Download Calibración de Equipamiento para Medir corriente de fuga

1
Calibración de Equipamiento para Medir
corriente de fuga
Ing. German Gomez
ITI - Electrónica e Informática, [email protected]
Resumen—La orma internacional IEC 60601-1:2006,
“Medical electrical equipment - Part 1: General requirements
for basic safety and essential performance” establece una serie
de condiciones que deben cumplir los equipos destinados a
medir la corriente de fuga. En este trabajo se explicará el
método desarrollado en el ITI para calibrar estos medidores
y verificar el cumplimiento de lo especificado en dicha norma.
Palabras clave— Calibración, Corriente de fuga,
Electromédicos.
Referencia— El trabajo es el resultado de un Proyecto
conjunto entre el Centro Electrónica e Informática y el Centro
Tecnologías para la Salud y Discapacidad ambos del ITI
(Instituto acional de Tecnología Industrial), como solución al
problema de Calibraciones del Equipamiento Electromédico en
Argentina tanto en el sector público como en el privado.
Fig. 1: Dispositivo de medición (MD).
I. INTRODUCCIÓN
L
A presencia creciente en el mercado Argentino de
analizadores de seguridad eléctrica y de equipos
particulares para medir corrientes de fuga ha generado
una creciente necesidad de verificación y calibración de
dichos instrumentos. Para darle trazabilidad a las
mediciones es que el Instituto Nacional de Tecnología
Industrial desarrolló los procedimientos de calibración para
dichos equipos.
En este trabajo se explica el procedimiento desarrollado
en el Laboratorio de calibraciones del Centro Electrónica e
Informática del INTI para la calibración de equipos que
miden corriente de fuga según las Normas internacionales
IEC 60601 [1] e IEC 62353 [2].
II. REQUERIMIENTOS DE LAS NORMAS
INTERNACIONALES [1]
Para la medición de la corriente de fuga en equipamiento
electromédico las normas internacionales como IEC 60601
e IEC 62353 utilizan una red de ponderación que tiene en
cuenta el efecto fisiológico de la corriente a través del
cuerpo humano incluyendo el corazón [1] y que en conjunto
con el instrumento indicador (voltímetro) se lo denomina
dispositivo de medición (MD) Fig. 1.
Dichas normas establecen además una respuesta en
frecuencia que debe cumplir la red de ponderación (Fig. 2).
Esta curva es la respuesta teórica en frecuencia de los
componentes de la Fig. 1 tomados como ideales. En la
práctica se debe medir la respuesta en frecuencia del
circuito real para ver cuanto se aleja de la respuesta teórica.
El error aceptado en la medición de corriente de fuga es del
3,5 % para frecuencias de 50 y 60 Hz y 5% para las demás
frecuencias [3].
Fig. 2: Respuesta en frecuencia del dispositivo de medición.
El parámetro que caracteriza a la red de ponderación es
la impedancia de transferencia, definida para un valor
determinado de frecuencia (f) de la siguiente manera: Z(f) =
Vout/Iin.
Para calcular la atenuación en dB se toma como
referencia el nivel de impedancia de la red a una frecuencia
de 10 Hz.
Para definir los puntos de calibración analizamos la curva
de respuesta en frecuencia y determinamos los valores de
atenuación para las frecuencias más representativas, con las
mismas definimos los siguientes puntos de calibración:
Frecuencia
[Hz]
10
100
1k
10k
100k
1M
Atenuación
[dB]
0
0
-3
-20
-40
-60
2
III. SISTEMA DE MEDICION
El procedimiento que desarrollamos para calibrar la
respuesta en frecuencia del MD consiste en realizar un
barrido entre 10 Hz y 1 MHz midiendo tanto la corriente de
entrada a la red de ponderación como la tensión de salida
indicada por el instrumento a la salida de dicha red (Fig. 3).
Oscilador RF
Shunt
Indicador
Red de
ponderación
IEC 60601
Amplificador
diferencial
Fig. 5: Caja de conexión.
Voltímetro de RF
Fig. 3: Sistema de calibración de corriente de fuga.
V. CONJUNTO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL –
VOLTIMETRO DE RF
El sistema de calibración se compone de:
- un generador con el cual realizamos el barrido en
frecuencia desde 10 Hz a 1 MHz con el nivel adecuado para
generar corrientes de fuga del orden de los miliamperes;
- una resistencia shunt sobre la que se medirá la caída de
tensión y se obtendrá la corriente circulante mediante la ley
de ohm;
- un amplificador diferencial cuya función es la de actuar de
“buffer” o separador de la tensión en bornes del shunt para
que pueda ser leída por el voltímetro que dispone de un
borne conectado a tierra;
- un voltímetro de RF para medir la tensión a la salida del
amplificador diferencial. Este voltímetro junto con el
amplificador disponen de un ancho de banda de por lo
menos 10 MHz para que su respuesta en frecuencia propia
no influya sobre la calibración de la red de ponderación.
La red de ponderación junto con el indicador son los
dispositivos a calibrar y forman parte del analizador o
medidor de corriente de fuga.
Para medir la caída de tensión en la resistencia shunt se
utiliza el conjunto amplificador diferencial (Fluke DP120) –
voltímetro de RF (HP 3403C) Fig. 6.
Fig. 6: Conjunto amplificador - voltímetro.
IV. RESISTENCIA SHUNT Y CAJA ADAPATADORA
La novedad del método consiste en la selección de la
resistencia shunt. Para la misma se utilizó una resistencia
Rohde & Schwartz BN 33524 [5] de alta frecuencia de
50Ω, por su facilidad de caracterizarla en alta frecuencia
además de su alta disipación y estabilidad (Fig. 4).
Estos equipos tienen trazabilidad a los patrones
nacionales de tensión y la incertidumbre en conjunto en su
respuesta en frecuencia, que es la determinante en este tipo
de medición, es del orden del 0,2 % [4].
VI. CALIBRACIÓN DEL SHUNT
Fig. 4: Resistencia shunt utilizada en la medición de corriente.
Para poder realizar la conexión de la resistencia shunt en
serie se debió preparar una caja adaptadora que se muestra
en la Fig. 5, ya que dicha resistencia y el generador
disponen de conectores BNC.
La salida de la caja permite conectar la resistencia y en
paralelo con ésta, la entrada del amplificador diferencial.
Para poder medir la corriente con precisión se caracterizó
el shunt, esto significa calibrar su respuesta en frecuencia
para asegurar que el valor de impedancia (en modulo y fase)
se mantiene dentro de una determinada tolerancia, ya que
dicho valor es el que se va a utilizar para realizar el cálculo
de corriente.
Para calcular la corriente que efectivamente está
circulando a la entrada del circuito tomamos la siguiente
fórmula: I=V(Shunt)/50Ω, por lo que la incertidumbre en la
calibración de la resistencia es directamente proporcional a
la incertidumbre total de medida del sistema.
Para realizar la Calibración de la resistencia shunt se
utilizó un analizador vectorial de redes/impedancias marca
Agilent modelo 4395A. Analizando los resultados
3
obtenidos observamos que la resistencia tiene una excelente
planicidad tanto en modulo (Fig. 7) como en fase (Fig. 8).
50,25
[2]
50,2
IMPEDANCIA (módulo)
REFERENCIAS
[1]
50,15
[3]
50,1
50,05
50
49,95
49,9
[4]
49,85
49,8
49,75
10000
100000
1000000
[5]
FRECUENCIA
Fig. 7: Variación del módulo de la impedancia del shunt con respecto a la
frecuencia.
0,5
0,4
IMPEDANCIA (fase)
0,3
0,2
0,1
0
-0,1
-0,2
-0,3
-0,4
-0,5
10000
100000
1000000
FRECUENCIA
Fig. 8: Variación de la fase de la impedancia del shunt con respecto a la
frecuencia.
Si tomamos como valor del shunt para el calculo de
corriente una impedancia de modulo 50 Ω con ángulo de
fase 0° vemos que el error introducido por el shunt en todo
el rango de frecuencia de utilización es de 0,3 % en módulo
y 0,2 % en fase.
VII. RESULTADOS FINALES
Se obtuvieron excelentes resultados de repetibilidad en la
calibración de equipamiento de medición de corriente de
fuga, como por ejemplo el equipo Analizador de seguridad
eléctrica marca Fluke modelo ESA 620.
La incertidumbre de medición se encuentra en el orden
del 0,5 % [4] teniendo como fuentes principales la
calibración del shunt y la incertidumbre del voltímetro de
RF.
Como aspecto a mejorar queda aumentar la sensibilidad
de la medición de la tensión de salida de la red de
ponderación en la frecuencia de 1 MHz.
VIII. CONCLUSIONES
Con este trabajo el INTI esta en condiciones de calibrar
equipos que miden corriente de fuga de acuerdo con las
normas de equipamiento electromédico. Lográndose la
trazabilidad a los patrones nacionales, disminuyendo costos
y tiempos de calibración al poder realizarse esta tarea
íntegramente en Argentina.
International Standard IEC 60601-1, “Medical electrical equipment
– general requirements for basic safety and essential
performance”, 2005.
International Standard IEC 62353, “Medical electrical equipment Recurrent test and test after repair of medical electrical
equipment”, 2007.
Documento del Comité Tecnico de Laboratorios del IECEE
(Worldwide System for Conformity Testing and Certification
of Electrotechnical Equipment and Components) número de
publicación: DSH 251B. Título: “Límite de exactitud del
instrumental de ensayo”. Disponible para su descarga de la siguiente
página: http://www.iecee.org/ctl/ctl_decisions.htm.
“Guía para la expresión de incertidumbres de medición”,
traducción INTI-CEFIS de “Guide to the expression of uncertainty
in measurements”, BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML,
1993, [segunda impresión, INTI, 2000].
Brochure of “Attenuators and Matching Pads, Terminations”,
Disponible para su descarga de la siguiente página:
http://www.rsd.de