Underwriters Laboratories utförde grundläggande forskning på säkerhetsområdet och publicerade resultaten av denna forskning i en serie ”Bulletins of Research”. Minst 58 bulletiner publicerades om brand, explosioner och elektriska stötar. En av dessa bulletiner, ”Electric Shock as it Pertains to the Electric Fence”, är ett klassiskt dokument inom produktsäkerhetsområdet. Forskningen utfördes 1936-1939 av Baron Whitaker, en biträdande elektroingenjör vid UL. Whitaker blev till slut ordförande för UL.
Whitakers forskning är fortfarande aktuell. Även om liknande forskning har utförts till stöd för moderna IEC-publikationer, publiceras sådan forskning vanligtvis endast i IEC:s kommittéhandlingar och är vanligtvis starkt inriktad på den specifika standard eller rapport som IEC försöker skriva.
Denna UL Bulletin of Research om elstängsel innehåller mycket information som gäller för mycket mer än bara elstängsel. Därför är det ett klassiskt verk.
INLEDNING
Whitaker inleder sin forskning genom att beskriva elstängslet: ”En av de senaste och nyaste tillämpningarna av elektricitet på landsbygden i dag är elstängslet. Rent fysiskt skiljer sig elstängslet från den konventionella typen av taggtrådsstängsel eller vävtrådsstängsel genom att det är enklare konstruerat (vanligtvis med en enda tråd) och inte kräver den mekaniska styrka eller stabilitet som de äldre typerna har. Funktionsmässigt skiljer det sig från andra stängsel genom att det kontrollerar djur genom rädsla snarare än genom styrka eller genom att orsaka smärta. Elstängslet består av två olika delar, nämligen stängseltråden och den elektriska styrenheten som förser stängseltråden med elektrisk energi.”
Syfte och villkor
Whitaker studerade olycksrapporter om elstängsel som involverade både skador orsakade av elchocker och dödsfall orsakade av elchocker. Baserat på sin studie avgränsade han sin forskning genom att konstatera att elstängslet borde vara säkert för ett tvåårigt barn, ”…barfota, stående i en vatten- eller lerpöl, och fallande över eller greppande om tråden med två våta eller svettiga händer, där tråden, såvitt barnet är medvetet om, är en vanlig, icke-elektrifierad stängseltråd.”
(Anekdotiskt kan nämnas att en kollega, som bor på en gård där man använder sig av elstängsel, rapporterade att det var under dessa förhållanden som hans hustru räddade sin dotter!)
Under dessa förhållanden ville Whitaker bestämma det maximala strömvärdet, både för växelström och likström, frekvensen och varaktigheten som ”kan anses vara ofarlig för människoliv”.”
Whitaker åtog sig att bestämma värden för:
- Kroppens elektriska motstånd
- Säker öppen spänning
- Effekter av likström, avbruten likström, växelström, och frekvens för växelström
- Maximal strömstyrka och varaktighet som inte orsakar kroppsskador
- Minsta avstängningstid
Natur av elektriska stötar
Whitaker undersökte de olika dödsorsakerna till följd av elektrisk energi. Han fann fem olika orsaker:
- Förlamning av andningsmusklerna, vilket ger dödsfall på grund av asfyxi
- Blödning, som orsakas av det ökande blodtrycket vid passage av elektrisk ström
- Hjärtsvikt, som orsakas av kammarflimmer
- Respirationssvikt, som orsakas av nervösa hämmningar eller faktiska skador på nervsystemet
- Hud- och köttbrännskador, med åtföljande komplikationer
Whitakers forskning var inriktad på att förebygga en eller flera av dessa skador. Han sysslade inte med förebyggande av känsel eller förebyggande av reflexmässig handling som vi gör i dagens produkter. Dessutom hävdade tillverkarna av elstängsel att ett effektivt stängsel skulle ge tillräckligt med ström för att orsaka muskelkontraktion och att ”off”-perioden skulle vara så kort som möjligt.
KOPFENS ELEKTRISKA RESISTANS
Whitaker inleder sina överväganden om kroppsresistans med följande uttalande: ”För att kunna fastställa de säkra driftsegenskaperna hos styrenheter för elstängsel är det nödvändigt att ta hänsyn till människokroppen som elektrisk ledare.”
Whitaker inledde en serie tester hos UL för att mäta kroppsresistansen. Whitaker hävdar att ”den yttre huden … erbjuder det största motståndet …” och att den höga spänningen i en stängselkontroller bryter ner hudmotståndet. Men Whitaker kunde inte applicera högspänning, med obegränsad ström, på sina försökspersoner för att ”bryta ner” hudens motståndskraft. Därför inkluderade Whitakers experiment att fukta sina försökspersoners händer och fötter med 20 % natriumkloridlösning.
Med konstant yta, konstant tryck och våta händer fann Whitaker att kroppsresistansen var oberoende av strömmen, när strömmen låg i intervallet 1 till 15 milliampere.
Whitakers testuppsättning bestod av en 12-volts likströmskälla (torra celler), en potentiometer, en voltmeter och en amperemeter. Handelektroderna bestod av trådar nr 10 AWG. Fotelektroden var en 14-tums fyrkantig kopparplatta. Potentiometern var inställd på 5 milliampere för vuxna och 1 milliampere för barn. Spänningen över försökspersonen mättes och motståndet beräknades.
Whitaker mätte 40 vuxna och 47 barn (i åldern 3 till 15 år). Han fann att det för vuxna ”inte finns några tendenser eller samband mellan individers kroppsresistans och deras kön, ålder, längd eller vikt”. Jag har gett histogram av Whitakers olika mätningar i figurerna 1 och 2.
Figur 1
Figur 2
Utifrån dessa uppgifter drog han slutsatsen att ”det lägsta kroppsresistansvärdet som man kan räkna med i samband med elstängseltillämpningen inte skulle vara mindre än 500 ohm”.”
(I en senare Bulletin of Research används samma data av Karl Geiges för att utveckla den ökända läckströmsmätaren. Jag kommer att granska Geiges arbete i ett framtida nummer.)
Spänning
Whitaker behövde bestämma två faktorer med avseende på spänningen:
- Om utgångsströmmen är begränsad, behöver då spänningen i öppen krets regleras?
- Om utgångsströmmen inte är begränsad, vad är då den maximala spänningen i öppen krets?
Whitaker fastställde att den maximala säkra spänningen (från en spänningskälla där utgångsströmmen inte är begränsad) skulle vara den spänning som inte orsakade kroppsskador och som gjorde det möjligt för individen att frigöra sig från staketet.
Whitaker rapporterar om en serie tester som utfördes på UL:s personal under 1930, och som för övrigt registrerade den spänning som en individ kunde motstå och fortfarande ha frivillig kontroll över sina muskler. Utifrån dessa uppgifter var den minsta spänningen 20 volt rms.
Whitaker rapporterar också om tester av International Harvester Co. där spänningen kopplades till en hink fylld med vatten och till en handelektrod som försökspersonen höll i handen. Försökspersonen ombads sedan att hämta ett föremål som var nedsänkt i hinken. International Harvester fann att den maximala spänningen för att hämta föremålet var från 12 till 20 volt.
Whitaker drog slutsatsen att ”spänningen vid öppen krets behöver inte begränsas om anordningen innehåller inneboende strömbegränsande egenskaper”.
Hursomhelst, ”om inga inneboende strömbegränsande egenskaper finns i anordningen bör den maximala säkra spänningen … inte överstiga 12 volt”. Detta bygger på teorin att en potential på 12 volt eller mindre sällan, om ens någonsin, kommer att orsaka en nedbrytning av hudmotståndet som är tillräcklig för att tillåta ett strömflöde genom kroppen av sådan intensitet att det orsakar bristande muskelkontroll eller fysisk skada för personen.”
FREKVENS
Whitaker rapporterar att ”den främsta skillnaden i den fysiska effekten av likström, i motsats till växelström, är att likströmmen inte orsakar sammandragning av musklerna i den utsträckning som är förknippad med växelström.”
Whitaker noterar också att Kouwenhoven och d’Arsonval båda fann att när frekvensen ökar, måste också strömmen öka för att ha samma fysiologiska effekt.
När det gäller detta drar Whitaker slutsatsen att ”det finns ingen nuvarande motivering för att tillåta större strömvärden … oavsett vilken frekvens som används.”
STRÖMNING
Från samma data där Whitaker fastställde den maximala spänningen och från andra data fastställde Whitaker att de minimi- och maximivärden där individer behåller sin frivilliga kontroll över musklerna var cirka 6 milliampere respektive 20 milliampere.
Whitaker studerade också resultaten av flimmerströmstester på hundar och får, eftersom dessa djurs hjärtan ansågs ha samma respons på stimulus som människor. Utifrån testerna på får och eftersom får har en kropps- och hjärtvikt som liknar människans, fastställde Whitaker att den minsta flimmerströmmen är direkt proportionell mot kroppsvikten och hjärtvikten.
En ytterligare studie av testdata från får visade att flimmerströmmen var en funktion av fasen i hjärtcykeln vid den tidpunkt då chocken inträffade, och en funktion av chockens varaktighet. Whitaker fann att fibrillering för en stöt med en varaktighet på 0,1 sekunder krävde 10 gånger så mycket ström som för en stöt med en varaktighet på 3 sekunder.
Whitaker plottade sedan 3-sekunders fibrilleringsströmmar för olika fullvuxna djur som en funktion av kroppsvikt och hjärtvikt. Whitaker antog sedan att det lägsta värdet i en sådan kurva representerade människan. Whitaker antog vidare att den minsta flimmerströmmen för olika kropps- och hjärtvikter är ett konstant förhållande, förutsatt att chockens varaktighet är samma procentandel av hjärtcykeln och att chocken initieras vid samma punkt i hjärtcykeln.
Med hjälp av dessa antaganden och data fastställde Whitaker att den minsta flimmerströmmen på 3 sekunder för en kroppsvikt på 125 pund är 126 milliampere och att den minsta flimmerströmmen på 3 sekunder för en kroppsvikt på 20 pund är 31 milliampere. (Tjugo pund antas vara den genomsnittliga vikten för ett tvåårigt barn.)
Med hjälp av dessa siffror fastställde Whitaker förhållandet 31:126 för minimala fibrillerande strömmar för kroppsvikter på 20 och 125 pund.
Med hjälp av detta förhållande och genom att ta hänsyn till procentuell andel av tiden för ett fullständigt hjärtslag, till kroppsvikten och till hjärttyngden kunde Whitaker konstruera en ”härledd kurva över kontakttid kontra minimala fibrillerande strömmar för ett tvåårigt barn”. Kurvan närmade sig en rektangulär hyperbel. Se Whitakers ”Graf 3” i figur 3.
Figur 3
Nästan satte Whitaker godtyckligt den maximala strömmen till 65 milliampere, den maximala effekten till 4 milliampere-sekunder och den maximala ”på”-perioden till 0,2 sekunder. Denna kurva för ”kontakttid kontra tillåten ström” var en faktor 6 mindre än kurvan för den minsta flimmerströmmen. Se Whitakers ”Graph 4” i figur 4.
Figur 4
Whitaker drog slutsatsen att:
- den maximala säkra kontinuerliga strömmen är 5 milliampere, och
- den maximala varaktigheten av någon ström bör inte överstiga kurvan på 4 milliampere-sekunder.
OFF PERIOD
Vid tiden för Whitakers forskning gav stängselkontroller på varandra följande stötar med ungefär en sekunds mellanrum. Whitaker behövde bestämma den minsta ”off”-period som skulle göra det möjligt för en person att frigöra sig från stängslet.
UL genomförde tester där en spänning plötsligt trycktes på en person och tiden till frigörande registrerades. Detta test ansågs vara en ”ofrivillig” reaktion. Whitaker noterade att tiden för att uppfatta känslan är omvänt proportionell mot stimulansens intensitet.
Whitaker studerade även andra reaktionstidstester. De flesta av dessa andra testdata gällde ”frivillig” reaktion på stimuli som beröring, visuell eller auditiv. Whitaker noterade också att muskelkontraktion i samband med dc tenderade att kasta offret från ledaren, medan muskelkontraktion i samband med ac tenderade att vara omöjlig att släppa taget om.
Därmed drog Whitaker slutsatsen att ”off”-perioden för ac-regulatorer bör vara 0.90 sekunder och för likströmsregulatorer 0,75 sekunder.
FRIGHT
Whitaker undersökte också om den skräck som uppstår vid oavsiktlig kontakt med ett ”säkert” stängsel skulle kunna påverka hjärtat negativt eller utlösa flimmer. De medicinska auktoriteter han konsulterade kunde inte förutsäga en sådan händelse. En myndighet gick till och med så långt som att säga att en så svag stöt inte kunde orsaka vare sig skräck eller överraskning.
Jag menar att det finns några lärdomar att dra av Whitakers arbete. För det första fokuserade Whitaker på de olika skador som orsakas av elektriska stötar snarare än på överensstämmelse med standarder. Det fanns naturligtvis inga standarder på den tiden. När vi i dag analyserar en ny säkerhetssituation tycks vi göra det med hänvisning till en standard snarare än till skadan.
För det andra gjorde Whitaker många mätningar, men använde bara de lägsta, värsta värden som hittades. Denna typ av pessimism är verkligen nödvändig på säkerhetsområdet. Jag tror att vi alltför ofta tenderar att använda sannolikhets- och normalfördelningar i stället för värsta möjliga värden.
För det tredje gör Whitaker många antaganden och godtyckliga beslut, särskilt när det gäller djur som representerar människor. Jag föreslår att vi måste komma ihåg att de värden som Whitaker presenterar inte är exakta. Många andra av de värden som vi använder inom säkerhetsområdet är på samma sätt oprecisa, men vi behandlar dem som om de vore exakta.
Finally, I find that we don’t do such research anymore. En kollega, J. F. Kalbach, myntade en term, BOGSAT, som betyder ”Bunch Of Guys Sitting Around Talking” för att beskriva hur en viss kurva en gång utvecklades. Det fanns ingen teknisk eller fysisk grund för kurvan. Den var helt och hållet godtycklig. Jag skulle vilja påstå att våra säkerhetsstandarder innehåller alltför många krav från BOGSAT-processen.
NACKNÄMNANDE
Jim Pierce, ETL Testing Laboratories, lade ett exemplar av denna UL-bulletin på mitt skrivbord och frågade om jag hade läst den. Jag hade sett och läst bulletinen för många år sedan, så kopian låg bara på mitt skrivbord i många månader. Så småningom plockade jag upp den och började läsa. Jag var imponerad av arbetet och tänkte att jag skulle recensera den för er.
Jag vill också tacka Henry Jones, en konsult inom produktsäkerhet, för hans kommentarer om elstängsel. Tack också till Tim Kramer från Hewlett-Packard Company för att han har förberett histogrammen över kroppens motståndskraft.
Richard Nute är konsult inom produktsäkerhet och arbetar med säkerhetsutformning, säkerhetstillverkning, säkerhetscertifiering, säkerhetsnormer och kriminaltekniska undersökningar.
Foto av Tomás Fano 