Underwriters Laboratories foretog grundforskning på sikkerhedsområdet og offentliggjorde resultaterne af denne forskning i en række “Bulletiner of Research”. Der blev offentliggjort mindst 58 bulletiner vedrørende brand, eksplosion og elektrisk stød. En af disse bulletiner, “Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence”, er et klassisk dokument inden for produktsikkerhed. Undersøgelsen blev udført fra 1936 til 1939 af Baron Whitaker, en assisterende elektroingeniør hos UL. Whitaker blev til sidst formand for UL.
Whitaker’s forskning er stadig gældende i dag. Mens lignende forskning er blevet udført til støtte for moderne IEC-publikationer, offentliggøres en sådan forskning normalt kun i IEC-udvalgspapirer og er normalt meget fokuseret på den specifikke standard eller rapport, som IEC forsøger at skrive.
Denne UL Bulletin of Research om elhegn indeholder mange oplysninger, som gælder for meget mere end blot elhegn. Derfor er det et klassisk værk.
INDLEDNING
Whitaker indleder sin forskning ved at beskrive det elektriske hegn: “En af de nyeste og mest nyskabende anvendelser af elektricitet i landdistrikterne i dag er elhegnet. Fysisk set adskiller elhegnet sig fra den konventionelle type pigtrådshegn eller trådhegn ved at være af enklere konstruktion (normalt med én tråd) og ikke kræver den mekaniske styrke eller stabilitet, som de ældre typer har. Funktionelt adskiller det sig fra de andre, idet det kontrollerer dyrene ved hjælp af frygt snarere end ved hjælp af styrke eller ved at forårsage smerte. Det elektriske hegn består af to forskellige dele, nemlig hegnstråden og den elektriske kontrolenhed, som leverer den elektriske energi til hegnstråden.”
MÅL OG BETINGELSER
Whitaker undersøgte rapporter om ulykker med elektriske hegn, der både involverede skader forårsaget af elektrisk stød og dødsfald forårsaget af elektrisk stød. På baggrund af sin undersøgelse afgrænsede han sin forskning ved at fastslå, at elhegnet skulle være sikkert for et toårigt barn, “…barfodet, stående i en vandpøl eller mudder og faldende over eller gribe fat i ledningen med to våde eller svedige hænder, idet ledningen, så vidt barnet er klar over, er en almindelig ikke-elektrificeret hegnstråd.”
(Anekdotisk fortæller en kollega, hvis hjem er en gård og bruger elhegn, at dette var de forhold, under hvilke hans kone reddede sin datter!)
Under disse forhold ønskede Whitaker at bestemme den maksimale værdi af strømmen, både for vekselstrøm og jævnstrøm, frekvensen og varigheden, som “kan anses for ikke at være farlig for menneskeliv”.”
Whitaker påtog sig at bestemme værdierne for:
- Kroppens elektriske modstand
- Sikker åben kredsløbsspænding
- Virkninger af jævnstrøm, afbrudt jævnstrøm, vekselstrøm, og frekvens af vekselstrøm
- Den maksimale strøm og varighed, som ikke vil forårsage personskade
- Den minimale slukketid
Den elektriske choks natur
Whitaker undersøgte de forskellige årsager til død som følge af elektrisk energi. Han fandt fem forskellige årsager:
- Lammelse af åndedrætsmuskulaturen, der giver død på grund af asfyksi
- Blødning, der fremkaldes af det stigende blodtryk ved passage af elektrisk strøm
- Hjertesvigt, der fremkaldes af hjerteflimmer
- Atminsvigt, forårsaget af nervøse hæmninger eller egentlige skader på nervesystemet
- Hud- og kødforbrændinger med deraf følgende komplikationer
Whitakers forskning var orienteret mod forebyggelse af en eller flere af disse skader. Han beskæftigede sig ikke med forebyggelse af fornemmelse eller forebyggelse af reflekshandlinger, som vi gør det med produkterne i dag. Desuden hævdede producenterne af elhegn, at et effektivt hegn skulle give tilstrækkelig strøm til at forårsage muskelsammentrækning, og at “off”-perioden skulle være så kort som muligt.
KORPORETS EKSTRISKE MODSTAND
Whitaker indleder sine overvejelser om kropsmodstand med følgende udtalelse: “Det er nødvendigt for at fastlægge de sikre driftsegenskaber for elektriske hegnskontrolenheder at tage hensyn til menneskekroppen som elektrisk leder.”
Whitaker iværksatte en række forsøg hos UL for at måle kropsmodstanden. Whitaker hævder, at “den ydre hud … giver den største modstand …”, og at den høje spænding fra en hegnskontroller nedbryder hudens modstand. Men Whitaker kunne ikke anvende højspænding med ubegrænset strøm på sine forsøgspersoner for at “nedbryde” hudmodstanden. Derfor omfattede Whitakers forsøg bl.a., at han vådede sine forsøgspersoners hænder og fødder med 20% natriumkloridopløsning.
Med konstant areal, konstant tryk og våde hænder fandt Whitaker, at kropsmodstanden var uafhængig af strømmen, når strømmen var i intervallet 1 til 15 milliampere.
Whitakers forsøgsopstilling bestod af en 12-volts jævnstrømskilde (tørceller), et potentiometer, et voltmeter og et amperemeter. Håndelektroderne var nr. 10 AWG-ledninger. Fodelektroden var en 14-tommers kvadratisk kobberplade. Potentiometeret blev indstillet til 5 milliampere for voksne og 1 milliampere for børn. Spændingen over emnet blev målt, og modstanden blev beregnet.
Whitaker målte 40 voksne og 47 børn (i alderen 3 til 15 år). Han fandt, at der for voksne “ikke er nogen tendenser eller sammenhænge mellem personers kropsmodstand og deres køn, alder, højde eller vægt”. Jeg har givet histogrammer af Whitakers forskellige målinger i figur 1 og 2.
Figur 1
Figur 2
Af disse data konkluderede han, at “den laveste kropsmodstand, som man kunne regne med i forbindelse med anvendelse af elhegn, ville ikke være mindre end 500 ohm.”
(I et senere Bulletin of Research bruges de samme data af Karl Geiges til at udvikle den berygtede lækstrømsmåler. Jeg vil gennemgå Geiges’ arbejde i et senere nummer.)
SPÆNDING
Whitaker havde brug for at bestemme to faktorer med hensyn til spænding:
- Hvis udgangsstrømmen er begrænset, er det så nødvendigt at kontrollere den åbne kredsløbsspænding?
- Hvis udgangsstrømmen ikke er begrænset, hvad er så den maksimale åbne kredsløbsspænding?
Whitaker fastslog, at den maksimale sikre spænding (fra en spændingskilde, hvor udgangsstrømmen ikke er begrænset) ville være den spænding, der ikke forårsagede personskade og tillod personen at frigøre sig fra hegnet.
Whitaker rapporterer om en række forsøg, der blev udført på UL-medarbejdere i 1930, og som i øvrigt registrerede den spænding, som en person kunne modstå og stadig have frivillig kontrol over sine muskler. Ud fra disse data var minimumsspændingen 20 volt rms.
Whitaker rapporterer også om forsøg foretaget af International Harvester Co. hvor spændingen blev forbundet til en spand fyldt med vand og til en håndelektrode, som forsøgspersonen holdt i hånden. Forsøgspersonen blev derefter bedt om at hente en genstand, der var nedsænket i spanden. International Harvester fandt, at den maksimale spænding for at hente genstanden var fra 12 til 20 volt.
Whitaker konkluderede, at “spændingen ved åben kredsløb behøver ikke at være begrænset, forudsat at anordningen indeholder indbyggede strømbegrænsende funktioner”.
Hvorimod, “hvor der ikke er indbygget indbyggede strømbegrænsende funktioner i anordningen, bør den maksimale sikre spænding … ikke overstige 12. Dette er baseret på teorien om, at et potentiale på 12 volt eller mindre sjældent, om nogensinde, vil forårsage et sammenbrud af hudmodstanden, der er tilstrækkeligt til at tillade en strømgennemstrømning gennem kroppen af en sådan intensitet, at den kan forårsage manglende muskelkontrol eller fysisk skade på personen.”
FREKVENS
Whitaker rapporterer, at “den væsentligste forskel i den fysiske virkning af jævnstrøm i modsætning til vekselstrøm er, at jævnstrøm ikke forårsager sammentrækning af musklerne i samme omfang som vekselstrøm.”
Whitaker bemærker også, at Kouwenhoven og d’Arsonval begge fandt, at når frekvensen stiger, skal strømmen også stige for at have den samme fysiologiske virkning.
Nu konkluderer Whitaker dog, at “der er ingen nuværende begrundelse for at tillade større strømværdier … uanset den anvendte frekvens.”
STRØMNING
Fra de samme data, hvor Whitaker bestemte den maksimale spænding, og fra andre data, bestemte Whitaker, at de minimale og maksimale værdier, ved hvilke individer bevarer den frivillige kontrol over musklerne, var henholdsvis omkring 6 milliampere og 20 milliampere.
Whitaker undersøgte også resultaterne af fibrillerende strømforsøg på hunde og får, da disse dyrs hjerter blev anset for at have den samme reaktion på stimulus som mennesker. Ud fra testene på får, og fordi får har en krops- og hjertevægt, der svarer til menneskers, fastslog Whitaker, at den minimale fibrillerende strøm er direkte proportional med kropsvægten og hjertevægten.
En yderligere undersøgelse af testdata fra får viste, at fibrilleringen var en funktion af fasen i hjertecyklussen på det tidspunkt, hvor stødet indtraf, og en funktion af stokkets varighed. Whitaker fandt, at fibrillering for et stød af 0,1 sekunders varighed krævede 10 gange så meget strøm som for et stød af 3 sekunders varighed.
Whitaker plottede derefter 3-sekunders fibrilleringsstrømme for forskellige fuldvoksne dyr som en funktion af kropsvægt og hjertevægt. Whitaker antog derefter, at den mindste værdi af en sådan kurve repræsenterede mennesket. Whitaker antog endvidere, at den mindste fibrilleringsstrøm for forskellige krops- og hjertevægte er et konstant forhold, forudsat at stødets varighed er den samme procentdel af hjertecyklussen, og at stødet indledes på det samme tidspunkt i hjertecyklussen.
Med disse antagelser og data fastslog Whitaker, at den mindste 3-sekunders fibrilleringsstrøm for 125-punds kropsvægt er 126 milliampere, og for 20-punds kropsvægt er 31 milliampere. (20 pund er taget som gennemsnitsvægten for et toårigt barn.)
Med disse tal bestemte Whitaker forholdet 31:126 for minimumsfibrilleringsstrømmene for kropsvægte på 20 og 125 pund.
Med dette forhold og ved at tage højde for procent af tiden for et fuldstændigt hjerteslag, for kropsvægt og for hjertevægt kunne Whitaker konstruere en “afledt kurve for kontakttid versus minimumsfibrilleringsstrøm for et toårigt barn”. Denne kurve nærmede sig en rektangulær hyperbel. Se Whitakers “Graf 3” i figur 3.
Figur 3
Næst satte Whitaker vilkårligt den maksimale strømstyrke til 65 milliampere, den maksimale effekt til 4 milliampere-sekunder og den maksimale “on”-periode til 0,2 sekunder. Denne kurve “Kontakttid versus tilladte strøm” var en faktor 6 mindre end den minimale fibrillerende strømkurve. Se Whitakers “Graf 4” i figur 4.
Figur 4
Whitaker konkluderede, at:
- den maksimale sikre kontinuerlige strøm er 5 milliampere, og
- den maksimale varighed af enhver strøm bør ikke overstige kurven på 4 milliampere-sekunder.
OFF PERIOD
På det tidspunkt, hvor Whitaker forskede, leverede hegnskontrolenhederne på hinanden følgende stød med ca. 1 sekunds mellemrum. Whitaker havde brug for at bestemme den minimale “off”-periode, som ville give en person mulighed for at frigøre sig fra hegnet.
UL gennemførte forsøg, hvor en person pludselig blev påført en spænding, og hvor tiden til frigørelse blev registreret. Denne test blev anset for at være en “ufrivillig” reaktion. Whitaker bemærkede, at tiden til at opfatte følelsen er omvendt proportional med stimulusens intensitet.
Whitaker undersøgte også andre reaktionstidstests. De fleste af disse andre testdata vedrørte “frivillig” reaktion på stimuli som f.eks. berøring, visuelle eller auditive stimuli. Whitaker bemærkede også, at muskelsammentrækningen i forbindelse med dc havde en tendens til at kaste offeret væk fra dirigenten, mens muskelsammentrækningen i forbindelse med ac havde en tendens til at være umulig at slippe.
Derfor konkluderede Whitaker, at “off”-perioden for ac-kontrollører skulle være 0.90 sekunder, og for jævnstrømsregulatorer skulle være 0,75 sekunder.
FRIGHT
Whitaker undersøgte også, om den forskrækkelse, der opstår ved utilsigtet kontakt med et “sikkert” hegn, kunne påvirke hjertet negativt eller udløse hjerteflimmer. De medicinske autoriteter, som han konsulterede, var ikke i stand til at forudsige en sådan hændelse. En autoritet gik endda så langt som til at sige, at et så svagt stød ikke var i stand til at forårsage hverken forskrækkelse eller overraskelse.
Jeg foreslår, at der er nogle erfaringer, som man kan lære af Whitakers arbejde. For det første fokuserede Whitaker på de forskellige skader forårsaget af elektrisk stød snarere end på overholdelse af standarder. Der var naturligvis ingen standarder på det tidspunkt. I dag synes vi, når vi analyserer en ny sikkerhedssituation, at gøre det med henvisning til en standard snarere end til skaden.
For det andet foretog Whitaker masser af målinger, men brugte kun de mindste, værst tænkelige værdier, der blev fundet. Denne form for pessimisme er virkelig nødvendig på sikkerhedsområdet. Jeg tror, at vi alt for ofte har en tendens til at bruge sandsynligheds- og normalfordelinger i stedet for worst-case-værdier.
For det tredje foretager Whitaker mange antagelser og vilkårlige beslutninger, især med hensyn til dyr, der repræsenterer mennesker. Jeg foreslår, at vi skal huske på, at de værdier, som Whitaker præsenterer, ikke er præcise. Mange andre af de værdier, vi bruger inden for sikkerhed, er ligeledes upræcise, men vi behandler dem, som om de var præcise.
Til sidst konstaterer jeg, at vi ikke længere foretager sådanne undersøgelser. En kollega, J. F. Kalbach, opfandt et begreb, BOGSAT, der betyder “Bunch Of Guys Sitting Around Talking”, for at beskrive, hvordan en bestemt kurve engang blev udviklet. Der var intet teknisk eller fysisk grundlag for kurven. Den var rent arbitrær. Jeg vil mene, at vores sikkerhedsstandarder indeholder for mange krav fra BOGSAT-processen.
TILMINDELSER
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, lagde et eksemplar af denne UL Bulletin på mit skrivebord og spurgte, om jeg havde læst den. Jeg havde set og læst bulletinen for mange år siden, så eksemplaret lå bare på mit skrivebord i mange måneder. Til sidst tog jeg det op og begyndte at læse det. Jeg var imponeret over arbejdet og tænkte, at jeg ville gennemgå det for Dem.
Jeg vil også gerne takke Henry Jones, en produktsikkerhedskonsulent, for hans kommentarer om elektriske hegn. Tak også til Tim Kramer fra Hewlett-Packard Company for udarbejdelsen af histogrammerne for kropsmodstand.
Richard Nute er produktsikkerhedskonsulent og beskæftiger sig med sikkerhedsdesign, sikkerhedsfremstilling, sikkerhedscertificering, sikkerhedsstandarder og retsmedicinske undersøgelser.
Foto af Tomás Fano 