直流人体抵抗実験I

Aug 01, 2023

編集者注記 - この記事の基になっている論文は、もともと 2018 IEEE Product Safety Engineering Society Symposium で発表され、Best Symposium Paper として認められました。 これは、2018 IEEE Product Safety Engineering Society International Symposium on Product Compliance Engineering の議事録から許可を得てここに転載したものです。 著作権 2018 IEEE。

感電の生理学的影響は主に電流によって引き起こされるため [1]、そのため、感電の危険から人体を保護するために安全規格で電流制限が指定されることがよくあります [2]。 ただし、特定の規格やアプリケーションでは、電圧制限が優先されることがよくあります。 このような場合、人体のインピーダンスを使用して、安全な電流制限に基づいて電圧制限を推定できます。 さらに、人体インピーダンスを使用して、人体を通る伝導経路を表す電気回路モデルを構築し、タッチ電流を推定することができます。 たとえば、UL 101 [2] で示されているように、人体のインピーダンスは、別の 500 Ω 抵抗と直列に配置された 0.22 μF コンデンサと並列に配置された 1500 Ω 抵抗でモデル化されます。 このような測定回路は、60 Hz 正弦波 AC の知覚レベルの衝撃効果のタッチ電流を評価するために使用されます。

DC アプリケーション、特に危険な電圧でのアプリケーションは、再生可能エネルギー源 (太陽光発電など)、エネルギー貯蔵システムなどの使用の増加によりますます普及しています。したがって、DC における人体の抵抗をよりよく理解するには、DC での人体の抵抗を検討することが有益です。電気ショックへの影響 DC アプリケーションの生理学的影響。 IEC 60479-1 [3] は、25 V から 1000 V までの DC 人体抵抗の人体抵抗を指定しています。ただし、[3] に含まれる DC 抵抗値は 25 V のみで実施された実験データに基づいており、残りは 25 V で行われた実験データに基づいています。 AC 人体の抵抗に基づいて数学的に外挿された値。 これは、身体インピーダンスが AC の場合と同様に DC の場合も同様に変化するという仮定を立てていますが、実際に当てはまる場合とそうでない場合があります。 さらに、[3] に示されている DC ボディ抵抗は乾燥状態のみに適用されます。 著者の知る限り、現時点では、実験的観察に直接基づいた、湿潤条件における DC の人体の耐性に関する利用可能なデータはありません。 湿潤状態の場合、IEC 規格 [3] で規定されている DC ボディ抵抗値は、各電圧における湿潤状態での AC ボディ抵抗と同一であると想定されます。 繰り返しますが、これは実験データによってしっかりと実証されていない仮定を立てています。

危険な電圧の DC とそのような危険に人がさらされる可能性がより一般的になっているため、DC における人体のインピーダンスに関する包括的なデータを取得することが不可欠です。 このようなデータセットでは、統計的に有意性を持つためには多数の個人に関する測定値 (つまり、50 以上) が必要になります。 著者らの最終目標は、現在 AC で利用可能なものと同様の、実験データに基づいた典型的な DC 人体インピーダンス値を開発することです。

しかし、さまざまな測定パラメータがどの程度の影響を与えるかはまだ不明であり、特定の個人に対して特定の測定値がどの程度再現可能であるかも現在まで不明です。 したがって、特定の個人に対する測定の一貫性についての理解が深まる前に、かなりの数の人間のボランティアが参加する大規模な実験プログラムを進めるのは時期尚早であると著者らは結論づけた。 たとえば、同じ個人を同じ試験条件下で異なる時間に測定した場合に再現可能な値が得られるかどうかは不明でした。 著者の知る限り、これまでにこれを評価した研究はありません。 さらに、人体インピーダンス試験に対する接触材料の影響に関する公表されたデータは見つかりませんでした。これは、測定された身体インピーダンスに影響を与えると推定され、測定された身体インピーダンスと印加電圧の関係をよりよく説明できる可能性があります。 ([3] では、印加電圧が増加するにつれて身体抵抗が直線的に減少することが報告されています。) DC 身体インピーダンス測定に対するこれらの未知の影響を考慮して、著者らはこれらの要因をさらに理解するための第一歩を踏み出しました。 その結果はここで報告されます。 そのため、大規模なテストプログラムは延期され、作業の第 2 段階として実施されました。

ここで報告する最初の研究では、3 人の被験者に対する 3 つのテスト変数 (接触材質、湿った状態または乾燥した状態、および時刻) の影響を調査しました。 銅とアルミニウムの接点材料は、測定された身体インピーダンスに対する潜在的な影響をよりよく理解し、身体インピーダンスの挙動で観察される非線形挙動が金属 - 半導体接点で観察されるものと類似しているという仮説を検証するために使用されました。 [6] 湿潤および乾燥状態を使用して、測定された身体インピーダンスへの影響を評価し、各条件下での測定の相対的な再現性を決定しました。 安全のため、この作業では調査範囲を 60 V 以下の電圧に限定しました。

図 1: 知覚タッチ電流の測定回路

DC または AC には、知覚、解放不能、心室細動、火傷という 4 つの異なる電気ショックの生理学的影響があります。 1940 年代にダルジールによって行われた実験 [1] によると、直流の感電閾値は交流の閾値よりも高いことがわかっています。 言い換えれば、人体は、同様の大きさの 50/60 Hz AC 信号と比較して、DC の方が感電しにくいということです。 電圧制限に関しては、UL 1310 [4] に規定されているように、DC 制限は乾燥状態では 60 V、湿潤状態では 30 V であり、解放ショック効果の不能から保護することを目的としています。 この制限は、子供を含む人口の 95% を保護する目的で選択されました。 この制限は手から両足への経路に基づいて定義されていることに注意してください。他の電流経路の場合、許容電圧制限は異なる可能性があります。 より広範囲の実験データを収集するために、この研究では電圧制限を乾燥状態と湿潤状態の両方で 30 V ではなく 60 V に設定しましたが、60 V は乾燥状態のみで手放すことができない限界です。 。 ただし、これらの制限は子供を考慮して設定されており、この研究では被験者は大人のみであることに注意してください（したがって、より高い電圧に耐えることができます）。 安全性と被験者の快適さのため、知覚感覚があまりにも不快になった場合、各被験者はテスト中いつでも電極から手を離すことで回路を遮断することができました (図 2)。 電流は、電源の電流制限設定と、被験者への電流供給と直列に配置された速断 20 mA ヒューズの組み込みにより、20 mA 未満に制限されました。

図 2: 被験者を含む実験セットアップの写真

テスト用の DC の供給には BK Precision モデル 9183B を使用しました。 テスト中、電源電圧出力はラップトップ コンピューターによって制御されました。 Dewetron モデル DEWE-50-USB2-8 を、DC 電源からの電圧および電流出力を含むデータ収集に使用しました。 金属プレートへの電流と電圧の接続は物理的に分離されているため、接触抵抗の影響は最小限に抑えられます。 身体抵抗は、オームの法則を使用して電圧と電流の読み取り値から計算されました。

図 2 は、実験中の被験者を所定の位置に置いた実験セットアップを示しています。 被験者は銅とアルミニウムが交互に配置された金属板の上に立った。 被験者は、裸足でプレートの上に立つように指示されました。 各被験者は、足元にある板と同じ材質の金属板上に右手を置きました。 各テストセッションの前に、手を乾燥させるだけでなく、表面の油分や汚れを取り除くためにアルコールワイプを使用して手を洗浄しました。 足をきれいにしたり乾燥させたりする努力はまったく行われませんでした。 ハンドコンタクト用の金属板のサイズは100mm×100mmでした。 このサイズは、IEC 規格 60479-1 [2] によって「大きな接触面積」として定義されています。 この基準によれば、接触面積が大きいほど身体への抵抗が最も低くなることが予想され、同様に定義された「中」および「小」の接触面積と比較して「最悪の場合」とみなされます。 安全関連の用途では最悪の状況が最も重要であるため、この作業では広い接触領域または「最悪の状況」が想定されています。

人体の抵抗力は皮膚表面の水分量に影響されることが知られています[3]。 この研究では、手の表面を 2 つの条件 (乾燥状態と模擬汗水で濡れた状態) でテストしました。 汗中のナトリウム濃度は6～85mEqの範囲です。 L あたり [5]、13.8 mg/dL ～ 195.5 mg/dL に相当します。 この範囲の上限のナトリウム濃度がこの作業では選択されます。これは、抵抗が最も低くなり、したがって「最悪の場合」の電気的安全上の危険が生じるためです。 試験は、最大ナトリウム濃度 85 mEq の 95 パーセンタイルに近い、水 1 L あたり 80 mEq の塩分濃度で実行されました。 これは、水 1 リットルあたり 1.85 g の NaCl に相当します。 人間の汗にはカリウムやその他の塩も含まれていますが、これらの濃度はナトリウム濃度に比べてはるかに低いです[5]。 したがって、この研究ではカリウムによる影響は無視されました。

図 2 に示すように、それぞれ 0.5 kg の金属ショットを充填した 2 つの袋を手の甲に適用しました。 被験者には、バッグの重さだけで圧力がかかるように手を緩めるように指示されました。 これは、身体の接触抵抗に影響を与える可能性がある、金属プレートにかかる圧力の変動を制御する試みでした。

供給電圧は 0 V から 60 V まで直線的に印加され、1 V/s の速度で直線的に増加しました。 電流は 20 mA に制限されており、電流または電圧のいずれかが制限に達すると、電源は 20 mA の定電流源に切り替わりました。 各テストは、60 V に達するか、被験者が不快感を感じてプレートから手を離すまで続けられます。 図 3 は、1 人の被験者の乾燥条件下で測定された電圧と電流の例を示しています。 この場合、印加された DC 電圧は 60 V に達し、その後 0 V に戻り、印加電圧 60 V での電流は約 12 mA であることが観察されました。図 3 の X 軸は時間ステップであり、測定のサンプル数は 60 秒のテスト中に取得されます。

図 3: 1 人の被験者の乾燥条件下で測定された出力と電流の例

表 1: 試験条件

テスト条件の 4 つの組み合わせが測定されました。表 1 は、各テストに使用された条件を示しています。 各テスト条件およびボランティアについて、テストは数週間の期間にわたって 20 回繰り返されました。 図 4 は、4 つのテストのそれぞれと 3 人のボランティアについて 25 V の電圧を印加したときの測定電流の箱ひげ図の結果を示しています。水色の外側のボックスの上端は第 1 四分位 (Q1) を表し、下端は第 1 四分位 (Q1) を表します。第 3 四分位 (Q3)。 したがって、プロットのこの外側のボックス部分は四分位範囲 (IQR)、つまり観測値の中央の 50% を表します。 内側のボックスは 95% 信頼区間を表します。 垂直線は、外側に伸びる上ヒゲと下ヒゲを表し、データセット内の最低値と最高値を示します（外れ値を除く）。 ボックス内の水平線は平均値を表します。 バツ印の付いた円は中央値を表します。

図 4: 3 人のボランティアと 4 つのテスト条件の 25 V での電流 (mA)

図 4 のデータは、湿潤状態 (テスト 3 および 4) での身体抵抗の変動が、乾燥状態 (テスト 1 および 2) で観察されたものよりも大幅に小さいことを示しています。 さらに、湿潤状態の抵抗は、対応する乾燥状態よりも低く、これは、安全性の観点から湿潤状態がより悪い（つまり、より危険な）状況であることを意味します。 安全性分析では一般に保守主義が好まれ、また、湿潤状態のデータのばらつきが小さいという事実から、この結果は、将来の身体インピーダンス試験は湿潤状態でのみ実施されることを示唆しています。

図 5 は、5 V でのテスト 3 (アルミニウム) とテスト 4 (銅、両方とも濡れた皮膚を使用して実施) の測定電流の箱ひげ図を示しています。金属電極が測定電流に影響を与えていることが観察されました。 すべての被験者において、銅は 5 V および 10 V でより高い測定電流を示しましたが、この効果は電圧が増加するにつれて減少することがわかりました。 抵抗の測定に使用される 4 つのプローブ構成には金属と皮膚の接触のみが測定に含まれており、金属のバルク抵抗は含まれていないため、これはアルミニウムに比べて銅の電気伝導率が高いことに起因する可能性が低いことに注意してください。接触。 さらに、バルク抵抗の寄与はすべての電圧にわたって観察され、電圧が増加しても減少しません。

図 5: 5 V でのテスト 3 およびテスト 4 (湿潤状態) の測定電流の箱ひげ図

分散分析 (ANOVA) 法を使用すると、特定の出力パラメーターに対する因子の重要性を判断することが容易になります。 この研究では、電圧の関数としての身体抵抗測定における電極の金属材料の統計的有意性を決定するために使用されました。 図 6 は、測定された電流に対する電極材料の影響について計算された R 値を示しています。R 値が高いほど、出力パラメーターに対する影響が大きいことを示しています。 R 値は低電圧では高く、電圧が 10 V から 20 V に増加すると急速に低下することがわかりました。これは、金属電極が 20 V 未満の電圧で測定されたインピーダンスに統計的に有意な影響を与えることが判明したことを示唆しています。これは、金属とスキンの界面にショットキーバリアが存在することと一致します。 [6]

図 6: 3 人のボランティアのそれぞれについて電極材料の効果を評価し、湿潤条件下で ANOVA から計算された R 値 (パーセント)。

図 7 は、テスト 4 (湿潤状態、銅電極) の電圧の抵抗の中央値を示しています。 タッチ電圧が増加すると、一般的にボディ抵抗が減少することが観察されました。 身体抵抗は電圧と非線形関係を有することも判明しており、観察結果は IEC 60479-1 規格と一致しています。 IEC 60479-1 では、この非線形動作について言及しており、皮膚の電気的破壊が起こるとさらに増加することにも言及しています [3]。 この非線形動作の性質は IEC 60479-1 には記載されていません。 著者らは、この非線形性がショットキー障壁の文脈で説明できると提案しています。ショットキー障壁では、皮膚と金属プレートの接触によって金属と半導体の接合が形成され、それが非オーム性の電流電圧挙動をもたらします。 アルミニウムと銅の間で測定された抵抗の差は、仕事関数の関数になります (2 つの金属の場合、仕事関数はそれぞれ約 4.3 および 4.7 eV です) [6]。 追加の金属表面を使用した測定は、この仮説を実証または反駁するのに役立ちます。たとえば、仕事関数の低い材料 (つまり、マグネシウム、3.7 eV) と仕事関数の高い材料 (つまり、ニッケルとプラチナ、それぞれ 5.2 と 5.7 eV) を使用して測定を行うとよいでしょう。 ）、両方とも将来の研究の潜在的な主題です。

図 7: テスト 4 (湿潤状態) の抵抗対電圧の中央値

分散係数 (CV) は、標準偏差と平均値の比を表します。これは、各ボランティアの測定された抵抗の変動の程度を比較するのに役立ちます。 同じ個人の身体インピーダンス測定の再現性を確立することがこの研究の重要な目標であったため、CV はこの変動を定量化するのに役立ちます。 図 8 は、湿潤条件下で銅電極を使用した 3 人のボランティア全員の CV (テスト 4) を示し、ボランティア間のデータの相対分散を比較しています。 ボランティア No. 3 は、他の 2 人のボランティアと比較して身体抵抗の変動がはるかに大きいことが観察されました (これは図 4 でも観察できます)。 ボランティア No. 2 の場合、測定された身体抵抗は電圧が低いほど一貫性が低かったが、電圧が 20 V を超えて増加すると、身体抵抗の CV は約 10% に低下し、ボランティア No. 1 のデータと一致しました。

図 8: 湿潤条件下で銅を使用した 3 人のボランティアの分散係数

ボランティア No 3 の結果から観察された大きな変動をさらに調査するために、データを時間帯 (午前と午後) ごとに分けました。 午前は、通常の勤務日中の現地時間の午後 12 時までに行われた測定として定義され、午後は午後 12 時以降に完了した測定として定義されます。 この作業の間、通常、各被験者について毎日 2 回の測定が完了しました (午前中に 1 回、午後に 1 回)。 時間基準は、テスト結果が完了し、コンピュータに保存された時間として定義されました。 図 9 は、午前 (a) と午後 (b) の変動係数を示しています。 図 8 に示した場合と同様に、図 9 にも湿潤条件下での銅電極と皮膚のデータが示されています。 ボランティア No. 3 の CV が午前と午後の間で大きく変化していることに注目するのは興味深いことです。この傾向は、この研究で使用したすべての印加電圧にわたってこの被験者に一貫していました。 他の 2 人のボランティアの午前と午後の差は、特にボランティア No. 1 ではそれほど有意ではないことがわかりました。午前中に行われたテストでは、ボランティア No. 3 のデータの変動が実際にはボランティア No. 3 よりも小さかったことに注意してください。ボランティア No. 2 の場合は 25 V 未満の電圧です。午前と午後の両方で、電圧が増加するにつれて CV は減少します。 ボランティア No. 3 の午前と午後のデータにおける統計的に有意な差の正確な性質は、現時点では不明です。 この行動の違いは数週間にわたる 20 回の測定で観察されたため、問題が測定エラーによるものである可能性は低く、正午 (つまり昼食) に影響を受けた何らかの代謝またはその他の体の状態に起因する可能性が高くなります。 可能性は低いですが、もう 1 つの可能性としては、午前と午後の間でボランティア No. 3 の行動にある種の無意識的な変化があった可能性があります。ただし、20 回のテスト セッションにわたってそのような変化に一貫して影響を与えるのは困難です。 原因に関係なく、ここで重要なのは、特定の原因ではなく、体の抵抗に対する全体的な影響です。 これらの観察は、将来の測定は午前と午後の両方で実施する必要がある可能性があること、および将来の研究のために各被験者について対応する測定時間を記録する必要があることを示唆しています。

図 9: 湿潤条件下で銅電極を使用した変動係数 (テスト 4)、(a) 午前 (b) 午後

データは、測定されたボディ抵抗に対するコンタクト材料の影響を示しており、これは金属半導体デバイスで観察されるものと同様の、ショットキー障壁の形成によるものである可能性があります。 これは、人体のインピーダンスについて長い間知られてきた非オーミック動作の性質を説明することになりますが、この仮説を確認するにはさらなる調査が必要です。 この結果は、身体インピーダンス測定に使用される接触材料の組成を結果とともに報告することが不可欠であり、両方の接触には 1 種類の接触材料のみを使用する必要があることを示しています。

湿潤状態では、乾燥状態よりも身体抵抗の一貫したテスト結果が示されました。 このことと、湿った状態が対応する乾燥した状態よりも身体抵抗が低いという事実を考慮して、今後の研究は湿った状態のみを利用することに焦点を当てます。 この研究では、測定された抵抗が 1 日の異なる時間帯、つまりここで調査したように午前と午後の間で大きく異なる可能性があることも実証しました。 また、時間帯に関するこの変動はすべての被験者で観察されたわけではなく、原因が不明であることも観察されました。 原因に関係なく、結果は、時刻が身体インピーダンスの潜在的な変数であり、今後の調​​査に引き続き含める必要があることを示唆しており、できれば同じボランティアについて異なる時刻にデータを取得する必要があります。 この時間帯の影響をデータから分離すると、変動係数は約 10% になる傾向があり、電圧が低いほど高い値が観察されることがわかります。

ここで説明する実験作業は、同じテスト条件下で実施された特定の被験者について測定された人体インピーダンスが、時間の経過とともに再現可能であることが期待されることを示しています。 データは、ほとんどの被験者および条件で平均値の約 10% の標準偏差で正規分布すると予想されますが、一部の被験者ではより大きなばらつきが発生する可能性があります (特に時間帯による変化により、まだ不明です)起源）。

これらの発見は、たとえボランティアに対して 1 回の測定セッションしか実施されなかったとしても、テストボランティアのより大きなサンプルセットからのデータは、予測可能な不確実性レベルの範囲内で各個人の DC 身体抵抗を代表する可能性が高いことを裏付けています。 ただし、追加のボランティアに対して数回測定を実施することは、個人に対するテスト変数の影響をより深く理解するのに有益です。 これは、将来の研究では、ボランティアの一部が数日間にわたって測定を繰り返すよう求められる一方で、より大きな集団は1回か2回のテストセッション（できれば2回、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され、1回は午前中に実施され同じ午後の2回目）。 非オーミック接触挙動の性質をさらに調査するために、最初の被験者 3 人には、追加の接触材料を使用してテストを繰り返すよう求められます。 追加の被験者には、同様に複数の接触材料を使用してテストを実施するよう要求される場合もあります。 すべてのテストでは、測定された電流がより高く、データのばらつきがより低いため、湿潤条件のみが使用されることが予想されます。 テストは同じ身体電流経路 (右手から両足) で継続されることが予想されますが、他の身体電流経路で追加の調査を実施することは有益でしょう。

ハイジャン博士号を取得しましたデイトン大学 (オハイオ州) で電気工学の修士号を取得。 彼は現在、Underwriters Laboratories (UL) の上級研究エンジニアであり、感電と漏れ電流の世界的専門家です。 Jiang は、IEEE Society の上級会員であり、米国のプロフェッショナル エンジニアです。また、UL101 家電製品の漏れ電流の主指定エンジニア (UL 標準エンジニア) でもあります。 Jiang 氏への連絡先は、[email protected] です。

ポール・W・ブラジス・ジュニア 。 UL LLC (米国イリノイ州ノースブルック) の UL Corporate Research のリサーチマネージャーおよび技術スタッフの優秀メンバーです。 彼は電気および熱の特性評価、電子材料、およびデバイス物理学のバックグラウンドを持ち、1995 年に電気工学の学士号、1997 年に修士号、2000 年に電気工学の博士号をそれぞれノースウェスタン大学 (米国イリノイ州エバンストン) で取得しました。 Brazis は 2008 年に UL に入社し、電気および機械研究チームを率いています。 彼への連絡先は [email protected] です。

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