Az Underwriters Laboratories alapkutatásokat végzett a biztonság területén, és e kutatások eredményeit “Kutatási Közlemények” sorozatban tette közzé. Legalább 58 bulletint adtak ki a tűzzel, robbanással és áramütéssel kapcsolatban. Az egyik ilyen Bulletins, “Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence” (Elektromos áramütés az elektromos kerítéssel kapcsolatban) a termékbiztonság klasszikus dokumentuma. A kutatást 1936 és 1939 között Whitaker báró, az UL villamosmérnök-helyettese végezte. Whitaker végül az UL elnöki székébe emelkedett.
Whitaker kutatásai ma is érvényesek. Bár hasonló kutatásokat végeztek a modern IEC kiadványok támogatására, az ilyen kutatásokat általában csak az IEC bizottsági dokumentumaiban teszik közzé, és általában erősen az adott szabványra vagy jelentésre összpontosítanak, amelyet az IEC megpróbál megírni.
Az UL elektromos kerítéssel kapcsolatos kutatási közleménye sok olyan információt tartalmaz, amely nem csak az elektromos kerítésre vonatkozik. Éppen ezért klasszikus műnek számít.
BEVEZETÉS
Whitaker a kutatását az elektromos kerítés leírásával vezeti be: “Az elektromosság egyik legújabb és legújszerűbb alkalmazása napjainkban a vidéki területeken az elektromos kerítés. Fizikailag az elektromos kerítés abban különbözik a hagyományos típusú szögesdrót- vagy fonott drótkerítéstől, hogy egyszerűbb szerkezetű (általában egy drótból áll), és nem igényli a régebbi típusok mechanikai szilárdságát vagy stabilitását. Funkcionálisan abban különbözik, hogy az állatokat nem erővel vagy fájdalom okozásával, hanem félelemmel irányítja. Az elektromos kerítés két különálló részből áll, nevezetesen a kerítésdrótból és az elektromos vezérlőből, amely a kerítésdrótot elektromos energiával látja el.”
FELADATOK ÉS FELTÉTELEK
Whitaker tanulmányozta az elektromos kerítéssel kapcsolatos baleseti jelentéseket, amelyek mind áramütés okozta sérülést, mind áramütés okozta halálesetet tartalmaznak. Tanulmánya alapján kutatását azzal a megállapítással határolta le, hogy az elektromos kerítésnek biztonságosnak kell lennie egy kétéves gyermek számára, “…mezítláb, vízben vagy sárban állva, és két nedves vagy izzadt kézzel átesve vagy megragadva a drótot, a drót, amennyire a gyermek tudja, egy közönséges, nem villamosított kerítésdrót.”
(Anekdotaként egy kolléga, akinek az otthona egy farm és elektromos kerítést használ, arról számolt be, hogy ilyen körülmények között mentette meg a felesége a lányát!)
Az ilyen körülmények között Whitaker meg akarta határozni az áram maximális értékét, mind váltakozó, mind egyenáram esetén, a frekvenciát és az időtartamot, amely “nem tekinthető veszélyesnek az emberi életre”.”
Whitaker vállalta, hogy meghatározza a következő értékeket:
:
- A test elektromos ellenállása
- Biztonságos nyitott áramkörű feszültség
- Az egyenáram, a megszakított egyenáram, az ac, és a váltakozó áram frekvenciája
- A maximális áram és időtartam, amely nem okoz testi sérülést
- A minimális kikapcsolási idő
Az elektromos áramütés természete
Whitaker az elektromos energia okozta halál különböző okait kutatta. Öt különböző okot talált:
- A légzőizmok bénulása, amely fulladásos halált okoz
- Vérzés, amelyet az elektromos áram áthaladása során megnövekedett vérnyomás okoz
- Szívleállás, amelyet kamrafibrilláció okoz
- Légzési elégtelenség, amelyet idegrendszeri gátlások vagy az idegrendszer tényleges károsodása idéz elő
- Bőr- és húségés, az ebből eredő szövődményekkel
Whitaker kutatásai e sérülések közül egy vagy több megelőzésére irányultak. Nem az érzékelés megelőzésével vagy a reflexes cselekvés megelőzésével foglalkozott, mint a mai termékeknél. Továbbá az elektromos kerítésgyártók azt állították, hogy egy hatékony kerítésnek elegendő áramot kell biztosítania ahhoz, hogy izomösszehúzódást okozzon, és hogy a “kikapcsolási” időszaknak a lehető legrövidebbnek kell lennie.
TESTI ELEKTROMOS ELLÁTÁS
Whitaker a test ellenállásának vizsgálatát a következő kijelentéssel kezdi: “Az elektromos kerítésvezérlők biztonságos működési jellemzőinek megállapításához szükséges az emberi test, mint az elektromosság vezetőjének figyelembevétele.”
Whitaker az UL-nél egy tesztsorozatot kezdeményezett a test ellenállásának mérésére. Whitaker azt állítja, hogy “a külső bőr… nyújtja a legnagyobb ellenállást…”, és hogy a kerítésvezérlő magas feszültsége lebontja a bőr ellenállását. Whitaker azonban nem tudott korlátlan áramerősségű nagyfeszültséget alkalmazni az alanyaira, hogy “lebontsa” a bőr ellenállását. Ezért Whitaker kísérletei során az alanyok kezét és lábát 20%-os nátrium-klorid-oldattal nedvesítette meg.
Állandó terület, állandó nyomás és nedves kezek mellett Whitaker azt találta, hogy a test ellenállása független az áramtól, amikor az áram 1 és 15 milliamper között volt.
Whitaker kísérleti berendezése egy 12 voltos egyenáramú forrásból (szárazelemek), egy potenciométerből, egy feszültségmérőből és egy amperméterből állt. A kézi elektródák 10 AWG méretű huzalok voltak. A lábelektróda egy 14 hüvelykes négyzet alakú rézlemez volt. A potenciométert 5 milliamperre állították be felnőtteknél és 1 milliamperre gyermekeknél. Az alanyon átmenő feszültséget megmérték, és kiszámították az ellenállást.
Whitaker 40 felnőttet és 47 gyermeket (3 és 15 év között) mért. Azt találta, hogy felnőttek esetében “nincs tendencia vagy összefüggés az egyének testellenállása és nemük, koruk, magasságuk vagy súlyuk között”. Whitaker különböző méréseinek hisztogramjait az 1. és 2. ábrán közöltem.
1. ábra
2. ábra
Az adatokból arra a következtetésre jutott, hogy “a legkisebb testellenállás, amellyel az elektromos kerítés alkalmazásával kapcsolatban számolni lehet, nem lehet 500 ohmnál kisebb.”
(Egy későbbi Kutatási Közlönyben ugyanezeket az adatokat használja fel Karl Geiges a hírhedt szivárgási árammérő kifejlesztéséhez. Geiges munkáját egy későbbi számban áttekintem.)
FESZTMÉNY
Whitakernek két tényezőt kellett meghatározni a feszültséggel kapcsolatban:
- Ha a kimeneti áram korlátozott, kell-e szabályozni a nyitott áramkör feszültségét?
- Ha a kimeneti áram nem korlátozott, mekkora a maximális nyitott áramkör feszültség?
Whitaker megállapította, hogy a maximális biztonságos feszültség (olyan feszültségforrásból, ahol a kimenő áram nincs korlátozva) az a feszültség, amely nem okoz testi sérülést, és lehetővé teszi az egyén számára, hogy kiszabadítsa magát a kerítésből.
Whitaker beszámol egy tesztsorozatról, amelyet az UL munkatársain végeztek 1930-ban, és amely egyébként rögzítette azt a feszültséget, amelyet egy egyén el tudott viselni, és még mindig akaratlagosan irányítani tudta az izmait. Ezekből az adatokból a minimális feszültség 20 volt effektív feszültség volt.
Whitaker beszámol az International Harvester Co. által végzett tesztekről is, ahol a feszültséget egy vízzel teli vödörre és az alany által tartott kézi elektródára kapcsolták. Az alanyt ezután arra kérték, hogy hozzon vissza egy, a vödörbe merített tárgyat. Az International Harvester megállapította, hogy a tárgy kiemeléséhez szükséges maximális feszültség 12 és 20 volt között volt.
Whitaker arra a következtetésre jutott, hogy “a nyitott áramkör feszültségét nem kell korlátozni, feltéve, hogy a készülék beépített áramkorlátozó funkciókkal rendelkezik.”
Ahol azonban “a készülékben nincsenek beépített áramkorlátozó funkciók, a maximális biztonságos feszültség… nem haladhatja meg a 12 V-ot”. Ez azon az elméleten alapul, hogy a 12 voltos vagy annál kisebb feszültség ritkán, vagy soha nem okoz olyan mértékű bőrellenállást, amely elegendő ahhoz, hogy olyan intenzitású áramot engedjen át a testen, amely az izomkontroll hiányát vagy fizikai sérülést okoz a személynek.”
FREKVENCIA
Whitaker arról számol be, hogy “a fő különbség az egyenáram fizikai hatásában a váltóárammal szemben az, hogy az egyenáram nem okoz olyan mértékű izomösszehúzódást, mint a váltóáram.”
Whitaker azt is megjegyzi, hogy Kouwenhoven és d’Arsonval is úgy találta, hogy a frekvencia növekedésével az áramnak is növekednie kell ahhoz, hogy ugyanaz a fiziológiai hatás érvényesüljön.
Mindezek ellenére Whitaker arra a következtetésre jut, hogy “jelenleg nem indokolt nagyobb áramértékek engedélyezése… függetlenül az alkalmazott frekvenciától.”
Áram
Azokból az adatokból, ahol Whitaker meghatározta a maximális feszültséget, és más adatokból Whitaker megállapította, hogy a minimális és maximális érték, amelynél az egyének megtartják az izmok akaratlagos irányítását, körülbelül 6 milliamper, illetve 20 milliamper.
Whitaker tanulmányozta a kutyákon és juhokon végzett fibrilláló áramvizsgálatok eredményeit is, mivel úgy vélte, hogy ezeknek az állatoknak a szíve ugyanúgy reagál az ingerekre, mint az emberé. A juhokon végzett vizsgálatokból, és mivel a juhok test- és szívtömege hasonló az emberéhez, Whitaker megállapította, hogy a minimális fibrilláló áram egyenesen arányos a testtömeggel és a szívtömeggel.
A juhokon végzett vizsgálatok adatainak további vizsgálata azt mutatta, hogy a fibrilláció a szívciklusnak az áramütés bekövetkezésekor fennálló fázisától és az áramütés időtartamától függ. Whitaker azt találta, hogy egy 0,1 másodperces időtartamú sokk fibrillációjához 10-szer annyi áramra volt szükség, mint egy 3 másodperces időtartamú sokkhoz.
Whitaker ezután különböző kifejlett állatok 3 másodperces fibrillációs áramát ábrázolta a testtömeg és a szívtömeg függvényében. Whitaker ezután feltételezte, hogy egy ilyen görbe minimális értéke képviseli az embert. Whitaker feltételezte továbbá, hogy a minimális fibrilláló áram a különböző test- és szívtömegek esetében állandó arány, feltéve, hogy a sokk időtartama a szívciklus azonos százalékát teszi ki, és a sokkot a szívciklus azonos pontján indítják el.
Az említett feltételezések és adatok felhasználásával Whitaker megállapította, hogy a minimális 3 másodperces fibrilláló áram 125 kilós testsúly esetén 126 milliamper, 20 kilós testsúly esetén pedig 31 milliamper. (A húsz fontot egy kétéves gyermek átlagos súlyának tekintjük.)
E számok felhasználásával Whitaker meghatározta a 31:126 arányt a minimális fibrilláló áramra a 20 és 125 font testsúlyú gyermekek esetében.
Ezt az arányt felhasználva, és figyelembe véve a teljes szívverés időtartamának százalékát, a testsúlyt és a szív súlyát, Whitaker képes volt megalkotni egy “Az érintkezési idő és a minimális fibrilláló áram származtatott görbéjét egy kétéves gyermek esetében”. Ez a görbe egy derékszögű hiperbolát közelített meg. Lásd Whitaker “3. grafikonját” a 3. ábrán.
3. ábra
Ezután Whitaker a maximális áramot önkényesen 65 milliamperben, a maximális teljesítményt 4 milliamper-másodpercben, a maximális “bekapcsolási” időtartamot pedig 0,2 másodpercben határozta meg. Ez az “érintkezési idő kontra megengedett áram” görbe 6-szor kisebb volt, mint a minimális fibrilláló áram görbe. Lásd Whitaker “4. grafikonját” a 4. ábrán.
4. ábra
Whitaker arra a következtetésre jutott, hogy:
- a maximális biztonságos folyamatos áram 5 milliamper, és
- minden áram maximális időtartama nem haladhatja meg a 4 milliamper-szekundumos görbét.
OFF PERIODUS
A Whitaker kutatásai idején a kerítésvezérlők körülbelül 1 másodperces időközönként adták az egymást követő áramütéseket. Whitakernek meg kellett határoznia azt a minimális “kikapcsolási” időtartamot, amely lehetővé teszi az egyén számára, hogy kiszabaduljon a kerítésből.
Az UL olyan vizsgálatokat végzett, amelyek során egy egyénre hirtelen feszültséget kapcsoltak, és feljegyezték a kiszabadulásig eltelt időt. Ezt a tesztet “önkéntelen” reakciónak tekintették. Whitaker megjegyezte, hogy az érzés érzékeléséhez szükséges idő fordítottan arányos az inger intenzitásával.
Whitaker más reakcióidő-teszteket is vizsgált. Ezen egyéb tesztek adatainak többsége olyan ingerekre adott “önkéntes” reakcióra vonatkozott, mint az érintés, a vizuális vagy a hallás. Whitaker azt is megjegyezte, hogy a dc-hez kapcsolódó izomösszehúzódás hajlamos volt az áldozatot a karmestertől elhajítani, míg az ac-hez kapcsolódó izomösszehúzódás hajlamos volt arra, hogy ne lehessen elengedni.
Ezért Whitaker arra a következtetésre jutott, hogy az ac-vezérlők “kikapcsolási” idejének 0-nak kell lennie.90 másodperc, az egyenáramú vezérlők esetében pedig 0,75 másodperc legyen.
FORRÁS
Whitaker azt is megvizsgálta, hogy a “biztonságos” kerítéssel való véletlen érintkezés által keltett ijedtség károsan hathat-e a szívre, illetve kiválthat-e fibrillációt. Az általa megkérdezett orvosi hatóságok nem tudtak ilyen eseményt előre jelezni. Az egyik szaktekintély még odáig is elment, hogy azt állította, hogy egy ilyen gyenge sokk nem képes sem ijedtséget, sem meglepetést okozni.
Azt javaslom, hogy Whitaker munkájából levonhatunk néhány tanulságot. Először is, Whitaker az áramütés okozta különböző sérülésekre összpontosított, nem pedig a szabványoknak való megfelelésre. Természetesen abban az időben még nem léteztek szabványok. Ma, amikor egy új biztonsági helyzetet elemzünk, úgy tűnik, ezt inkább egy szabványra, mint a sérülésre való hivatkozással tesszük.
Második, Whitaker sok mérést végzett, de csak a minimális, legrosszabb esetben talált értékeket használta fel. Ez a fajta pesszimizmus valóban szükséges a biztonság területén. Azt hiszem, túl gyakran hajlamosak vagyunk valószínűségi és normális eloszlásokat használni a legrosszabb esetre vonatkozó értékek helyett.
Harmadszor, Whitaker sok feltételezést és önkényes döntést hoz, különösen az embereket képviselő állatokkal kapcsolatban. Azt javaslom, hogy tartsuk szem előtt, hogy a Whitaker által bemutatott értékek nem pontosak. Sok más érték, amelyet a biztonság területén használunk, szintén pontatlan, de úgy kezeljük őket, mintha pontosak lennének.
Végezetül úgy találom, hogy már nem végzünk ilyen kutatásokat. Egy kollégám, J. F. Kalbach, kitalált egy kifejezést, a BOGSAT-ot, ami azt jelenti, hogy “Bunch Of Guys Sitting Around Talking”, azaz “Bunch Of Guys Sitting Around Talking”, hogy leírja, hogyan dolgoztak ki egykor egy bizonyos görbét. A görbének nem volt mérnöki vagy fizikai alapja. Teljesen önkényes. Azt javaslom, hogy a biztonsági szabványaink túl sok követelményt tartalmaznak a BOGSAT-folyamatból.
UTÓSZÓ
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, letette az asztalomra ennek az UL Bulletin-nek egy példányát, és megkérdezte, hogy olvastam-e már. Sok évvel ezelőtt már láttam és olvastam a Bulletint, így a példány hónapokig az asztalomon hevert. Végül kézbe vettem és elkezdtem olvasni. Lenyűgözött a munka, és úgy gondoltam, hogy átnézem Önöknek.
Szeretnék köszönetet mondani Henry Jones termékbiztonsági tanácsadónak is az elektromos kerítésekkel kapcsolatos észrevételeiért. Köszönet továbbá Tim Kramernek a Hewlett-Packard Company-tól a test ellenállásának hisztogramjainak elkészítéséért.
Richard Nute termékbiztonsági tanácsadó, aki biztonsági tervezéssel, biztonsági gyártással, biztonsági tanúsítással, biztonsági szabványokkal és törvényszéki vizsgálatokkal foglalkozik.
Fotó: Tomás Fano 
Fotó: Tomás Fano.