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 r_в . 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 r_н , 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

r _н — 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 r _н ;

b_с - 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 r_в 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, f _п = 20000 Гц, полное сопротивление наруж­ного слоя кожи Z_н, согласно (4), можно принять равным ну­лю, а полное сопротивление тела человека Z (f _п) равным внутреннему, т. е.

, (6)

при Гц

Поскольку величина внутреннего сопротивления является активной и, следовательно, независимой от частоты тока, то полученное значение r_в 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 r _в, 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 r_н.

 

 

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
….	f 1 ....	Z1 ....	f 1Z1 ....	f1 2 ....
i ….	fi ....	Z i ....	fiZi ....	fi 2 ....
n	f n	Zn	f nZn	f n

 

 

 

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 Z_Н, а затем и r _н, 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;

r_н — 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 U_н и током I_ч Определение на частоте тока f может быть произведено фазометром. Измеренная величина эквивалент­ной емкости тела находится по формуле

(17)

Совпадение значения С_эр, полученного путем расчета схе­мы согласно выражения (16) и С_эн, 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.