Underwriters Laboratories deed basisonderzoek op het gebied van veiligheid en publiceerde de resultaten van dat onderzoek in een reeks “Bulletins of Research”. Tenminste 58 bulletins werden gepubliceerd met betrekking tot brand, explosie en elektrische schok. Een van die bulletins, “Elektrische schok met betrekking tot het elektrische hek”, is een klassiek document op het gebied van productveiligheid. Het onderzoek werd van 1936 tot 1939 uitgevoerd door Baron Whitaker, een assistent elektrotechnisch ingenieur bij UL. Whitaker klom uiteindelijk op tot het presidentschap van UL.
Whitaker’s onderzoek staat nog steeds overeind. Hoewel soortgelijk onderzoek is gedaan ter ondersteuning van moderne IEC-publicaties, wordt dergelijk onderzoek meestal alleen gepubliceerd in IEC-commissiepapers en is het meestal sterk gericht op de specifieke norm of het rapport dat de IEC probeert te schrijven.
Dit UL Bulletin of Research over de elektrische afrastering bevat veel informatie die van toepassing is op veel meer dan alleen de elektrische afrastering. Daarom is het een klassiek werk.
INLEIDING
Whitaker introduceert zijn onderzoek door de elektrische afrastering te beschrijven: “Een van de meest recente en nieuwe toepassingen van elektriciteit op het platteland is tegenwoordig de elektrische afrastering. Fysiek verschilt de elektrische afrastering van het conventionele type van prikkeldraad of gevlochten draadafrastering in die zin dat zij van eenvoudiger constructie is (gewoonlijk met één draad) en niet de mechanische sterkte of stabiliteit vereist van de oudere types. Functioneel verschilt zij in die zin dat zij dieren in bedwang houdt door middel van angst in plaats van door kracht of door pijn te veroorzaken. De elektrische afrastering bestaat uit twee afzonderlijke delen, namelijk de afrasteringsdraad, en de elektrische regelaar die de elektrische energie aan de afrasteringsdraad levert.”
VOORZIENING EN VOORWAARDEN
Whitaker bestudeerde ongevallen met elektrische afrasteringen waarbij zowel letsel door elektrische schokken als door elektrische schokken veroorzaakte sterfgevallen voorkwamen. Op basis van zijn studie begrensde hij zijn onderzoek door te stellen dat de elektrische afrastering veilig zou moeten zijn voor een tweejarig kind, “…blootsvoets, staand in een plas water of modder, en vallend over of de draad vastgrijpend met twee natte of zweterige handen, waarbij de draad, voor zover het kind weet, een gewone niet-geëlektrificeerde afrasteringsdraad is.”
(Anekdotisch, een collega, wiens huis een boerderij is en elektrische afrasteringen gebruikt, meldde dat dit de omstandigheden waren waaronder zijn vrouw zijn dochter redde!)
Onder deze omstandigheden wilde Whitaker de maximale waarde van de stroom bepalen, voor zowel ac als dc, de frequentie, en de duur die “kan worden beschouwd als niet gevaarlijk voor het menselijk leven.”
Whitaker nam op zich om waarden te bepalen voor:
- De elektrische weerstand van het lichaam
- Veilig open-circuit voltage
- Effecten van gelijkstroom, onderbroken gelijkstroom, wisselstroom, en frequentie van wisselstroom
- De maximale stroom en duur die geen lichamelijk letsel veroorzaakt
- De minimale uitschakeltijd
DE NATUUR VAN ELEKTRISCHE SCHOK
Whitaker deed onderzoek naar de verschillende doodsoorzaken van elektrische energie. Hij vond vijf verschillende oorzaken:
- Verlamming van de ademhalingsspieren, veroorzaakt door verstikking
- Bloeding, veroorzaakt door de stijgende bloeddruk tijdens de doorgang van de elektrische stroom
- Falen van het hart, veroorzaakt door ventrikelfibrillatie
- Falen van de ademhaling, veroorzaakt door zenuwremmingen of werkelijke beschadiging van het zenuwstelsel
- Verbrandingen van huid en vlees, met de daaruit voortvloeiende complicaties
Whitakers onderzoek was gericht op het voorkomen van een of meer van deze verwondingen. Hij hield zich niet bezig met het voorkomen van sensatie of het voorkomen van reflexieve actie zoals wij dat doen bij de huidige producten. Bovendien beweerden fabrikanten van elektrische afrasteringen dat een effectieve afrastering voldoende stroom moet leveren om spiersamentrekkingen te veroorzaken, en dat de “uit”-periode zo kort mogelijk moet zijn.
Lichaamsweerstand
Whitaker begint zijn beschouwing over de weerstand van het lichaam met de uitspraak: “Noodzakelijk voor het vaststellen van de veilige werkingskarakteristieken van elektrische afrasteringen is een beschouwing van het menselijk lichaam als geleider van elektriciteit.”
Whitaker startte een serie tests bij UL om de weerstand van het lichaam te meten. Whitaker beweert dat “de buitenste huid… de grootste weerstand biedt…” en dat de hoge spanning van een afrasteringsapparaat de weerstand van de huid afbreekt. Maar Whitaker kon geen hoogspanning, met onbeperkte stroomsterkte, op zijn proefpersonen toepassen om de huidweerstand “af te breken”. Daarom werden in Whitaker’s experimenten de handen en voeten van zijn proefpersonen nat gemaakt met een 20% natriumchloride oplossing.
Met een constante oppervlakte, constante druk, en natte handen, ontdekte Whitaker dat de lichaamsweerstand onafhankelijk was van de stroom, wanneer de stroom in het bereik lag van 1 tot 15 milliampère.
De testopstelling van Whitaker bestond uit een 12-volt gelijkstroombron (droge cellen), een potentiometer, een voltmeter, en een ampèremeter. De handelektroden waren draden van AWG nr. 10. De voetelektrode was een vierkante koperen plaat van 14 inch. De potentiometer werd afgesteld op 5 milliampère voor volwassenen en 1 milliampère voor kinderen. De spanning over de proefpersoon werd gemeten, en de weerstand berekend.
Whitaker mat 40 volwassenen en 47 kinderen (in de leeftijd van 3 tot 15 jaar). Hij vond dat, voor volwassenen, “er geen tendensen of verbanden zijn tussen de lichaamsweerstand van individuen en hun geslacht, leeftijd, lengte of gewicht.” Ik heb histogrammen van Whitaker’s verschillende metingen gegeven in Figuren 1 en 2.
Figuur 1
Figuur 2
Uit deze gegevens concludeerde hij dat “de laagste lichaamsweerstand waarmee rekening zou kunnen worden gehouden in verband met de toepassing van elektrische afrasteringen niet minder zou zijn dan 500 ohm.”
(In een later Bulletin van Onderzoek worden deze zelfde gegevens door Karl Geiges gebruikt om de beruchte lekstroommeter te ontwikkelen. Ik zal het werk van Geiges in een volgend nummer bespreken.”
VOLTAGE
Whitaker moest twee factoren met betrekking tot spanning bepalen:
- Als de uitgangsstroom beperkt is, moet de open-circuit spanning dan worden geregeld?
- Als de uitgangsstroom niet beperkt is, wat is dan de maximale open-circuit spanning?
Whitaker bepaalde dat de maximale veilige spanning (van een spanningsbron waar de uitgangsstroom niet beperkt is) die spanning zou zijn die geen lichamelijk letsel veroorzaakte en het individu in staat stelde zichzelf van het hek te bevrijden.
Whitaker rapporteert een reeks tests, uitgevoerd op UL-medewerkers in 1930, waarbij overigens het voltage werd geregistreerd dat een individu kon weerstaan en nog steeds vrijwillige controle over zijn spieren had. Uit deze gegevens bleek dat het minimumvoltage 20 volt rms was.
Whitaker maakt ook melding van tests door International Harvester Co. waarbij het voltage werd aangesloten op een emmer gevuld met water en op een handelektrode die door de proefpersoon werd vastgehouden. De proefpersoon werd dan gevraagd een in de emmer ondergedompeld voorwerp op te rapen. International Harvester stelde vast dat de maximale spanning voor het terughalen van het voorwerp 12 tot 20 volt bedroeg.
Whitaker concludeerde dat “de open-circuit spanning niet hoeft te worden beperkt, mits het apparaat inherente stroombegrenzende kenmerken bevat.”
Hoewel, “wanneer geen inherente stroombegrenzende kenmerken in het apparaat zijn ingebouwd, mag de maximale veilige spanning… niet hoger zijn dan 12 volt. Dit is gebaseerd op de theorie dat een potentiaal van 12 volt of minder zelden of nooit een afbraak van huidweerstand zal veroorzaken die voldoende is om een stroom door het lichaam toe te laten van een dergelijke intensiteit dat dit een gebrek aan spiercontrole of lichamelijk letsel aan de persoon veroorzaakt.”
FREQUENTIE
Whitaker rapporteert dat “het belangrijkste verschil in het fysieke effect van gelijkstroom, in tegenstelling tot wisselstroom, is dat de gelijkstroom geen samentrekking van de spieren veroorzaakt in de mate die geassocieerd wordt met wisselstroom.”
Whitaker merkt ook op dat Kouwenhoven en d’Arsonval beiden ontdekten dat als de frequentie toeneemt, de stroom ook moet toenemen om hetzelfde fysiologische effect te hebben.
Niettemin concludeert Whitaker dat “er geen huidige rechtvaardiging is voor het toestaan van grotere waarden van stroom … ongeacht de gebruikte frequentie.”
CURRENT
Uit dezelfde gegevens waarin Whitaker de maximale spanning bepaalde en uit andere gegevens, bepaalde Whitaker dat de minimum- en maximumwaarden waarbij individuen vrijwillige controle over de spieren behouden, respectievelijk ongeveer 6 milliampère en 20 milliampère bedragen.
Whitaker bestudeerde ook de resultaten van fibrillerende stroomproeven op honden en schapen, omdat de harten van deze dieren geacht werden dezelfde reactie op prikkels te hebben als die van mensen. Uit de tests op schapen en omdat schapen een lichaamsgewicht en hartgewicht hebben dat vergelijkbaar is met dat van mensen, stelde Whitaker vast dat de minimale fibrillatiestroom recht evenredig is met het lichaamsgewicht en met het hartgewicht.
Verder onderzoek van de testgegevens van schapen toonde aan dat fibrillatie een functie was van de fase van de hartcyclus op het moment dat de schok zich voordeed, en een functie van de duur van de schok. Whitaker stelde vast dat voor fibrillatie bij een schok van 0,1 seconde 10 maal zoveel stroom nodig was als bij een schok van 3 seconden.
Whitaker zette vervolgens de fibrillatiestromen van 3 seconden uit voor verschillende volgroeide dieren als functie van het lichaamsgewicht en het hartgewicht. Whitaker nam vervolgens aan dat de minimumwaarde van een dergelijke curve de mens voorstelde. Whitaker nam verder aan dat de minimale fibrillatiestroom voor verschillende lichaams- en hartgewichten een constante verhouding is, mits de schokduur hetzelfde percentage van de hartcyclus bedraagt, en de schok op hetzelfde punt in de hartcyclus wordt geïnitieerd.
Met gebruikmaking van deze aannames en gegevens stelde Whitaker vast dat de minimale 3-seconden fibrillatiestroom voor een lichaamsgewicht van 125 pond 126 milliampère bedraagt, en voor een lichaamsgewicht van 20 pond 31 milliampère. (20 pond wordt genomen als het gemiddelde gewicht van een tweejarig kind.)
Met behulp van deze getallen bepaalde Whitaker de verhouding 31:126 voor minimale fibrillerende stromen voor lichaamsgewichten van 20 en 125 pond.
Met behulp van deze verhouding, en rekening houdend met het percentage van de tijd voor een volledige hartslag, voor lichaamsgewicht, en voor hartgewicht, was Whitaker in staat een “Afgeleide Curve van Contacttijd versus Minimale Fibrillerende Stroom voor een tweejarig kind” te construeren. Deze curve benaderde een rechthoekige hyperbool. Zie Whitakers “Grafiek 3” in figuur 3.
Figuur 3
Naar aanleiding hiervan stelde Whitaker de maximale stroom willekeurig in op 65 milliampère, de maximale output op 4 milliampère-seconden, en de maximale “aan”-periode op 0,2 seconden. Deze “Contacttijd versus toelaatbare stroom” curve was een factor 6 lager dan de minimale fibrillerende stroom curve. Zie Whitaker’s “Graph 4” in figuur 4.
Figuur 4
Whitaker concludeerde dat:
- de maximale veilige continue stroom 5 milliampère is, en
- de maximale duur van elke stroom de curve van 4 milliampère-seconden niet mag overschrijden.
OFF PERIOD
Ten tijde van Whitaker’s onderzoek, gaven afrasteringscontrollers opeenvolgende schokken met een interval van ongeveer 1 seconde. Whitaker moest de minimale “uit”-periode bepalen die een individu in staat zou stellen zich van de omheining te bevrijden.
UL voerde tests uit waarbij plotseling een spanning op een individu werd gezet, en de tijd tot de bevrijding werd geregistreerd. Deze test werd beschouwd als een “onvrijwillige” reactie. Whitaker merkte op dat de tijd om de sensatie waar te nemen omgekeerd evenredig is met de intensiteit van de stimulus.
Whitaker bestudeerde ook andere reactietijd-tests. De meeste van deze andere testgegevens hadden betrekking op “vrijwillige” reactie op stimuli zoals aanraking, visueel, of auditief. Whitaker merkte ook op dat de spiersamentrekking bij gelijkstroom het slachtoffer van de geleider af wierp, terwijl de spiersamentrekking bij wisselstroom het slachtoffer onmogelijk losliet.
Daarom concludeerde Whitaker dat de “uit”-periode voor gelijkstroomregelaars 0.90 seconde zou moeten zijn, en voor gelijkstroomregelaars 0,75 seconde.
Schrik
Whitaker onderzocht ook of de schrik die wordt opgewekt door onbedoeld contact met een “veilige” afrastering het hart ongunstig zou kunnen beïnvloeden of fibrillatie zou kunnen uitlokken. De medische autoriteiten die hij raadpleegde waren niet in staat een dergelijke gebeurtenis te voorspellen. Eén autoriteit ging zelfs zover te zeggen dat zo’n zwakke schok niet in staat was om schrik of verrassing te veroorzaken.
Ik stel voor dat er enkele lessen kunnen worden getrokken uit het werk van Whitaker. Ten eerste richtte Whitaker zich op de verschillende verwondingen die door elektrische schokken werden veroorzaakt in plaats van op de naleving van normen. In die tijd bestonden er natuurlijk nog geen normen. Wanneer we vandaag een nieuwe veiligheidssituatie analyseren, lijken we dat te doen met verwijzing naar een norm in plaats van naar het letsel.
Ten tweede verrichtte Whitaker veel metingen, maar gebruikte hij alleen de minimale, slechtst denkbare waarden die werden gevonden. Dit soort pessimisme is echt nodig op het gebied van veiligheid. Ik denk dat we te vaak de neiging hebben om waarschijnlijkheids- en normale verdelingen te gebruiken in plaats van worst-case waarden.
Ten derde maakt Whitaker veel aannames en arbitraire beslissingen, vooral met betrekking tot dieren die mensen vertegenwoordigen. Ik stel voor dat we in gedachten houden dat de door Whitaker gepresenteerde waarden niet nauwkeurig zijn. Veel andere waarden die we gebruiken op het gebied van veiligheid zijn even onnauwkeurig, maar we behandelen ze alsof ze nauwkeurig zijn.
Ten slotte vind ik dat we dergelijk onderzoek niet meer doen. Een collega, J. F. Kalbach, bedacht een term, BOGSAT, wat betekent “Bunch Of Guys Sitting Around Talking” om te beschrijven hoe een bepaalde curve ooit werd ontwikkeld. Er was geen technische of fysische basis voor de kromme. Puur willekeurig. Ik zou zeggen dat onze veiligheidsnormen te veel eisen bevatten uit het BOGSAT proces.
ACKNOWLEDGMENTS
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, legde een exemplaar van dit UL-bulletin op mijn bureau met de vraag of ik het had gelezen. Ik had het Bulletin vele jaren geleden al gezien en gelezen, dus het exemplaar bleef vele maanden op mijn bureau liggen. Uiteindelijk pakte ik het op en begon te lezen. Ik was onder de indruk van het werk, en dacht dat ik het voor u zou recenseren.
Ik wil ook Henry Jones, een productveiligheidsadviseur, bedanken voor zijn commentaar op elektrische afrasteringen. Dank ook aan Tim Kramer van Hewlett-Packard Company voor het opstellen van de histogrammen van de lichaamsweerstand.
Richard Nute is productveiligheidsadviseur en houdt zich bezig met veiligheidsontwerp, veiligheidsproductie, veiligheidscertificering, veiligheidsnormen en forensisch onderzoek.
Foto door Tomás Fano 