Исследование электрического сопротивления тела человека

Алматинский университет энергетики и связи

                                         Кафедра ОТ и ОС

Лабораторная работа №4

«Исследование электрического сопротивления тела человека»

                                                                                  Выполнили:

студенты группы

АИСУ-08-4

                                                                                               Касымбеков Н.

Минявцев М.

                                                                             Проверил:

профессор

                                                                                               Дюсебаев М.К.

Алматы 2012

4.1 Цель работы:

Экспериментально и теоретически определить параметры электрического со­противления тела человека.

4.2              Содержание работы:

- определить полное сопротивление тела человека при разной частоте тока;

- рассчитать параметры электрического сопротивления тела человека.

4.3              Теоретические сведения

Тело человека является проводником электрического тока. Однако проводи­мость живой ткани в отличие от обычных проводников обусловлена не только её физическими свойствами, но и сложнейшими биохимическими и биофизическими процессами, присущими лишь живой материи.

В результате сопротивление тела человека является переменной величиной, имеющей нелинейную зависимость от множества факторов, в том числе от со­стояния кожи, параметров электрической цепи, физиологических факторов и со­стояния окружающей среды.

Для выработки критериев электробезопасности, являющихся основой для проектирования и разработки защитных средств и устройств, необходимо знать параметры сопротивления тела человека.

При прикосновении к частям, находящимся под напряжением, тело человека включается в электрическую цепь и может рассматриваться как элемент этой це­пи.

Электрическое сопротивление цепи человека (Rh,) представляет собой экви­валентное сопротивление нескольких элементов, включающихся последователь­но: сопротивление тела человека (Rh), сопротивление обуви (Roe) и сопротивление опорной поверхности ног (Ron).

Электрическое сопротивление тела человека является главной составляю­щей в схеме цепи человека. Различные ткани тела по-разному проводят электри­ческий ток. Наибольшим электрическим сопротивлением обладает кожа и осо­бенно верхний роговой ее слой, лишенный кровеносных сосудов. Удельное со­противление наружного слоя кожи составляет 106 -107 Ом-м и толщина 0,05 -0,2 мм. Сопротивление кожи зависит от её состояния, плотности и площа­ди контактов, величины приложенного напряжения, протекающего тока и време­ни воздействия тока. Наибольшее сопротивление оказывает чистая сухая, непо­врежденная кожа. Увеличение площади и плотности контактов с токоведущими частями снижает сопротивление кожи. С увеличением приложенного напряжения сопротивление кожи уменьшается в результате пробоя верхнего слоя. Увеличение силы тока или времени его протекания вызывает увеличение нагрева верхнего

слоя кожи и потовыделения в местах контакта, что также снижает электриче­ское сопротивление кожи.

Характер сопротивления кожи - активно-емкостный. С физической точки зрения место прикосновения к токоведущей части представляет собой металличе­ский электрод, в непосредственном контакте с которым находится слой кожи и затем подкожные ткани, являющиеся хорошим проводником. Внутреннее сопро­тивление считается чисто активным, хотя, строго говоря, оно также обладает ём­костной составляющей. Однако эта ёмкость незначительна и ею можно пренеб­речь. Внутреннее сопротивление равно примерно 500 - 700 Ом. Следовательно, место контакта электрода с телом человека представляет собой как бы конденса­тор, имеющий в качестве обкладок с одной стороны электрод, а с другой - под­кожные токопроводящие ткани, а диэлектриком служит тонкий наружный слой кожи, активное сопротивление которого подключено параллельно этому конден­сатору (рис. 4.1).

Так как сопротивление тела человека нелинейно и нестабильно и вести рас­четы с такими сопротивлениями сложно, условились считать, что сопротивление тела человека стабильно, линейно, активно и составляет 1000 Ом. С учетом дан­ных допущений прикосновение человека к двум электродам, находящимся под различными потенциалами, можно представить в виде электрической схемы за­мещения (рис. 4.2).

Рисунок 4.1 - Электрическая схема замещения наружного слоя кожи

Активное сопротивление RH и ёмкость С составляют полное сопротив­ление наружного слоя кожи Zn. Если поверхности электродов одинаковы и усло­вия их наложения симметричны, то для случая прохождения тока по пути рука - рука, сопротивления ZH, будут равны, и полное сопротивление тела человека (Zn) может быть выражено:

Zn≡ 2 ZH+RB              (4.1)

где  RB  - внутреннее сопротивление в кОм.= 0,5 кОм

Рисунок 4.2 - Электрическая схема человека

RBP, RBK, RBH- соответственно внутренние сопротивления руки, корпуса, но­ги;

RHp, RHH - соответствующие сопротивления наружного слоя кожи руки ноги;

Ср, Сн - ёмкость наружного слоя руки и ноги соответственно.

Так как ёмкостное сопротивление зависит от частоты, то для определений основных параметров тела человека обычно применяют частотный метод.

Известно, что ёмкостное сопротивление наружного слоя кожи равно

, Ом, (4.2)

где f - частота, Гц;

С - ёмкость наружного слоя кожи, мкФ;

ω - круговая частота.

Из формулы (4.2) видно, что с возрастанием частоты ёмкостное сопротивле­ние уменьшается, т.е. при f→∞, х→0, шунтируем активное сопротивление на­ружного слоя кожи (рис 4. 2).

На частоте порядка 10-20 кГц полное сопротивление наружного слоя кожи мало и его можно принять с некоторыми допущениями равным нулю.

Тогда при £=10-20 кГц полное сопротивление тела человека будет равно внутреннему сопротивлению, т.е.

Zn=RВ,к0M.              (4.3)

При уменьшении частоты ёмкостное сопротивление возрастает, т.е. при f→∞, Хс→0, и не оказывает шунтирующего действия на активное сопротивление на­ружного слоя. В этом случае формула (4.1) примет вид:

Zn=Z0-2RH+Rв, кОм,              (4.4)

откуда

кОм,              (4.5.)

где   Zo - полное сопротивление тела человека при f=0.

Величину полного сопротивления тела человека при постоянном токе нахо­дят, методом экстраполяции. В линейном масштабе строится график зависимости полного сопротивления тела человека от частоты тока (рисунок 4.3).

С некоторыми допущениями можно принять, что на частотах в пределах от 10 до 100 Гц полное сопротивление тела человека находится в линейной зависи­мости от частоты тока

Zn=Z0-вf, кОм.              (4.6)

Значение Zo определяется путем экстраполяции полученной линии ZH =Ψ(f)

до пересечения ее с осью ординат.

Величина полного сопротивления наружного слоя кожи может быть опреде­лена

кОм                                                         (4.7)

Рисунок 4.3 - График зависимости полного сопротивления тела человека от частоты.

4.4 Экспериментальная часть

а) рассчитаем значение полного сопротивления тела человека и запишем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1- Результаты измерения электрического сопротивления тела человека

б) по данным таблицы 4.1 построим кривые

Znφ1(f) при S1=25см2,

Znφ2(f) при S2=12,5см2

Рисунок 4.4- Зависимость Znφ1(f) при S1=25см2

Рисунок 4.5- Зависимость Znφ2(f) при S2=12,5см2

в) по графикам определим Z0

Z0 =275 при S1=25см2

Z0 =390 при S2=12,5см2.

г)  на частоте f=1000 Гц определим внутреннее сопротивление тела человека Rв по формуле (4.3);

д) по формуле (4.5) рассчитаем активное сопротивление наружного слоя кожи RH;

е) определяем полное сопротивление наружного слоя кожи Zn по формуле (4.1);

ж) рассчитаем величину ёмкости наружного слоя кожи для электродов S1и S2 по формуле (4.8);

з) по формуле (4.2) рассчитаем ёмкостное сопротивление наружного слоя кожи;

и) результаты расчета основных параметров электрической схемы замещения сопротивления тела человека для f=1000 Гц внесем в таблицу 4.2.

Таблица 4.2- Параметры электрической схемы замещения сопротивления тела человека