Underwriters Laboratories fece ricerche di base nel campo della sicurezza e pubblicò i risultati di tali ricerche in una serie di “Bulletins of Research”. Sono stati pubblicati almeno 58 bollettini relativi a fuoco, esplosioni e scosse elettriche. Uno di questi bollettini, “Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence”, è un documento classico nel campo della sicurezza dei prodotti. La ricerca è stata eseguita dal 1936 al 1939 da Baron Whitaker, un assistente ingegnere elettrico di UL. Whitaker alla fine salì alla presidenza di UL.
La ricerca di Whitaker è ancora attuale. Mentre una ricerca simile è stata fatta a sostegno delle moderne pubblicazioni IEC, tale ricerca è di solito pubblicata solo nei documenti del comitato IEC e di solito è altamente focalizzata sullo specifico standard o rapporto che l’IEC sta tentando di scrivere.
Questo UL Bulletin of Research sulla recinzione elettrica contiene molte informazioni che si applicano a molto più che la recinzione elettrica. Ecco perché è un’opera classica.
INTRODUZIONE
Whitaker introduce la sua ricerca descrivendo la recinzione elettrica: “Una delle più recenti e nuove applicazioni dell’elettricità nelle aree rurali oggi è il recinto elettrico. Fisicamente, la recinzione elettrica differisce dal tipo convenzionale di recinzione a filo spinato o a filo intrecciato in quanto è di costruzione più semplice (di solito ha un solo filo) e non richiede la forza meccanica o la stabilità dei tipi più vecchi. Funzionalmente, è diverso in quanto controlla gli animali per mezzo della paura piuttosto che con la forza o causando dolore. Il recinto elettrico è composto da due parti distinte, vale a dire il filo di recinzione e il controllore elettrico che fornisce l’energia elettrica al filo di recinzione.”
FINE E CONDIZIONI
Whitaker ha studiato i rapporti sugli incidenti nei recinti elettrici che coinvolgono sia le lesioni da shock elettrico che la morte causata da shock elettrico. Sulla base del suo studio, ha delimitato la sua ricerca affermando che la recinzione elettrica dovrebbe essere sicura per un bambino di due anni, “…a piedi nudi, in piedi in una pozza d’acqua o fango, e cadendo attraverso o afferrando il filo con due mani bagnate o sudate, il filo, per quanto il bambino sia consapevole, essendo un normale filo di recinzione non elettrificato.”
(Aneddoticamente, un collega, la cui casa è una fattoria e utilizza recinzioni elettriche, ha riferito che queste erano le condizioni in cui sua moglie salvò sua figlia!)
In queste condizioni, Whitaker voleva determinare il valore massimo di corrente, sia per l’ac che per il dc, la frequenza, e la durata che “può essere considerata come non pericolosa per la vita umana.”
Whitaker si è impegnato a determinare i valori per:
- Resistenza elettrica del corpo
- Tensione a circuito aperto sicura
- Effetti della corrente continua, della corrente continua interrotta, dell’ac, e frequenza della corrente alternata
- La corrente e la durata massime che non causano danni fisici
- Il tempo minimo di spegnimento
LA NATURA DELLA SCOSSA ELETTRICA
Whitaker fece una ricerca sulle varie cause di morte per energia elettrica. Trovò cinque cause diverse:
- Paralisi dei muscoli respiratori, che produce la morte per asfissia
- Emorragia, prodotta dall’aumento della pressione sanguigna durante il passaggio della corrente elettrica
- Infarto, prodotto dalla fibrillazione ventricolare
- Infarto respiratorio, prodotta da inibizioni nervose o danni reali al sistema nervoso
- Ustioni della pelle e della carne, con conseguenti complicazioni
La ricerca di Whitaker era orientata alla prevenzione di una o più di queste lesioni. Non si occupava della prevenzione della sensazione o della prevenzione dell’azione riflessiva come avviene nei prodotti di oggi. Inoltre, i produttori di recinzioni elettriche sostenevano che una recinzione efficace doveva fornire una corrente sufficiente a causare la contrazione muscolare, e che il periodo di “off” doveva essere il più breve possibile.
RESISTENZA ELETTRICA DEL CORPO
Whitaker inizia la sua considerazione della resistenza del corpo con l’affermazione: “Necessario per stabilire le caratteristiche di funzionamento sicuro dei controllori di recinzioni elettriche è una considerazione del corpo umano come conduttore di elettricità.”
Whitaker ha iniziato una serie di test presso UL per misurare la resistenza del corpo. Whitaker afferma che “la pelle esterna… offre la maggiore resistenza…” e che l’alta tensione di un controller di recinzione abbatte la resistenza della pelle. Ma Whitaker non poteva applicare l’alta tensione, a corrente illimitata, ai suoi soggetti per “rompere” la resistenza della pelle. Pertanto, gli esperimenti di Whitaker includevano il bagnare le mani e i piedi dei suoi soggetti con una soluzione di cloruro di sodio al 20%.
Con area costante, pressione costante e mani bagnate, Whitaker trovò che la resistenza del corpo era indipendente dalla corrente, quando la corrente era nell’intervallo da 1 a 15 milliampere.
Il set-up del test di Whitaker era composto da una sorgente dc da 12 volt (celle a secco), un potenziometro, un voltmetro e un amperometro. Gli elettrodi della mano erano fili n. 10 AWG. L’elettrodo del piede era una piastra di rame quadrata di 14 pollici. Il potenziometro era regolato per 5 milliampere per gli adulti e 1 milliampere per i bambini. La tensione attraverso il soggetto veniva misurata, e la resistenza calcolata.
Whitaker misurò 40 adulti e 47 bambini (dai 3 ai 15 anni). Ha trovato che, per gli adulti, “non ci sono tendenze o relazioni tra la resistenza corporea degli individui e il loro sesso, età, altezza o peso”. Ho fornito gli istogrammi delle varie misurazioni di Whitaker nelle figure 1 e 2.
Figura 1
Figura 2
Da questi dati, ha concluso che “la più bassa resistenza del corpo che potrebbe essere considerata in relazione all’applicazione della recinzione elettrica non sarebbe inferiore a 500 ohm.”
(In un successivo Bollettino di ricerca, questi stessi dati sono utilizzati da Karl Geiges per sviluppare il famigerato misuratore di corrente di dispersione. Esaminerò il lavoro di Geiges in un prossimo numero.)
VOLTAGGIO
Whitaker aveva bisogno di determinare due fattori rispetto alla tensione:
- Se la corrente di uscita è limitata, la tensione a circuito aperto deve essere controllata?
- Se la corrente di uscita non è limitata, qual è la massima tensione a circuito aperto?
Whitaker determinò che la massima tensione sicura (da una fonte di tensione in cui la corrente di uscita non è limitata) sarebbe stata quella tensione che non avrebbe causato lesioni fisiche e permesso all’individuo di liberarsi dalla recinzione.
Whitaker riporta una serie di test, eseguiti sul personale UL durante il 1930, che, incidentalmente, registrarono la tensione che un individuo poteva sopportare e avere ancora il controllo volontario dei suoi muscoli. Da questi dati, la tensione minima era di 20 volt rms.
Whitaker riporta anche dei test della International Harvester Co. in cui la tensione era collegata a un secchio pieno d’acqua e a un elettrodo manuale tenuto dal soggetto. Al soggetto veniva poi chiesto di recuperare un oggetto immerso nel secchio. International Harvester ha trovato che la tensione massima per il recupero dell’oggetto era da 12 a 20 volt.
Whitaker ha concluso che “la tensione a circuito aperto non deve essere limitata a condizione che il dispositivo incorpori caratteristiche intrinseche di limitazione della corrente.”
Tuttavia, “dove nessuna caratteristica intrinseca di limitazione della corrente è incorporata nel dispositivo, la tensione massima di sicurezza … non dovrebbe superare 12. Questo si basa sulla teoria che un potenziale di 12 volt o meno raramente, se mai, causerà una rottura della resistenza della pelle sufficiente a consentire un flusso di corrente attraverso il corpo di tale intensità da causare la mancanza di controllo muscolare o lesioni fisiche alla persona.”
FREQUENZA
Whitaker riporta che “la differenza principale nell’effetto fisico della corrente continua, rispetto alla corrente alternata, è che la corrente continua non provoca la contrazione dei muscoli nella misura associata alla corrente alternata.”
Whitaker nota anche che Kouwenhoven e d’Arsonval hanno entrambi trovato che all’aumentare della frequenza, la corrente deve anche aumentare per avere lo stesso effetto fisiologico.
Nonostante, Whitaker conclude che “non c’è alcun motivo attuale per permettere valori maggiori di corrente… indipendentemente dalla frequenza impiegata.”
CORRENTE
Dagli stessi dati dove Whitaker ha determinato la tensione massima e da altri dati, Whitaker ha determinato che i valori minimi e massimi ai quali gli individui mantengono il controllo volontario dei muscoli sono circa 6 milliampere e 20 milliampere, rispettivamente.
Whitaker studiò anche i risultati dei test della corrente di fibrillazione su cani e pecore, poiché si riteneva che i cuori di questi animali avessero la stessa risposta allo stimolo di quelli umani. Dai test sulle pecore e poiché le pecore hanno un peso corporeo e cardiaco simile a quello degli esseri umani, Whitaker ha determinato che la corrente di fibrillazione minima è direttamente proporzionale al peso corporeo e al peso del cuore.
Un ulteriore studio dei dati dei test sulle pecore ha mostrato che la fibrillazione era una funzione della fase del ciclo cardiaco al momento dello shock, e una funzione della durata dello shock. Whitaker trovò che la fibrillazione per uno shock della durata di 0,1 secondi richiedeva 10 volte la corrente di uno shock della durata di 3 secondi.
Whitaker tracciò poi le correnti di fibrillazione di 3 secondi per diversi animali adulti in funzione del peso corporeo e del peso cardiaco. Whitaker ha poi assunto che il valore minimo di tale curva rappresentasse l’uomo. Whitaker assunse inoltre che la minima corrente di fibrillazione per diversi pesi corporei e cardiaci è un rapporto costante, a condizione che la durata dello shock sia la stessa percentuale del ciclo cardiaco, e che lo shock sia iniziato nello stesso punto del ciclo cardiaco.
Utilizzando questi presupposti e dati, Whitaker determinò che la minima corrente di fibrillazione di 3 secondi per 125 libbre di peso corporeo è 126 milliampere, e per 20 libbre di peso corporeo è 31 milliampere. (Venti libbre è preso come il peso medio di un bambino di due anni.)
Utilizzando questi numeri, Whitaker ha determinato il rapporto 31:126 per le correnti fibrillanti minime per i pesi corporei di 20 e 125 libbre.
Utilizzando questo rapporto, e tenendo conto della percentuale di tempo per un battito cardiaco completo, per il peso corporeo, e per il peso del cuore, Whitaker fu in grado di costruire una “Curva derivata del tempo di contatto contro la corrente minima di fibrillazione per un bambino di due anni”. Questa curva approssimava un’iperbole rettangolare. Vedi il “Grafico 3” di Whitaker nella Figura 3.
Figura 3
In seguito, Whitaker impostò arbitrariamente la corrente massima a 65 milliampere, l’uscita massima a 4 milliampere-secondi, e il massimo periodo “on” a 0,2 secondi. Questa curva “Contact Time versus Allowable Current” era un fattore 6 in meno rispetto alla curva della corrente minima di fibrillazione. Vedere il “Grafico 4” di Whitaker nella Figura 4.
Figura 4
Whitaker ha concluso che:
- la massima corrente continua sicura è di 5 milliampere, e
- la durata massima di qualsiasi corrente non dovrebbe superare la curva di 4 milliampere-secondi.
Periodo di spegnimento
All’epoca della ricerca di Whitaker, i regolatori di recinzione erogavano shock successivi a intervalli di circa 1 secondo. Whitaker doveva determinare il periodo minimo di “spegnimento” che avrebbe permesso a un individuo di liberarsi dal recinto.
UL ha condotto dei test in cui una tensione veniva improvvisamente impressa su un individuo, e il tempo di rilascio veniva registrato. Questo test è stato considerato una reazione “involontaria”. Whitaker notò che il tempo per percepire la sensazione è inversamente proporzionale all’intensità dello stimolo.
Whitaker studiò anche altri test sui tempi di reazione. La maggior parte dei dati di questi altri test riguardava la reazione “volontaria” a stimoli come il tatto, la vista o l’udito. Whitaker notò anche che la contrazione muscolare associata alla corrente continua tendeva a distogliere la vittima dal conduttore, mentre la contrazione muscolare associata alla corrente alternata tendeva ad essere impossibile da lasciare andare.
Pertanto, Whitaker concluse che il periodo “off” per i controllori a corrente alternata dovrebbe essere di 0.90 secondi, e per i controllori dc dovrebbe essere di 0,75 secondi.
FRIGORE
Whitaker ha anche indagato se lo spavento generato dal contatto inavvertito con un recinto “sicuro” potrebbe influenzare negativamente il cuore o innescare la fibrillazione. Le autorità mediche che ha consultato non sono state in grado di prevedere un tale evento. Un’autorità arrivò persino a dire che uno shock così debole non era in grado di causare né spavento né sorpresa.
Io suggerisco che ci sono alcune lezioni da imparare dal lavoro di Whitaker. In primo luogo, Whitaker si è concentrato sulle varie lesioni causate dalle scosse elettriche piuttosto che sul rispetto degli standard. Naturalmente, non c’erano standard a quel tempo. Oggi, quando analizziamo una nuova situazione di sicurezza, sembra che lo facciamo con riferimento a uno standard piuttosto che alla lesione.
In secondo luogo, Whitaker ha fatto molte misurazioni, ma ha usato solo i valori minimi, il caso peggiore trovato. Questo tipo di pessimismo è veramente necessario nel campo della sicurezza. Penso che troppo spesso tendiamo a usare la probabilità e le distribuzioni normali piuttosto che i valori del caso peggiore.
In terzo luogo, Whitaker fa molte supposizioni e decisioni arbitrarie, soprattutto per quanto riguarda gli animali che rappresentano gli uomini. Suggerisco che dobbiamo tenere a mente che i valori presentati da Whitaker non sono precisi. Molti altri valori che usiamo nel campo della sicurezza sono altrettanto imprecisi, ma li trattiamo come se fossero precisi.
Infine, trovo che non facciamo più queste ricerche. Un collega, J. F. Kalbach, ha coniato un termine, BOGSAT, che significa “Bunch Of Guys Sitting Around Talking”, per descrivere come veniva sviluppata una curva particolare. Non c’era nessuna base ingegneristica o fisica per la curva. Puramente arbitraria. Vorrei suggerire che i nostri standard di sicurezza contengono troppi requisiti del processo BOGSAT.
Riconoscimenti
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, ha lasciato una copia di questo bollettino UL sulla mia scrivania, chiedendomi se l’avessi letto. Avevo visto e letto il bollettino molti anni fa, quindi la copia è rimasta sulla mia scrivania per molti mesi. Alla fine l’ho presa e ho iniziato a leggere. Sono rimasto impressionato dal lavoro e ho pensato di recensirlo per voi.
Voglio anche ringraziare Henry Jones, un consulente per la sicurezza dei prodotti, per i suoi commenti sui recinti elettrici. Grazie anche a Tim Kramer della Hewlett-Packard Company per aver preparato gli istogrammi della resistenza del corpo.
Richard Nute è un consulente per la sicurezza dei prodotti impegnato nella progettazione della sicurezza, produzione di sicurezza, certificazione di sicurezza, standard di sicurezza e indagini forensi.
Foto di Tomás Fano 