Л.М. Распопова

 

Звіт повинен містити:

- мету роботи;

- перелік обладнання та приладів;

- рисунок згідно з п. 4.4.5;

- таблиці 4.3 - 4.5 із результатами вимірів;

- графіки, побудовані за результатами вимірів;

- висновки, щодо залежності складових комплексного опору тіла людини електричному струму від зовнішніх факторів.

 

4.6 Контрольні питання та завдання

 

1. Складіть еквівалентні схеми опору тіла людини для шляху струму “рука-рука”, “рука-ноги”.

2. Як зміниться комплексний опір тіла людини у разі забруднення шкіри, при пошкодженні шкіри?

3. Як зміниться комплексний опір тіла людини у разі збільшення площі електродів у діапазоні частот доданої напруги 1 Гц - 10 кГц, 20-200кГц?

4. Як зміниться комплексний опір тіла людини при збільшенні прикладеної напруги?

5. Розгляньте фізичну модель опору тіла людини електричному струму.

6. Розгляньте види електричних травм.

 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Ростовская-на-Дону государственная академия

сельскохозяйственного машиностроения

 

Кафедра "Безопасность жизнедеятельности и химия"

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

 

Методические указания

к лабораторной работе по дисциплинам

“Электробезопасность” и “Защита от электромагнитных полей”

для студентов III–IV курсов

специальности 330500 всех форм обучения

 

Ростов-на-Дону

Составители:

кандидат технических наук, доцент В.И. Гаршин

кандидат технических наук, доцент В.В. Дудник

инженер С.Е. Поршнева

 

УДК 658.382.3 (07)

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА: Метод. указания к лабораторной работе по дисциплинам “Электробезопасность” и “Защита от электромагнитных полей” / РГАСХМ. Под общей ред. проф. В.Л. Гапонова, Ростов н/Д., 2002, – 13 с.

 

 

Методические указания разработаны в соответствии с учебными программами по дисциплинам “Электробезопасность” и “Защита от электромагнитных полей”, предполагают использование ПЭВМ. Изложены основные положения электробезопасности, приведены методы исследования действия электрического тока на организм человека.

Предназначены для студентов третьего-четвертого курсов по специальности 330500 “Безопасность технологических процессов и производств” всех форм обучения.

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Ростовской-на-Дону государственной академии

сельскохозяйственного машиностроения

 

Рецензент кандидат технических наук, доцент

А.Г. Хвостиков

Научный редактор кандидат технических наук, доцент

Л.М. Распопова

 

 

ã–Ростовская-на-Дону государственная академия

сельскохозяйственного машиностроения, 2002

 

Цель работы: Изучитьдействия электрического тока на организм человека. Определить параметры электрической схемы замещения тела человека.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Сопротивление тела человека — величина нелинейная, меняется в широких пределах и зависит от ряда факторов: состояния кожи (сухая, влажная, чистая, поврежденная и т.п.), прохождения тока через тело человека и приложенного напряжения, рода и частоты тока, времени воздействия тока на человека, плотности и площади контакта и др. Их действии будет изложено ниже.

Разные ткани тела оказывают току разное сопротивление: кожа, кости, жировая ткань — большое, а мышечная ткань, кровь и особенно спинной и головной мозг — малое. Но кожа, по сравнению с другими тканями, обладает наибольшим удельным сопротивлением, поэтому сопротивление тела человека определяется, главным образом, сопротивлением кожи.

Строение кожи весьма сложно. Кожа состоит из двух основных слоев: наружного — эпидермиса и внутреннего — дермы. В свою очередь эпидермис состоит из рогового слоя толщиной 0,05—0,2 мм, представляющего в электрическом отношении диэлектрик, и росткового (он в несколько раз тоньше рогового и обладает меньшим сопротивлением).

При сухой неповрежденной коже и приложенном напряжении до 15—20 В сопротивление тела равно 3—10 кОм и может достигать 100 кОм и больше. Если на участках кожи, где прикладываются электроды, соскоблить роговой слой, сопротивление тела упадет до 1—5 кОм, а при удалении всего эпидермиса — до 500—700 Ом. Если под электродами удалить всю кожу, то будет измерено сопротивление внутренних тканей тела, которое составляет лишь 300—500 Ом.

При протекании электрического тока в теле человека происходят биофизические и биохимические процессы, значительно более сложные, чем в электролитах, металлах, проводниках. При определенных допущениях тело человека можно представить в виде электрической схемы замещения. Чаще всего для анализа явлений при протекании тока через человека по пути рука—рука и расчета электрических параметров сопротивления человека используются две схемы замещения: эквивалентная (рис.1, а) и упрощенная (рис.1, б). Здесь R_h и C_h —активное сопротивление и емкость тела человека.

 

 

а)

 

 

б)

Рис. 1. Электрическая схема замещения тела человека (рука — рука):

а – эквивалентная, б – упрощённая

.Для упрощенной схемы можно принять R_h»2 r_h + r _в, C_h»0,5 С _H, а полное сопротивление Z_h тела человека по пути рука—рука будет определяться по формуле

Z_h = (1)

Для эквивалентной схемы выражение для r _h получается относительно сложным и здесь не приводится.

Анализируя эквивалентную схему замещения, можно сделать выводы:

а) Наличие емкости в схеме и соответственно реактивной составляющей в выражении для Z_h обусловливает влияние рода и частоты тока на значение сопротивления тела человека.

б) С увеличением частоты f емкостное сопротивление X _c.=1/2p fC _Н уменьшается и шунтирует активное сопротивление r_h. В пределе при f®¥ полное сопротивление оказывается равным внутреннему сопротивлению r _в. Практически уже на частотах 10–20 кГц можно считать Z_h» Z _в. Внутреннее сопротивление r _в является активным и от частоты не зависит.

в) При уменьшении частоты емкостное сопротивление возрастает и в пределе при f ®0, т. е. при постоянном токе: Z_h =Z₀=2 r_h + r _в, откуда

r_h = (2)

С некоторым допущением можно принять, что полное сопротивление тела человека на частотах 0–100 Гц находится в линейной зависимости от частоты тока и может быть определено методом экстраполяции. С этой целью в линейном масштабе строится график зависимости полного сопротивления от частоты, как показано на рис. 2. Значение Z ₀ находится при пересечении прямой Z ₁– Z ₄ с осью ординат.

г) Значение полного сопротивления наружного слоя кожи Z_н при данной частоте может быть найдено из выражения

Z _н» (3)

 

 

 

Рис. 2. График экстраполяции при определении сопротивления тела человека постоянному току

 

Полное сопротивление наружного слоя кожи Z _н связано с r_h и 1 / w С_h соотношением: 1/ Z _н ² =1/ r_h ²+1/w² C _н². Отсюда можно получить емкость наружного слоя кожи С _н:

C _н= (4)

Приведенные выражения позволяют при наличии экспериментальной зависимости Z _н(f) определить расчетным путем для заданной частоты f значения r _в, Z ₀, r_h, Z _н, C _н.

Состояние кожи сильно влияет на значение электрического сопротивления тела человека. Так, повреждение рогового слоя, в том числе порезы, царапины, ссадины и другие микротравмы, могут снизить Z_h до значения, близкого к значению внутреннего сопротивления, что, безусловно, увеличивает опасность поражения током. Так же влияет и увлажнение кожи водой или потом, и загрязнение кожи пылью или грязью.

 

Поскольку у одного и того же человека электрическое сопротивление кожи неодинаково на разных участках тела, то на сопротивление в целом влияют место приложения, а также плотность и площадь контакта.

Величина тока и длительность его прохождения через тело человека непосредственно влияют на полное электрическое сопротивление Z_h: с ростом тока и времени его прохождения сопротивление падает, поскольку усиливается местный нагрев кожи, что расширяет ее сосуды, а следовательно, усиливает снабжение этого участка кровью и увеличивает потовыделение.

И наконец, повышение напряжения, приложенного к телу человека, уменьшает в десятки раз сопротивление кожи, а следовательно, и полное сопротивление тела, которое в пределе приближается к своему наименьшему значению 300–500 Ом. Это объясняется рядом факторов, прежде всего пробоем рогового слоя кожи, который наступает при напряжении 50–200 В, а также ростом тока, проходящего через кожу (за счет повышения напряжения) и др.

Необходимо отметить, что оценивая электрофизические характеристики кожи, и в первую очередь его сопротивление, можно получить важную информацию о состоянии человека в целом, а также отдельных его органов.

Кожа является не только источником информации о состоянии органов, тканей человека, но в то же время и первозащитной оболочкой человека от вредного воздействия среды. В частности, на поверхности тела, площадь которого 1,5 м², действуют 15 триллионов микробов, их проникновению в организм препятствует кожа.

Самым тонким слоем кожи является эпидермис. Эпидермис, несмотря на незначительные размеры, обладает наиболее ответственными функциями — защитной функцией и функцией информации о состоянии органов и тканей. Информация эта необходима для саморегуляции ряда биофизических процессов в организме, прежде всего тепловых и биоэлектрохимических.

Электрофизический метод диагностики состояния человека и деятельности его отдельных систем был предложен в 1928 году академиком И.И Павловым. и получил название реографического. Реография основана на оценке изменения значения полного электрического сопротивления между двумя электродами, расположенными на теле больного. С помощью реографии можно определить функцию внешнего дыхания, представить работу системы периферического кровообращения и дать ряд других диагностических оценок.

Кожа человека не только позволяет оценивать состояние человека, но и вводить человеку лекарственные средства (электрофорез), а также воздействовать на центральную нервную систему через акупунктурные зоны, куда подходят нервные окончания и где электрическое сопротивление на несколько порядков ниже, соседних участков кожи.

Новые возможности в диагностике появились с созданием простого прибора, измеряющего при напряжении 2 В мостовым способом поверхностное электрическое сопротивление кожи, т. е. эпидермиса, который несет максимальную информацию о воспалительных процессах в органах и тканях человека.

2. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Зависимость сопротивления тела человека от частоты исследуется экспериментальной установкой (рис. 3), состоящей из звукового генератора со встроенным вольтметром, милливольтметра и стенда с тремя парами дисков-электродов площадью 22,00; 11,00 и 7,3 см².

Генератор является источником синусоидальных электрических колебаний в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Частоты устанавливаются по диапазонам 20–200, 200–2000 Гц, 2–20 кГц с помощью переключателя. Амплитуда выходного напряжения регулируется ручкой “Регулятор выходного напряжения”. Милливольтметр, измеряющий падение напряжения на сопротивлении, равно 1 кОм, позволяет получить значение тока через тело человека. Измерительный зонд милливольтметра имеет делитель 1:100, что учитывается при определении тока.

 

 

Рис. 3. Схема включения приборов:

ЗГ— звуковой генератор; mV—милливольтметр, используемый для опреде–ления тока через тело человека; V — вольтметр, показывающий напряжение

на выходе генератора; S, S ^/ — диски–электроды площадью 11 или 7,3 см²;

R_ш —шунтирующий резистор

Во время исследования руки испытуемого накладываются на диски-электроды, на которые от звукового генератора подается напряжение заданной частоты. Для получения правильных значений сопротивления плотность прижатия рук к дискам-электродам должна быть постоянной в течение опыта.

Данные для выполнения работы (площади дисков и частота для расчета) представлены в таблице на стенде лабораторной установки.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Получив задание, проверьте подключение приборов и положение ручек на генераторе и милливольтметре. При необходимости установите переключатель диапазонов частоты генератора на 1, ручку генератора выходного напряжения поверните до отказа влево, после чего можно включить приборы.

2. Один из испытуемых накладывает руки на диски-электроды.

3. Поворачивая ручку “Регулятор выходного напряжения” вправо, установите напряжение 2–3 В. Лимбом настройки последовательно установите частоты от 25 Гц до 20 кГц и произведите измерения, показания приборов запишите в таблицу (U В — показание вольтметра генератора, U мВ — показания милливольтметра).Внимание! При переключении частотного диапазона ручку “Регулятор выходного напряжения” необходимо каждый раз поворачивать в крайнее левое положение, т. е. до нуля. Стрелка милливольметра должна находиться в пределах шкалы 10 мВ. Если на высоких частотах стрелку милливольтметра будет зашкаливать, следует уменьшить выходное напряжение генератора.

4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

1. Рассчитайте значение тока мА и сопротивление тела человека кОм по формулам, которые для данной установки с учетом параметров схемы измерения имеют вид:

I = ; Z _h=

2. Постройте по полученным данным частотные зависимости:

а) Z_h =j(f) при S;

б) Z ^/ _h =j^/(f) при S ^/.

3. Определите внутреннее сопротивление r _в. Оно равно значению Z_h при f =20 кГц.

4. Методом экстраполяции (см. рис. 2) найдите значение сопротивления тела человека при постоянном токе Z ₀, т. е. при f ®0.

5. Рассчитайте активное сопротивление наружного слоя кожи r_h по формуле (2).

6. На частоте, указанной в задании, определите из выражения (3) полное сопротивление наружного слоя кожи Z _н.

7. Рассчитайте по формуле (4) величину емкости С _н наружного слоя кожи для электродов S и S ^/.

8. Рассчитайте емкостное сопротивление по формуле: X _c=1 / w C =1/2p fC.

9. Результаты расчета основных параметров электрической схемы замещения сопротивления тела человека для заданной частоты (задаются преподавателем) внесите в таблицу.

10. Начертите электрическую схему замещения сопротивления тела человека по условиям проведенного эксперимента и укажите на ней для максимальной площади электродов численные значения основных параметров: r_h, r _в, X _c.

11. Постройте графики I_h =j(f) при условии постоянства напряжения генератора. Если выходное напряжение во время опыта менялось, постройте графики для частотного диапазона, где U =const. Из анализа графиков I_h =j(f) сделаете вывод об изменении пороговых значений тока в зависимости от частоты.

12. Для частотного диапазона, в котором U =const, постройте графики Z_h =j(I_h) для S и S ^/ и сделайте вывод.

 

Результаты измерений

№ опыта	I, мА	Zh, кОм	f, Гц	r в, Ом	Z 0, Ом	r h, Ом	Z н, Ом	С н, Ф	X c, Ом

 

 

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое сопротивление тела человека?

2. Какие процессы происходят при протекании электрического тока через тело человека?

3. От чего зависит емкостное сопротивление?

4. В чем состоит электрофизический метод диагностики?

5. В каких единицах измеряется сопротивление тела человека?

6. Какие факторы влияют на условия поражения электрическим током?

7. Какие факторы определяют исход поражения током?

6. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Малаян К.Р. Безопасность жизнедеятельности. Электробезопасность: Лабораторный практикум. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1997. – 43 с.

2. Долин П.А. Основы техники безопасности в электрических установках. – М., 1970.

3. ГОСТ 12.1.019—79 CCБТ. Электробезопасность. Общие требования.

Составители:

ГАРШИН Владимир Иванович

ЗУБКОВ Николай Анатольевич

ПОРШНЕВА Светлана Евгеньевна

 

 

Учебное пособие

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА

 

 

Методические указания

к лабораторной работе по дисциплинам

“Электробезопасность” и “Защита от электромагнитных полей”

для студентов III–IV курсов

специальности 330500 всех форм обучения

 

Редактор Т.Ю.Карасевич

Лиц. ЛР № 020824 от 20.10.98 г.

__________________________________________________________

Подписано к печати 14.03.2002 г. Формат бумаги 60´84/36.

Бумага офсетная. Объем 0,75 усл. п. л., 0,7 уч.-изд. л.

Заказ Тираж 30 Бесплатно

 

Лиц. Плр № 020083 от 30.06.97 г.

Редакционно-издательский отдел РГАСХМ

Ростов-на-Дону, пл. Страны Советов, 2

Отпечатано в копировально-множительном бюро РГАСХМ