Underwriters Laboratories teki perustutkimusta turvallisuuden alalla ja julkaisi tutkimustulokset sarjassa ”Bulletins of Research”. Tulipaloon, räjähdykseen ja sähköiskuun liittyviä tiedotteita julkaistiin ainakin 58 kappaletta. Yksi näistä tiedotteista, ”Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence”, on tuoteturvallisuuden klassikkoasiakirja. Tutkimuksen suoritti vuosina 1936-1939 Baron Whitaker, UL:n apulaissähköinsinööri. Whitaker nousi lopulta UL:n puheenjohtajaksi.
Whitakerin tutkimus on edelleen voimassa. Vaikka samanlaista tutkimusta on tehty nykyaikaisten IEC:n julkaisujen tueksi, tällainen tutkimus julkaistaan yleensä vain IEC:n komiteapapereissa, ja se on yleensä hyvin keskittynyt tiettyyn standardiin tai raporttiin, jota IEC yrittää kirjoittaa.
Tämä UL:n sähköaitoja koskeva tutkimusbulletiini sisältää paljon tietoa, joka koskee paljon muutakin kuin vain sähköaitoja. Siksi se on klassikkoteos.
ESITTELY
Whitaker aloittaa tutkimuksensa kuvaamalla sähköaitaa: ”Yksi viimeisimmistä ja uusimmista sähkön sovelluksista maaseudulla on nykyään sähköaita. Fyysisesti sähköaita eroaa tavanomaisesta piikkilanka- tai punottuaidasta siinä, että se on rakenteeltaan yksinkertaisempi (tavallisesti vain yksi lanka), eikä se vaadi vanhempien tyyppien mekaanista lujuutta tai vakautta. Toiminnallisesti se on erilainen siinä mielessä, että se kontrolloi eläimiä pikemminkin pelon kuin voiman tai kivun avulla. Sähköaita koostuu kahdesta erillisestä osasta, nimittäin aitalangasta ja sähköohjaimesta, joka syöttää sähköenergian aitalangalle.”
TARKOITUS JA OLOSUHTEET
Whitaker tutki sähköaitaonnettomuusraportteja, joihin liittyi sekä sähköiskun aiheuttamia vammoja että sähköiskun aiheuttamia kuolemantapauksia. Tutkimuksensa perusteella hän rajasi tutkimuksensa toteamalla, että sähköaidan pitäisi olla turvallinen kaksivuotiaalle lapselle, ”…paljain jaloin, vesilammikossa tai mutalammikossa seisten ja langan poikki putoillen tai siitä kahdella märällä tai hikisellä kädellä kiinni pitäen, langan ollessa, sikäli kuin lapsi tietää, tavallinen sähköistämätön aitajohto.”
(Anekdoottisesti eräs kollega, jonka koti on maatilalla ja jossa on käytössä sähköaitoja, kertoi, että näissä olosuhteissa hänen vaimonsa pelasti tyttärensä!)
Näissä olosuhteissa Whitaker halusi määrittää virran enimmäisarvon sekä vaihto- että tasavirran osalta, taajuuden ja keston, jota ”ei voida pitää vaarallisena ihmishengelle”.”
Whitaker sitoutui määrittämään arvot:
- Kehon sähkövastus
- Turvallinen avojännite
- Tasavirran, keskeytetyn tasajännitteen, vaihtovirran vaikutukset, ja vaihtovirran taajuus
- Maksimivirta ja kesto, joka ei aiheuta henkilövahinkoja
- Minimipoiskytkentäaika
SÄHKÖISKUN LUONNE
Whitaker tutki sähköenergiasta johtuvien kuolemien eri syitä. Hän löysi viisi eri syytä:
- Hengityslihasten lamaantuminen, joka tuottaa kuoleman asfyksiasta
- Verenvuoto, joka aiheutuu verenpaineen noususta sähkövirran kulkiessa
- Sydämen vajaatoiminta, joka aiheutuu kammiovärinästä
- Hengitysvajaus, joka aiheutuu hermostollisista estoista tai hermoston todellisesta vaurioitumisesta
- Ihon ja lihan palovammoista ja niistä aiheutuvista komplikaatioista
Whitakerin tutkimus suuntautui yhden tai useamman näistä vammoista ehkäisemiseen. Hän ei käsitellyt tuntemuksen tai refleksiivisen toiminnan ehkäisemistä, kuten nykyisissä tuotteissa. Lisäksi sähköaitojen valmistajat väittivät, että tehokkaan aidan pitäisi tuottaa riittävästi virtaa lihassupistuksen aikaansaamiseksi ja että ”pois päältä” -ajan pitäisi olla mahdollisimman lyhyt.
VARTALON SÄHKÖVASTUS
Whitaker aloittaa kehon resistanssin tarkastelun toteamuksella: ”Välttämätön edellytys sähköaidan ohjainten turvallisten käyttöominaisuuksien määrittämiseksi on ihmiskehon tarkastelu sähköä johtavana tekijänä.”
Whitaker aloitti UL:ssä testisarjan kehon resistanssin mittaamiseksi. Whitaker väittää, että ”ulkokuori… tarjoaa suurimman vastuksen…” ja että aidanohjaimen korkea jännite murtaa ihon vastuksen. Whitaker ei kuitenkaan voinut soveltaa koehenkilöihinsä korkeaa jännitettä rajoittamattomalla virralla ihon vastuksen ”murtamiseksi”. Siksi Whitakerin kokeisiin kuului koehenkilöidensä käsien ja jalkojen kostuttaminen 20-prosenttisella natriumkloridiliuoksella.
Vakiopinta-alalla, vakiopaineella ja märillä käsillä Whitaker havaitsi, että vartalon resistanssi oli riippumaton virrasta, kun virta oli välillä 1-15 milliampeeria.
Whitakerin koejärjestely koostui 12 voltin tasavirtalähteestä (kuivakennoista), potentiometristä, volttimittarista ja ampeerimittarista. Käsielektrodit olivat nro 10 AWG:n johtoja. Jalkaelektrodi oli 14 tuuman neliönmuotoinen kuparilevy. Potentiometri säädettiin aikuisten osalta 5 milliampeeriin ja lasten osalta 1 milliampeeriin. Koehenkilön yli vaikuttava jännite mitattiin ja vastus laskettiin.
Whitaker mittasi 40 aikuista ja 47 lasta (3-15-vuotiaita). Hän havaitsi, että aikuisten osalta ”yksilöiden kehon resistanssin ja heidän sukupuolensa, ikänsä, pituutensa tai painonsa välillä ei ole trendejä tai suhteita”. Olen esittänyt histogrammit Whitakerin eri mittauksista kuvissa 1 ja 2.
Kuva 1
Kuva 2
Näistä tiedoista hän päätteli, että ”pienin ruumiinvastus, jonka voitaisiin laskea olevan sähköaidan käytön yhteydessä, ei olisi pienempi kuin 500 ohmia”.”
(Myöhemmässä tutkimusjulkaisussa Karl Geiges käyttää näitä samoja tietoja kehittäessään pahamaineisen vuotovirtamittarin. Tarkastelen Geigesin työtä tulevassa numerossa.)
JÄNNITE
Whitakerin oli määriteltävä kaksi tekijää jännitteen suhteen:
- Jos lähtövirta on rajoitettu, pitääkö avojännitettä kontrolloida?
- Jos lähtövirtaa ei ole rajoitettu, mikä on suurin avojännite?
Whitaker määritteli, että suurin turvallinen jännite (jännitelähteestä, jonka lähtövirtaa ei ole rajoitettu) olisi se jännite, joka ei aiheuta ruumiinvammoja ja jonka avulla henkilö voi vapauttaa itsensä aidasta.
Whitaker raportoi UL:n henkilökunnalle vuonna 1930 tehdyistä testeistä, joissa muuten kirjattiin se jännite, jonka henkilö voi kestää ja joka silti pystyy hallitsemaan lihaksiaan vapaaehtoisesti. Näiden tietojen perusteella minimijännite oli 20 volttia rms.
Whitaker raportoi myös International Harvester Co:n tekemistä testeistä, joissa jännite kytkettiin vedellä täytettyyn ämpäriin ja koehenkilön kädessä pitämään käsielektrodiin. Koehenkilöä pyydettiin sitten hakemaan ämpäriin upotettu esine. International Harvester havaitsi, että esineen noutamiseen tarvittava maksimijännite oli 12-20 volttia.
Whitaker päätteli, että ”avoimen piirin jännitettä ei tarvitse rajoittaa edellyttäen, että laitteessa on luontaisia virranrajoitusominaisuuksia.”
Kuitenkin ”jos laitteessa ei ole luontaisia virranrajoitusominaisuuksia, suurin turvallinen jännite… ei saisi olla yli 12 volttia”. Tämä perustuu teoriaan, jonka mukaan 12 voltin tai sitä alhaisempi jännite harvoin, jos koskaan, aiheuttaa sellaisen ihon vastuksen rikkoutumisen, joka riittäisi sallimaan virran kulkemisen kehon läpi sellaisella voimakkuudella, että se aiheuttaisi lihasten hallinnan puutteen tai fyysisen vamman henkilölle.”
TAAJUUS
Whitaker raportoi, että ”tärkein ero tasavirran fysikaalisessa vaikutuksessa verrattuna vaihtovirtaan on se, että tasavirta ei aiheuta lihasten supistumista siinä määrin kuin vaihtovirta.”
Whitaker huomauttaa myös, että sekä Kouwenhoven että d’Arsonval havaitsivat, että taajuuden kasvaessa virran on myös kasvettava saadakseen aikaan saman fysiologisen vaikutuksen.
Witaker päättelee kuitenkin, että ”tällä hetkellä ei ole perusteita sallia suurempia virran arvoja… riippumatta käytetystä taajuudesta.”
VIRTA
Samoista tiedoista, joissa Whitaker määritteli maksimijännitteen, ja muista tiedoista Whitaker määritteli, että minimi- ja maksimiarvot, joilla yksilöt säilyttävät lihasten tahdonalaisen hallinnan, olivat noin 6 milliampeeria ja 20 milliampeeria.
Whitaker tutki myös koirilla ja lampailla tehtyjen fibrillointivirtakokeiden tuloksia, koska näiden eläinten sydämen katsottiin reagoivan ärsykkeisiin samalla tavalla kuin ihmisten. Lampailla tehtyjen testien perusteella ja koska lampaiden ruumiin- ja sydämenpainot ovat samankaltaiset kuin ihmisillä, Whitaker määritteli, että fibrillointivirran minimi on suoraan verrannollinen ruumiinpainoon ja sydämen painoon.
Lampaiden testitulosten jatkotutkimus osoitti, että fibrillointi oli funktio sydänsyklin vaiheesta shokin tapahtumishetkellä ja funktio shokin kestosta. Whitaker havaitsi, että 0,1 sekunnin kestoisen iskun aiheuttama fibrillaatio vaati 10 kertaa suuremman virran kuin 3 sekunnin kestoisen iskun aiheuttama fibrillaatio.
Whitaker piirsi sitten eri täysikasvuisten eläinten 3 sekunnin fibrillaatiovirrat ruumiinpainon ja sydämen painon funktiona. Whitaker oletti sitten, että tällaisen käyrän pienin arvo edustaa ihmistä. Whitaker oletti lisäksi, että pienin fibrillointivirta eri ruumiin- ja sydänpainoilla on vakiosuhde, edellyttäen, että iskun kesto on sama prosenttiosuus sydämen syklistä ja isku aloitetaan samassa kohdassa sydämen sykliä.
Käyttämällä näitä oletuksia ja tietoja Whitaker määritteli, että pienin 3-sekunnin fibrillointivirta 125-kiloisilla eläimillä ruumiinpainon ollessa 126 milliampeeria ja 20-kiloisilla eläimillä ruumiinpainon ollessa 31 milliampeeria. (Kaksikiloisena pidetään kaksivuotiaan lapsen keskimääräistä painoa.)
Näiden lukujen avulla Whitaker määritteli suhdeluvun 31:126 minimifibrillointivirroille 20 ja 125 kilon ruumiinpainoille.
Tämän suhdeluvun avulla ja ottamalla huomioon täydellisen sydämenlyönnin, ruumiinpainon ja sydämen painon prosentuaalisen osuuden ajasta Whitaker pystyi rakentamaan ”johdetun käyrän kosketuksen keston suhteesta minimaaliseen fibrillointivirtaan kaksivuotiaalle lapselle”. Tämä käyrä muistutti suorakulmaista hyperbolia. Katso Whitakerin ”kuvaaja 3” kuvassa 3.
Kuva 3
Seuraavaksi Whitaker asetti mielivaltaisesti maksimivirraksi 65 milliampeeria, maksimitehoksi 4 milliampeerisekuntia ja maksimikytkentäajaksi 0,2 sekuntia. Tämä ”Kosketusaika suhteessa sallittuun virtaan” -käyrä oli 6-kertaisesti pienempi kuin pienin fibrillointivirtakäyrä. Katso Whitakerin ”kaavio 4” kuvassa 4.
Kuvio 4
Whitaker päätteli, että:
- suurin turvallinen jatkuva virta on 5 milliampeeria, ja
- minkään virran enimmäiskesto ei saisi ylittää 4 milliampeerisekunnin käyrää.
POISTOAIKA
Witakerin tutkimuksen aikaan aidanohjaimet antoivat peräkkäisiä iskuja noin 1 sekunnin välein. Whitakerin oli määritettävä pienin ”pois päältä” -jakso, joka antaisi yksilölle mahdollisuuden vapautua aidasta.
UL suoritti testejä, joissa yksilöön kohdistettiin yhtäkkiä jännite ja vapautumiseen kulunut aika kirjattiin. Tätä testiä pidettiin ”tahattomana” reaktiona. Whitaker totesi, että aika, joka kuluu tunteen havaitsemiseen, on kääntäen verrannollinen ärsykkeen voimakkuuteen.
Whitaker tutki myös muita reaktioaikatestejä. Suurin osa näistä muista testitiedoista koski ”tahdonalaista” reaktiota ärsykkeisiin, kuten kosketus-, näkö- tai kuuloärsykkeisiin. Whitaker totesi myös, että dc:hen liittyvä lihassupistus pyrki heittämään uhrin irti ohjaimesta, kun taas ac:hen liittyvä lihassupistus pyrki olemaan mahdotonta päästää irti.
Sen vuoksi Whitaker päätteli, että ac-ohjainten ”off”-ajan tulisi olla 0.90 sekuntia ja tasavirtaohjaimilla 0,75 sekuntia.
PELKO
Whitaker tutki myös, voisiko ”turvallisen” aidan tahattoman kosketuksen aiheuttama pelko vaikuttaa haitallisesti sydämeen tai laukaista fibrillaation. Lääketieteelliset viranomaiset, joita hän konsultoi, eivät kyenneet ennustamaan tällaista tapahtumaa. Eräs auktoriteetti meni jopa niin pitkälle, että sanoi, että niin heikko isku ei kykene aiheuttamaan säikähdystä eikä yllätystä.
Ehdotan, että Whitakerin työstä voidaan ottaa opiksi joitakin asioita. Ensinnäkin Whitaker keskittyi sähköiskun aiheuttamiin erilaisiin vammoihin eikä niinkään standardien noudattamiseen. Tuohon aikaan ei tietenkään ollut standardeja. Nykyään, kun analysoimme uutta turvallisuustilannetta, näytämme tekevämme sen viittaamalla standardiin pikemminkin kuin vammaan.
Toiseksi Whitaker teki paljon mittauksia, mutta käytti vain pienimpiä, huonoimmassa tapauksessa havaittuja arvoja. Tällainen pessimismi on todella tarpeen turvallisuuden alalla. Mielestäni meillä on liian usein taipumus käyttää todennäköisyys- ja normaalijakaumia pahimman tapauksen arvojen sijaan.
Kolmanneksi, Whitaker tekee paljon oletuksia ja mielivaltaisia päätöksiä, erityisesti ihmistä edustavien eläinten osalta. Ehdotan, että meidän on pidettävä mielessä, että Whitakerin esittämät arvot eivät ole tarkkoja. Monet muutkin turvallisuuden alalla käyttämämme arvot ovat niin ikään epätarkkoja, mutta käsittelemme niitä ikään kuin ne olisivat tarkkoja.
Viimeiseksi totean, että emme enää tee tällaista tutkimusta. Kollega J. F. Kalbach keksi termin BOGSAT, joka tarkoittaa ”Bunch Of Guys Sitting Around Talking” kuvaamaan sitä, miten tietty käyrä aikoinaan kehitettiin. Käyrällä ei ollut mitään teknistä tai fysikaalista perustaa. Se oli täysin mielivaltainen. Ehdotan, että turvallisuusstandardeissamme on liikaa BOGSAT-prosessin vaatimuksia.
LÄHTEET
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, pudotti pöydälleni kopion tästä UL Bulletinista ja kysyi, olinko lukenut sen. Olin nähnyt ja lukenut Bulletinin monta vuotta sitten, joten kopio oli pöydälläni monta kuukautta. Lopulta otin sen käteeni ja aloin lukea. Olin vaikuttunut teoksesta, ja ajattelin arvostella sen teille.
Haluan myös kiittää Henry Jonesia, tuoteturvallisuuskonsulttia, hänen sähköaitoja koskevista kommenteistaan. Kiitokset myös Hewlett-Packard Companyn Tim Kramerille kehon vastuksen histogrammien laatimisesta.
Richard Nute on tuoteturvallisuuskonsultti, joka työskentelee turvallisuussuunnittelun, turvallisuustuotteiden valmistuksen, turvallisuussertifioinnin, turvallisuusstandardien ja rikosteknisten tutkimusten parissa.
Kuvan on ottanut Tomás Fano 
.