的測量項目。3模擬人體

11、阻抗網(wǎng)絡的校準3.1設備根據(jù)以上對模擬人體阻抗網(wǎng)絡的頻率、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的內置模擬人體阻抗網(wǎng) 絡作為被校準對象，因為該儀器的內置模擬人體 阻抗網(wǎng)絡輸入與輸出

12、端都有校準端口 ，可以很方 便地對輸入端施加電壓,同時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輸入阻抗的校準輸入阻抗的校準比較方便 ，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輸入阻抗的校準接線根據(jù)圖4進行接線，信號發(fā)生器輸出 DC1 MHz的電壓信號,施加到模擬人體阻抗網(wǎng)絡的輸 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)歐姆定律可計算出流過電阻的電流，同時也是流入模擬人體阻抗網(wǎng)絡的電流，即為I。所以可以根據(jù)

13、U/I計 算出輸入阻抗。改變信號發(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 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)絡進行測量所得到數(shù)據(jù)。表2使用兩種方法對圖2模擬人體阻抗網(wǎng)絡所得數(shù)據(jù)測試頻率標準值方法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 的結果與其他兩個的結果略有區(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。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，不需要計算, 也避免了計算所產(chǎn)生的誤差。因此方法2是既簡單，測量精度又高。3.3傳輸阻抗的校準傳輸阻抗校準也有兩種方法，在2.3的推導中, 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 備一樣，按圖5接線。由信號發(fā)生器給出某個頻率的信號 ,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)， 計算出輸入端的電流I，得到這個模擬人體阻抗網(wǎng) 絡在該頻率下的傳輸阻抗。改變信號發(fā)生器的輸出頻率，測得不同頻率時的模擬人體阻抗網(wǎng)絡傳國內統(tǒng)一刊號 CN31-1424/TB2010/4總第218期學術論文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 電壓值來計算求得傳輸阻抗。使用設備(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發(fā)生器發(fā)出不同頻率的同時，分別由2個數(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中推導出的公式 B=(A X Ui ) / U , 計算出傳輸阻抗。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，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 的情況。因為模擬人體阻抗網(wǎng)絡在高頻時輸出端 的電壓特別小，只有幾個毫伏，一般數(shù)字多用表 最小量程也要幾十毫伏，因此會產(chǎn)生很大的測量 誤差，同時在頻率增大時又會產(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、結果其誤差都 會比較大。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，只需使用一臺就能同時測量出兩 個測量點的電壓值，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)絡的數(shù)據(jù)測試 頻率標準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測量時的取樣電阻來得到模擬人體阻抗網(wǎng)絡的輸 入電流，由于接入了取樣電阻使得A、B端的輸入電壓因為分壓而減小 ，從而輸出端的電壓也會 隨之降低，造成最后的測量結果誤差變大。為了 提高輸出端電壓的測量準確度，適當提高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 總結通過以上的分析，校準模擬人體阻抗網(wǎng)絡 比較簡單方法是：使用LCR測量模擬人體阻抗 網(wǎng)絡的輸入阻抗，再使用信號發(fā)生器與電子電壓 表結合測量其傳輸阻抗。這個方法不僅能對 GB/ T12113-2003中規(guī)定的三種模擬人體阻抗網(wǎng)絡進行 校準，也能對IEC規(guī)定的一些其他模擬人體阻抗 網(wǎng)絡開展校準，如模擬人體濕手的模

21、擬人體阻抗 網(wǎng)絡和醫(yī)療設備及其他科學儀器的模擬人體阻抗 網(wǎng)絡等。但是，通過以上方法校準模擬人體阻抗網(wǎng)絡 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)絡是直接內置在儀器里，并沒有為校準而預留出相應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行測量 ，需要在 上述方法的基礎上進行進一步的探索和研究 ，以 解決沒有預留校準端口的接觸電流測試儀內置模國內統(tǒng)一刊號 CN31-1424/TB2010/4總第218期學術論文Academic Papers擬人體阻抗網(wǎng)絡的校準。注：i類電器一一該類電器的防觸電保護不僅依靠基本絕緣，而且還有一個附加預防措施，其方法是將易觸及的導電部件與已安

22、裝在固 定線路中的保護接地導線連接起來，使易觸及的導電部件在基本絕 緣損壞時不成為帶電體。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方面，不僅依靠基本絕緣，而且還具有附加的安全預防措施。其方法是采用雙重絕緣或加 強絕緣結構，但沒有保護接地或依靠安裝條件的措施。例如，國內 生產(chǎn)的電熱毯多為 ii類電器。參考文獻：1 中國電子技術標準化研究所.B/T12113-2003/IEC 60990:1999SS.北京：中國標準出版社，2003.2 全國建筑物電氣裝置標準化技術委員會.GB/T 13870.1-1992S.北京：中國標準出版社，1992.3 中國電子技術標準化研究所.

23、GB 8898-2001S. 北京：出版社，2001.4 江守和，滿忠雷，周保華等.關于家電標準中“泄漏電流”的認識和淺析J. 日用電器，2007(02)： 52-53.http:/-7 -叩艸“口尸I麗時 W 下訥、電|wr工側量測誡5 李辛毅多網(wǎng)絡通用型泄漏電流測試儀的設計J.科協(xié)論壇，2009 (02)： 49.6 劉宇.泄漏電流測試儀輸入電阻的校準J.科技資訊，2009(05)： 51 .7 劉群興.接觸電流測量網(wǎng)絡淺析EB/OL. / 中國賽寶實驗室www .1 ightingchina.eom/_img_zhuanti/3/774/2008100842042673.Calibrat

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 準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

26、統(tǒng)一刊號 CN31-1424/TB2010/4總第218期學術論文Academic Papers國內統(tǒng)一刊號 CN31-1424/TB2010/4總第218期學術論文Academic Papers(上接第17頁)4結論及建議通過對以上幾組靜電放電發(fā)生器進行校驗比 較，可以得出以下結論：非接觸方法校驗的數(shù)據(jù) 與手持校驗靜電放電發(fā)生器有著明顯的差異。利 用手持方式校驗靜電放電發(fā)生器，由于每個人的 個體不同，帶來的校驗結果千變萬化，而使用非 接觸方法校驗，能一舉消除外界的干擾，使得數(shù) 據(jù)更為真實、可靠、有效。即將出版的新版靜電放電模擬器校準規(guī) 范2中明確規(guī)定“在校準過程中，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。”所以，建議在校驗靜電放電發(fā)生器時， 嚴格按照校準規(guī)范中的規(guī)定操作。另外，在進行 靜電放電發(fā)生器試驗時，也可利用三角架或等效 的非金屬的低損耗支持物，從而保證試驗的有效 性、可靠性。參考文獻：1全國電磁兼容標準化技術委員會 .GB/T 17626.2-2006S.北京：中國標準出版社，2007.2全國無線電計量技術委員會.靜電放電模擬器校準規(guī)范(征求意見稿)S.Difference in calibrati on for electrostaticdischarge gen erator betwe