Рабочее место в лаборатории и измерительные приборы
МПС СССР
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА
И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Кафедра охраны труда А.М.АННЕНКОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе № 12
по дисциплине «ОХРАНА ТРУДА»
Москва— 1982
МПС СССР
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА
И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Кафедра охраны труда
А. М. АННЕНКОВ
Утверждено
редакционно-издательским
советом института
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
Методические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе № 12
по дисциплине «ОХРАНА ТРУДА»
Москва- 1982
Зависимость сопротивления Z om частоты
Зависимость сопротивления Z om тока I4, мA
Цель работы— определить основные параметры электрического сопротивления тела человека;
исследовать влияние частоты тока и площади электродов на величину сопротивления;
оценить опасность поражения электрическим током.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
При эксплуатации различных электроустановок возможно прикосновение человека к токоведущим частям, находящимся под напряжением. В этом случае через тело человека будет протекать ток Л, (мА), величина которого зависит от напряжения прикосновения и электрического сопротивления тела
(1)
где - напряжение прикосновения — напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, В;
Z - электрическое сопротивление тела, кОм.
Ток может вызвать различные физиологические реакции организма [1]. В табл. 1 показано воздействие, которое вызывает постоянный ток .и переменные токи промышленной частоты [2].
Таблица 1
Ток через человека Iч, мА | Характер воздействия | |
Переменный ток f=50÷60 Гц | Постоянный ток | |
0,5-1,5 5-7 8-10 20-25 50-80 | Появление ощущения тока Судороги в руках Сильные боли в руках Паралич рук, сильные боли, дыхание затруднено Остановка дыхания, фибрилляция сердца | Не ощущается Ощущение нагрева Усиление нагрева в зоне контакта Усиление нагрева, начало сокращения мышц рук Сильный нагрев, судороги и затруднение дыхания. |
В зависимости от характера воздействия, согласно ГОСТ 12.1.009—76 «Электробезопасность. Термины и определения» установлена следующая классификация токов:
1. Электрический ток, вызывающий ощутимые раздражения — ощутимый ток. Наименьшее значение этого тока принято называть пороговым ощутимым током.
2. Электрический ток, вызывающий при протекании непреодолимые судорожные сокращения мышц рук, зажимающих проводник, — неотпускающий ток; наименьшее значение —пороговый неотпускающий ток.
3. Электрический ток, вызывающий фибрилляцию сердца, называют фибрилляционным током. Наименьшее значение фибрилляционного тока — пороговый фибрилляционный ток.
В общем случае характер воздействия и исход поражения зависят от величины тока, пути протекания, длительности воздействия, рода тока (постоянный или переменный), частоты и других факторов.
При обслуживании электроустановок наиболее часто наблюдаются случаи протекания тока по пути рука — рука и рука — ноги. Установлены [1, 2] следующие значения кратковременно допустимых токов в мА (табл. 2).
Таблица 2
Род и частота тока | I, мА при | продолжительности | воздействия, с | ||||
0,2 | 0,5 | 0,7 | 1,0 | 3,0 | 3—(10 | Любое время | |
Постоянный | 50(26) | — | |||||
Переменный 50 Гц | |||||||
Переменный 400 Гц | — |
Примечание. В скобках указано значение тока для условий особо опасных помещений.
При работах на высоте вблизи движущихся частей или в других опасных условиях длительно допустимый ток принимается ниже порогового значения ощутимого тока, но не более 0,5 мА.
Следует заметить, что на теле человека имеются участки, например, тыльная часть кисти, шея, плечи и другие, которые обладают особой чувствительностью к току и обуславливают
повышенную опасность поражения при обслуживании электроустановок [4].
Таким образом, чтобы своевременно установить опасность поражения обслуживающего персонала электрическим током и предусмотреть соответствующие мероприятия и средства электробезопасности, необходимо знать величину электрического сопротивления на пути протекания тока.
В случае прикосновения к двум электродам, находящимся под напряжением, т. е. при двухполюсном прикосновении, сопротивление тела человека будет определяться проводимостью наружных слоев кожи ,и сопротивлением внутренних подкожных тканей.
Наружный роговой слой кожи состоит из омертвевших клеток и является пластом неживой ткани, имеющей толщину от 0,05 до 0,2 мм и покрывающей тело. Этот слой лишен кровеносных сосудов и нервов, плохо проводит тепло и электрический ток — в сухом и чистом состоянии его удельное омическое сопротивление достигает Ю7—108 Ом-см. Вещество, обладающее таким высоким удельным сопротивлением, можно рассматривать как диэлектрик, важнейшими характеристиками которого являются диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность. Этот диэлектрик обуславливает наличие емкостной составляющей в полном сопротивлении наружного слоя кожи.
Внутренний слой кожи и внутренние подкожные ткани содержат кровеносные сосуды, нервные узлы, периферические нервы, обладают хорошей активной проводимостью и образуют внутреннее сопротивление rв . Место контакта электрода с телом человека (рис. 1) можно упрощенно представить в виде схемы замещения, изображенной на рис. 2.
Очевидно, переменный ток в наружном слое кожи протекает как через активное сопротивление наружного слоя кожи rн , так и через емкость образовавшегося конденсатора С.
Рис. 1. Схема контакта электрода
с телом человека
1. Электрод.
2. Наружный слой кожи.
3. Внутренняя область кожи
Рис. 2. Упрощенная электрическая схема наружного слоя кожи
rн — активное сопротивление наружного слоя кожи,
С — емкость конденсатора, образовавшегося между поверхностью электрода и внутренними тканями.
(см. рис. 2). Общая проводимость наружного слоя кожи с параллельными активной и емкостной составляющими будет равна
(2)
где q — активная проводимость наружного слоя кожи, разная обратной величине омического сопротивления rн ;
bс - емкостная проводимость конденсатора С, равная
, (3)
- угловая частота,
.
Подставив в выражение (2) соответствующие величины сопротивлений, получим:
,
Приняв С — емкость конденсатора в мкФ, а f— частоту тока в кГц, определим величину полного сопротивления наружного слоя кожи переменному току в кОм
, (4)
Полное сопротивление тела человека, прикоснувшегося к электродам, например руками, упрощенно можно представить электрической схемой, цриведенной на рис. 3.
В случае симметричного прикосновения к электродам (поверхности контактов одинаковы) полное сопротивление тела на частоте f может быть выражено
, (5)
Рис. 3. Электрическая схема сопротивления тела человека (путь тока: рука — рука)
Рассмотрим возможности экспериментального определения основных параметров сопротивления тела человека
Для измерения внутреннего сопротивления rв можно использовать токи высокой частоты. Действительно, с возрастанием частоты тока (см. выражение (3)) проводимость конденсатора увеличивается, а значит емкостное сопротивление уменьшается. Тогда при достаточно высоких значениях частоты, например, fп = 20000 Гц, полное сопротивление наружного слоя кожи Zн , согласно (4), можно принять равным нулю, а полное сопротивление тела человека Z (fп) равным внутреннему, т. е.
, (6)
при Гц
Поскольку величина внутреннего сопротивления является активной и, следовательно, независимой от частоты тока, то полученное значение rв можно использовать для определения сопротивления наружного слоя кожи. Из выражения (5) (с некоторыми допущениями) находится полное сопротивление наружного слоя кожи на заданной частоте f
. (7)
Активное сопротивление наружного слоя кожи rв, можно определить, используя результаты измерений Z при токах низкой частоты. При понижении частоты тока проводимость конденсатора уменьшается, а емкостное сопротивление возрастает. Поэтому на достаточно низкой частоте (f ≈0) полное сопротивление наружного слоя кожи можно приблизительно принять равным активному сопротивлению rн.
С учетом сказанного, сопротивление тела постоянному току будет
, (8)
откуда
. (9)
где Z(o) — полное сопротивление тела постоянному току, кОм.
Как показывают исследования [1, 4], результаты измерений при постоянном токе сильно искажаются из-за эффекта поляризации, связанного с биофизическими процессами, которые возникают в зоне контакта. Поэтому для определения Z(0) используем метод экстраполяции. Для этого в линейном масштабе прямоугольных координат Z и f по измеренным данным строится график зависимости полного сопротивления тела от частоты тока в диапазоне f= 55— 100 Гц.
Затем производится аппроксимация полученного графика Z= Ψ( f) с помощью прямой линии вида (рис. 4)
(10)
где b — коэффициент регрессии.
Аппроксимацию можно провести графически или аналитически по методу наименьших квадратов. Исходные данные измерений, необходимые для вычисления коэффициентов уравнения прямой, заносятся в табл. 3.
Таблица 3
Номер измерения | Измеренные величины | Рассчитанные значения | ||
f | Z | fZ | f 2 | |
…. | f1 .... | Z1 .... | f1Z1 .... | f1 2 .... |
i …. | fi .... | Zi .... | fiZi .... | fi 2 .... |
n | fn | Zn | fnZn | fn |
![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
Рис. 4. График зависимости сопротивления тела человека от частоты в диапазоне 55 ÷100 Гц
По итоговым данным табл. 3 составляется система нормальных уравнений:
;
.
где n — число экспериментальных данных, используемых для аппроксимации; n = 4÷5
Решая эту систему, получим значения сопротивления тела человека на частоте f≈0 и коэффициент регрессии
; (11)
. (12)
Установив численные значения ZН, а затем и rн, можно определить с указанным ранее приближением косинус угла сдвига фаз между напряжением и током.
Для параллельно включенных активного сопротивления и емкости в зоне контакта с площадью S имеем:
. (13)
При известном значении находится угол
, на который ток опережает по фазе напряжение при протекании через наружный слой кожи, а также величина емкости образовавшегося в месте контакта (площадью S) конденсатора с телом человека:
. (14)
где С — емкость конденсатора, мкФ;
f — частота тока, кГц;
rн— активное сопротивление наружного слоя, кОм.
Тогда емкостное сопротивление наружного слоя кожи может быть рассчитано по формуле
, Ом (15)
Эквивалентная емкость сопротивления тела человека при прикосновении к электродам с площадью S рассчитывается по следующей формуле:
. (16)
Для измерения эквивалентной емкости реактивной составляющей полного сопротивления тела человека необходимо определить косинус угла сдвига фаз между напряжением Uн и током Iч Определение на частоте тока f может быть произведено фазометром. Измеренная величина эквивалентной емкости тела находится по формуле
(17)
Совпадение значения Сэр, полученного путем расчета схемы согласно выражения (16) и Сэн, определяемого на основании
измерений cosφ, показывает правильность измерений и умение проводить необходимые расчеты, связанные с определением электрического сопротивления тела человека.
Сопротивление тела является важной характеристикой. Особенностью этой характеристики является нелинейная зависимость тока от напряжения. При выполнении лабораторной работы необходимо снять зависимость сопротивления тела человека от тока и определить характер нелинейности полного сопротивления.
Следует иметь в виду, что результаты опытов справедливы для сухой чистой кожи с неповрежденным наружным слоем при напряжении прикосновения, заведомо не превышающем 40 ÷ 50 В. При более высоких напряжениях может наступить пробой наружного слоя кожи, в результате чего полное сопротивление тела резко уменьшится.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Рабочее место в лаборатории и измерительные приборы
Лабораторная работа выполняется на специальном лабораторном столе, на котором размещаются измерительные приборы: генератор звуковой частоты, миллиамперметр, вольтметр, фазометр, диски-электроды и соединительные проводники переключатели.
1. Генератор типа ГЗ-33 является источником электрических синусоидальных колебаний частоты в диапазоне от 20 до 20000 Гц. Установка поддиапазонов частоты 20—200 Гц, 200—2000 Гц, 2000—20000 Гц производится переключателем «Множитель», соответственно в положениях 1; 10; 100. В первом поддиапазоне 20—200 Гц частота устанавливается поворотом шкалы-лимба до совмещения нужного деления частоты со стрелкой-указателем. Переключатель «Множитель» должен находиться в положении × 1. Частота второго поддиапазона также устанавливается поворотом шкалы-лимба; переключатель «Множитель» находится в положении × 10, а показания, снятые со шкалы-лимба, умножаются на 10 и т.д.
Регулировка амплитуды выходного напряжения производится ручкой «Регулятор выхода». Перед этим следует проверить (!) положение других переключателей, которые должны находиться в следующих положениях:
«Внутренняя нагрузка» — вкл.,
«Пределы шкал» — 30 В,
«Выходное сопротивление» — 600 Ом,
«Множитель» — × 1,
«Расстройка» — 0,
«Регулятор выхода» — КРАЙНЕЕ ЛЕВОЕ.
2. Миллиамперметр типа Ф-58 электронной системы со световым отсчетом, «ласе точности 1,5. Переключатель пределов измерения прибора установлен в фиксированное положение, соответствующее 2 мА при отклонении светового луча-индикатора на всю шкалу.
3. Ламповый милливольтметр типа ВЗ-3, класс точности 4,0, предназначен для измерения напряжения прикосновения.
Предел измерения, В.............................. 1 3 10 30 100
'Выбор соответствующего предела измерения необходимо производить с учетом получения наиболее точных показаний прибора, т. е. при положении стрелки милливольтметра в правой части шкалы.
Лабораторная установка для измерения электрического сопротивления тела человека в виде стола-панели, на передней стороне которой показаны функциональные связи, изображена на рис. 5.
Описание опыта. Один из испытуемых, при .крайнем левом положении ручки «Регулятор выхода», накладывает руки на диски-электроды. От генератора через «Регулятор выхода» подается напряжение заданной частоты. В образовавшейся цепи с помощью этой ручки устанавливается ток, не превышающий пороговый ощутимый ток. Считываются показания частоты, милливольтметра и миллиамперметра. В процессе измерений необходимо стремиться к тому, чтобы плотность прижатия рук к дискам-электродам была постоянна в течении всего опыта.
Лабораторная установка имеет защитное устройство, которое отключает напряжение от дисков-электродов, если ток в цени превысит 1,5 мА. В случае, когда сработает защитное устройство, показания милливольтметра ВЗ-3 будут соответствовать напряжению, которое имеется на выходе генератора, а показания миллиамперметра Ф-58 — соответствовать 0 мА. Для восстановления работоспособности установки необходимо ручку «РЕГУЛЯТОР ВЫХОДА» на генераторе установить в нормальное положение, т. е. в крайнее левое.
Рис. 5. Передняя панель лабораторной установки с функциональными связями; ГЗ-33 — генератор, Ф-58 — миллиамперметр со световым отсчетом, ВЗ-3 — ламповый милливольтметр с внешним делителем напряжения.
Порядок выполнения работы
1. Соединить шнур питания установки с сетью и включить измерительные приборы.
2. Установить ручку «Регулятор выхода» генератора в крайнее левое положение, при этом милливольтметр должен показывать 0 В.
3. Переключателем П1 подключить к схеме соответствующие диски-электроды S1 =12,5 см2 или S2= 25,0 см2.
4. Один из испытуемых кладет руки на диски-электроды, подключенные к схеме переключателем П1;.
5. Лимбом настройки и переключателем «Множитель» генератора ГЗ-33 установить заданную частоту тока (см.табл. 4).
6. Медленно вращая вправо ручку генератора «Регулятор выхода», установить в цепи ток, равный 1 мА, что будет соответствовать 50 делениям шкалы миллиамперметра Ф-58.
7. Произвести считывание показаний милливольтметра и миллиамперметра, результаты измерений записать в табл. 4.
8. Если ток, проходящий через человека, будет выше 1,5 мА, то защитное устройство отключит напряжение от дисков-электродов. Для восстановления работоспособности установки необходимо ручку «Регулятор выхода» установить в крайнее левое положение.
9. После считывания показаний приборов ручку «Регулятор выхода» возвратить в нормальное положение — крайнее левое.
10. Установить следующую заданную частоту тока или площадь дисков-электродов и продолжить измерения (ом.табл. 4).
11. Измерить «а частоте, заданной преподавателем, сопротивление тела человека в зависимости от величины тока в мА:
0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4.
Результаты измерений занести в табл. 7.
12. Выполнить 9 ÷ 19 параллельных измерений сопротивления тела на заданной преподавателем частоте, каждый раз снимая руки с электродов.