Experimente zum DC-Widerstand des menschlichen Körpers I

Aug 01, 2023

Anmerkung des Herausgebers: Das Papier, auf dem dieser Artikel basiert, wurde ursprünglich auf dem Symposium der IEEE Product Safety Engineering Society 2018 vorgestellt und dort als bestes Symposiumspapier ausgezeichnet. Es wird hier mit Genehmigung aus dem Tagungsband des IEEE Product Safety Engineering Society International Symposium on Product Compliance Engineering 2018 abgedruckt. Copyright 2018 IEEE.

Die physiologischen Auswirkungen eines Stromschlags werden hauptsächlich durch Strom induziert [1]. Daher werden in Sicherheitsstandards häufig Stromgrenzwerte festgelegt, um den menschlichen Körper vor der Gefahr eines Stromschlags zu schützen [2]. Für bestimmte Standards oder Anwendungen werden jedoch häufig Spannungsgrenzen bevorzugt. In solchen Fällen kann die Impedanz des menschlichen Körpers verwendet werden, um die Spannungsgrenze auf der Grundlage sicherer Stromgrenzen abzuschätzen. Darüber hinaus kann die Impedanz des menschlichen Körpers verwendet werden, um elektrische Schaltkreismodelle zu erstellen, die Leitungspfade durch den menschlichen Körper darstellen, um Berührungsströme abzuschätzen. Gemäß UL 101 [2] wird beispielsweise die Impedanz des menschlichen Körpers mit einem 1500-Ω-Widerstand parallel zu einem 0,22-µF-Kondensator modelliert, der mit einem weiteren 500-Ω-Widerstand in Reihe geschaltet ist. Eine solche Messschaltung dient zur Auswertung des Berührungsstroms wahrnehmungsmäßiger Stoßwirkungen bei 60 Hz sinusförmigem Wechselstrom.

Gleichstromanwendungen, insbesondere solche mit gefährlichen Spannungen, sind aufgrund der zunehmenden Nutzung erneuerbarer Energiequellen (wie Photovoltaik), Energiespeichersystemen usw. immer häufiger anzutreffen. Daher ist es hilfreich, den Widerstand des menschlichen Körpers bei Gleichstrom zu überprüfen, um ihn besser zu verstehen Auswirkungen auf die physiologischen Auswirkungen von Elektroschocks bei Gleichstromanwendungen. IEC 60479-1 [3] spezifizierte den Widerstand des menschlichen Körpers für Gleichstrom zwischen 25 V und 1000 V. Die in [3] enthaltenen Gleichstromwiderstandswerte basierten jedoch auf experimentellen Daten, die nur bei 25 V durchgeführt wurden, der Rest der Werte, die mathematisch auf der Grundlage des Wechselstromwiderstands des menschlichen Körpers extrapoliert wurden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Körperimpedanz bei Gleichstrom genauso skaliert wie bei Wechselstrom, was der Fall sein kann oder auch nicht. Darüber hinaus gelten die in [3] angegebenen DC-Körperwiderstände nur für trockene Bedingungen. Nach Kenntnis der Autoren liegen derzeit keine direkt auf experimentellen Beobachtungen basierenden Daten zur Widerstandsfähigkeit des menschlichen Körpers gegen Gleichstrom unter nassen Bedingungen vor. Für nasse Bedingungen wird davon ausgegangen, dass die in der IEC-Norm [3] angegebenen Gleichstrom-Körperwiderstandswerte mit dem Wechselstrom-Körperwiderstand unter nassen Bedingungen bei jeder Spannung identisch sind. Auch hier werden Annahmen getroffen, die durch experimentelle Daten nicht eindeutig untermauert werden.

Da Gleichstrom bei gefährlichen Spannungen immer häufiger auftritt und die Gefahr besteht, dass Menschen solchen Gefahren ausgesetzt werden, ist es unerlässlich, umfassende Daten über die Impedanz des menschlichen Körpers bei Gleichstrom zu haben. Für einen solchen Datensatz sind Messungen an vielen Personen erforderlich, um statistische Signifikanz zu haben (z. B. 50 oder mehr). Das ultimative Ziel der Autoren ist es, auf der Grundlage experimenteller Daten typische Gleichstrom-Körperimpedanzwerte zu entwickeln, ähnlich denen, die derzeit für Wechselstrom verfügbar sind.

Es ist jedoch noch unklar, welchen Einfluss verschiedene Messparameter haben werden, und es ist bisher auch unklar, wie wiederholbar eine bestimmte Messung bei einer bestimmten Person wäre. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass es daher verfrüht sei, mit einem groß angelegten experimentellen Programm mit einer beträchtlichen Anzahl menschlicher Freiwilliger fortzufahren, bevor ein besseres Verständnis der Konsistenz der Messung an einer bestimmten Person erreicht sei. Es war beispielsweise unklar, ob wiederholbare Werte erreichbar waren, wenn dieselbe Person zu unterschiedlichen Zeiten unter denselben Testbedingungen gemessen wurde. Nach Kenntnis der Autoren wurde dies in keiner früheren Arbeit bewertet. Darüber hinaus wurden keine veröffentlichten Daten zur Auswirkung von Kontaktmaterial auf die Impedanzprüfung des menschlichen Körpers gefunden, von der angenommen wird, dass sie einen Einfluss auf die gemessene Körperimpedanz hat und den Zusammenhang zwischen der gemessenen Körperimpedanz und der angelegten Spannung besser erklären könnte. (In [3] wurde berichtet, dass der Körperwiderstand mit zunehmender angelegter Spannung linear abnimmt.) Unter Berücksichtigung dieser unbekannten Auswirkungen auf die DC-Körperimpedanzmessung haben die Autoren den ersten Schritt unternommen, um diese Faktoren besser zu verstehen; Über die Ergebnisse wird hier berichtet. Das umfangreichere Testprogramm wurde daher verschoben und als zweite Phase unserer Arbeit durchgeführt.

Die erste Arbeit, über die hier berichtet wird, untersuchte die Wirkung von drei Testvariablen (Kontaktmaterial, nasse oder trockene Bedingungen und Tageszeit) auf drei Testpersonen. Kontaktmaterialien aus Kupfer und Aluminium wurden verwendet, um den potenziellen Einfluss auf die gemessene Körperimpedanz besser zu verstehen und um die Hypothese zu testen, dass das beobachtete nichtlineare Verhalten im Körperimpedanzverhalten analog zu dem ist, was bei Metall-Halbleiter-Kontakten beobachtet wird. [6] Nasse und trockene Bedingungen wurden verwendet, um die Auswirkung auf die gemessene Körperimpedanz zu bewerten und die relative Wiederholbarkeit der Messungen unter jeder Bedingung zu bestimmen. Aus Sicherheitsgründen beschränkte diese Arbeit den Umfang der Untersuchung auf Spannungen bei und unter 60 V.

Abbildung 1: Messschaltung für Wahrnehmungs-Berührungsstrom

Es gibt vier verschiedene physiologische Auswirkungen von Elektroschocks bei Gleich- oder Wechselstrom: Wahrnehmung, Unfähigkeit loszulassen, Kammerflimmern und Brennen. Nach den Experimenten von Dalziel in den 1940er Jahren [1] ist die Stromschlagschwelle bei Gleichstrom höher als bei Wechselstrom. Mit anderen Worten: Der menschliche Körper ist bei Gleichstrom weniger anfällig für Stromschläge als bei 50/60-Hz-Wechselstromsignalen ähnlicher Stärke. In Bezug auf die Spannungsgrenze beträgt die DC-Grenze 60 V unter trockenen Bedingungen und 30 V unter nassen Bedingungen, wie in UL 1310 [4] angegeben, um vor der Unmöglichkeit von Loslassen-Schockeffekten zu schützen. Dieser Grenzwert wurde mit der Absicht gewählt, 95 % der Bevölkerung, einschließlich Kinder, zu schützen. Beachten Sie, dass dieser Grenzwert auf der Grundlage eines Strompfads von Hand zu beiden Füßen definiert ist. Bei anderen Strompfaden kann der zulässige Spannungsgrenzwert unterschiedlich sein. Um ein breiteres Spektrum experimenteller Daten zu sammeln, wurde in dieser Arbeit die Spannungsgrenze sowohl für trockene als auch für nasse Bedingungen auf 60 V statt auf 30 V festgelegt, obwohl 60 V die Grenze für die Unmöglichkeit des Loslassens nur unter trockenen Bedingungen ist . Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass diese Grenzwerte unter Berücksichtigung von Kindern festgelegt wurden und die Probanden in dieser Arbeit nur Erwachsene waren (und daher in der Lage sind, höhere Spannungen auszuhalten). Zur Sicherheit und zum Komfort der Testpersonen konnte jeder Proband während des Tests jederzeit den Stromkreis unterbrechen, indem er seine Hand von der Elektrode nahm (Abbildung 2), wenn das Wahrnehmungsgefühl zu unangenehm wurde. Der Strom wurde auf unter 20 mA begrenzt, sowohl durch eine Strombegrenzungseinstellung am Netzteil als auch durch den Einbau einer flinken 20-mA-Sicherung, die in Reihe mit der Stromversorgung des Testobjekts geschaltet wurde.

Abbildung 2: Foto des Versuchsaufbaus mit Motiv

Für die Gleichstromversorgung der Tests wurde das BK Precision Modell 9183B verwendet. Während des Tests wurde der Spannungsausgang der Stromversorgung über einen Laptop-Computer gesteuert. Für die Datenerfassung wurde das Dewetron-Modell DEWE-50-USB2-8 verwendet, einschließlich der Spannungs- und Stromausgabe des Gleichstromnetzteils. Strom- und Spannungsverbindungen zu den Metallplatten wurden physikalisch getrennt, so dass Kontaktwiderstandseffekte minimiert wurden. Der Körperwiderstand wurde aus den Spannungs- und Strommesswerten unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes berechnet.

Abbildung 2 zeigt den Versuchsaufbau, dargestellt mit einem Probanden in Position während des Tests. Die Versuchsperson stand auf einer Metallplatte, die abwechselnd aus Kupfer und Aluminium bestand. Die Probanden wurden angewiesen, barfuß auf dem Teller zu stehen. Jeder Proband legte seine rechte Hand auf eine Metallplatte aus dem gleichen Material wie die Platte an seinen Füßen. Vor jeder Testsitzung wurden die Hände mit einem Alkoholtupfer gereinigt, um Oberflächenöle und Schmutz zu entfernen und die Hände zu trocknen. Es wurden keine Anstrengungen unternommen, die Füße zu reinigen oder zu trocknen. Die Größe der Metallplatte für den Handkontakt betrug 100 mm x 100 mm. Diese Größe wird in der IEC-Norm 60479-1 [2] als „große Kontaktfläche“ definiert. Gemäß dieser Norm wird erwartet, dass die größere Kontaktfläche den geringsten Widerstand gegen den Körper zur Folge hat, was im Vergleich zu ähnlich definierten „mittleren“ und „kleinen“ Kontaktflächen als „schlimmster Fall“ angesehen wird. In dieser Arbeit wird von der großen Kontaktfläche bzw. dem „worst case“ ausgegangen, da für sicherheitsrelevante Anwendungen die Worst-Case-Bedingungen von größtem Interesse sind.

Es ist bekannt, dass der Widerstand des menschlichen Körpers durch den Feuchtigkeitsgehalt der Hautoberfläche beeinflusst wird [3]. In dieser Arbeit wurde die Oberfläche der Hände unter zwei Bedingungen getestet: trocken und simuliertes Schweißwasser nass. Die Natriumkonzentration im Schweiß liegt im Bereich zwischen 6 und 85 mEq. pro L [5], entsprechend 13,8 mg/dL bis 195,5 mg/dL. Für diese Arbeit wird eine Natriumkonzentration am oberen Ende dieses Bereichs gewählt, da dies zum niedrigsten Widerstand führt und daher im „schlimmsten Fall“ ein elektrisches Sicherheitsrisiko darstellt. Der Test wurde mit einem Salzgehalt von 80 mÄq pro Liter Wasser durchgeführt, was ungefähr dem 95. Perzentil der maximalen Natriumkonzentration von 85 mÄq entspricht. Dies entspricht 1,85 g NaCl pro Liter Wasser. Auch menschlicher Schweiß enthält Kalium und andere Salze, allerdings sind diese Konzentrationen im Vergleich zur Natriumkonzentration deutlich geringer [5]; Daher wurden die Auswirkungen von Kalium in dieser Untersuchung ignoriert.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, wurden zwei Beutel mit je 0,5 kg Metallschrot auf den Handrücken aufgebracht. Die Testpersonen wurden angewiesen, ihre Hand zu entspannen, mit der Absicht, dass der Druck nur durch das Gewicht der Beutel ausgeübt wurde. Dabei handelte es sich um einen Versuch, die Druckvariable auf die Metallplatten zu kontrollieren, die sich möglicherweise auf den Kontaktwiderstand des Körpers auswirkt.

Die Versorgungsspannung wurde linear von 0 V bis 60 V angelegt und linear mit einer Rate von 1 V/s erhöht. Der Strom war auf 20 mA begrenzt, und wenn entweder Strom oder Spannung den Grenzwert erreichten, schaltete die Stromversorgung auf eine Konstantstromquelle mit 20 mA um. Jeder Test wird fortgesetzt, bis 60 V erreicht sind oder die Testperson aufgrund von Beschwerden ihre Hand von der Platte entfernt. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel der gemessenen Spannung und Stromstärke unter trockenen Bedingungen für eine Versuchsperson. In diesem Fall erreichte die angelegte Gleichspannung 60 V und fiel dann wieder auf 0 V, wobei der beobachtete Strom bei der angelegten Spannung von 60 V etwa 12 mA betrug. In Abbildung 3 ist die x-Achse der Zeitschritt, der a ist Die Stichprobenzählung der Messungen erfolgt während des 60-Sekunden-Tests.

Abbildung 3: Beispiel der gemessenen Leistung und des Stroms unter trockenen Bedingungen für eine Testperson

Tabelle 1: Testbedingungen

Es wurden vier Kombinationen von Testbedingungen gemessen: Tabelle 1 zeigt die Bedingungen, die für jeden Test verwendet wurden. Für jede Testbedingung und jeden Freiwilligen wurde der Test über einen Zeitraum von mehreren Wochen 20 Mal wiederholt. Abbildung 4 zeigt die Boxplot-Ergebnisse für den gemessenen Strom für jeden der vier Tests und drei Freiwillige bei einer angelegten Spannung von 25 V. Der obere Rand des äußeren Kastens mit hellblauer Farbe stellt das erste Quartil (Q1) dar, während der untere Rand das erste Quartil (Q1) darstellt das dritte Quartil (Q3). Somit repräsentiert dieser äußere Kastenteil des Diagramms den Interquartilbereich (IQR) oder die mittleren 50 % der Beobachtungen. Das innere Kästchen stellt das 95 %-Konfidenzintervall dar. Die vertikalen Linien stellen die oberen und unteren Whisker dar, die sich nach außen erstrecken, um die niedrigsten und höchsten Werte im Datensatz anzuzeigen (Ausreißer ausgenommen). Die horizontale Linie in der Box stellt den Mittelwert dar; Der Kreis mit dem Kreuz stellt den Mittelwert dar.

Abbildung 4: Strom (mA) bei 25 V für drei Freiwillige und vier Testbedingungen

Die Daten in Abbildung 4 zeigen, dass die Variabilität des Körperwiderstands unter nassen Bedingungen (Tests 3 und 4) deutlich geringer war als die, die unter trockenen Bedingungen beobachtet wurde (Tests 1 und 2). Darüber hinaus war der Widerstand im nassen Zustand geringer als im entsprechenden trockenen Zustand, was bedeutet, dass der nasse Zustand aus Sicherheitsgründen ein schlechterer Fall (dh gefährlicher) ist. Da bei Sicherheitsanalysen im Allgemeinen Konservatismus bevorzugt wird und die Daten unter nassen Bedingungen eine geringere Variabilität aufwiesen, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass zukünftige Körperimpedanztests nur unter nassen Bedingungen durchgeführt werden.

Abbildung 5 zeigt den Boxplot des gemessenen Stroms für die beiden Tests 3 (Aluminium) und 4 (Kupfer, beide durchgeführt mit nasser Haut) bei 5 V. Es wurde beobachtet, dass die Metallelektrode einen Einfluss auf den gemessenen Strom hatte. Bei allen Testpersonen zeigte Kupfer einen höheren gemessenen Strom bei 5 V und 10 V, wobei sich herausstellte, dass dieser Effekt mit zunehmender Spannung abnahm. Es wird darauf hingewiesen, dass dies wahrscheinlich nicht auf die höhere elektrische Leitfähigkeit von Kupfer im Vergleich zu Aluminium zurückzuführen ist, da die zur Messung des Widerstands verwendete Konfiguration mit vier Sonden nur den Metall-Haut-Kontakt in die Messung einbezieht und den Massenwiderstand des Metalls nicht berücksichtigt Kontakt. Darüber hinaus wäre bei allen Spannungen ein Beitrag zum Massenwiderstand zu beobachten und würde mit steigender Spannung nicht abnehmen.

Abbildung 5: Boxplot des gemessenen Stroms für Test 3 und Test 4 (nasse Bedingungen) bei 5 V

Die Methode der Varianzanalyse (ANOVA) kann die Bestimmung der Signifikanz eines Faktors für einen bestimmten Ausgabeparameter erleichtern. In dieser Studie wurde es verwendet, um die statistische Bedeutung des Metallmaterials der Elektrode für die Körperwiderstandsmessung als Funktion der Spannung zu bestimmen. Abbildung 6 zeigt die berechneten R-Werte für den Einfluss des Elektrodenmaterials auf den gemessenen Strom: Ein höherer R-Wert deutet auf einen stärkeren Einfluss auf den Ausgangsparameter hin. Es wurde festgestellt, dass der R-Wert bei niedrigen Spannungen hoch ist und dann schnell abfällt, wenn die Spannung von 10 V auf 20 V ansteigt. Dies lässt darauf schließen, dass die Metallelektrode einen statistisch signifikanten Einfluss auf die gemessene Impedanz bei Spannungen unter 20 V hat Dies steht im Einklang mit dem Vorhandensein einer Schottky-Barriere an der Metall-Haut-Grenzfläche. [6]

Abbildung 6: R-Wert (in Prozent), berechnet aus ANOVA unter nassen Bedingungen, zur Bewertung der Wirkung des Elektrodenmaterials für jeden der drei Freiwilligen.

Abbildung 7 zeigt den Mittelwert des Spannungswiderstands für Test 4 (nasser Zustand, Kupferelektrode). Es wurde beobachtet, dass der Körperwiderstand im Allgemeinen mit zunehmender Berührungsspannung abnahm. Es wurde auch festgestellt, dass der Körperwiderstand eine nichtlineare Beziehung zur Spannung aufweist, Beobachtungen, die mit der Norm IEC 60479-1 übereinstimmen. IEC 60479-1 weist auf dieses nichtlineare Verhalten hin und erwähnt auch weitere Anstiege, wenn ein elektrischer Durchschlag der Haut auftritt [3]. Die Art dieses nichtlinearen Verhaltens wird in IEC 60479-1 nicht beschrieben. Die Autoren schlagen vor, dass diese Nichtlinearität im Zusammenhang mit einer Schottky-Barriere erklärt werden kann, bei der der Kontakt zwischen Haut und Metallplatte einen Metall-Halbleiter-Übergang bildet, der zu einem nichtohmschen Strom-Spannungs-Verhalten führt. Der Unterschied im gemessenen Widerstand zwischen Aluminium und Kupfer wäre dann eine Funktion der Austrittsarbeit (die für die beiden Metalle etwa 4,3 bzw. 4,7 eV beträgt) [6]. Messungen an zusätzlichen Metalloberflächen würden dazu beitragen, diese Hypothese zu untermauern oder zu widerlegen, beispielsweise die Durchführung von Messungen an Materialien mit einer niedrigeren Austrittsarbeit (z. B. Magnesium, 3,7 eV) und einer höheren Austrittsarbeit (z. B. Nickel und Platin, 5,2 bzw. 5,7 eV). ), beides potenzielle Themen zukünftiger Arbeit.

Abbildung 7: Mittelwert des Widerstands gegenüber der Spannung für Test 4 (nasse Bedingungen)

Der Varianzkoeffizient (CV) stellt das Verhältnis der Standardabweichung zum Mittelwert dar, was nützlich ist, um den Grad der Variation des gemessenen Widerstands für jeden einzelnen Freiwilligen zu vergleichen. Da die Feststellung der Wiederholbarkeit der Körperimpedanzmessung für dieselbe Person ein Hauptziel dieser Arbeit war, hilft der Lebenslauf, diese Variabilität zu quantifizieren. Abbildung 8 zeigt den Lebenslauf aller drei Freiwilligen, die Kupferelektroden unter nassen Bedingungen verwenden (Test 4), und vergleicht die relative Varianz der Daten zwischen Freiwilligen. Es wurde beobachtet, dass Freiwilliger Nr. 3 im Vergleich zu den beiden anderen Freiwilligen viel größere Schwankungen im Körperwiderstand aufwies (dies ist auch in Abbildung 4 zu sehen). Bei Freiwilliger Nr. 2 war der gemessene Körperwiderstand bei niedrigeren Spannungen weniger konsistent, aber als die Spannung über 20 V anstieg, sank der CV des Körperwiderstands auf etwa 10 %, was mit den Daten von Freiwilliger Nr. 1 übereinstimmt.

Abbildung 8: Varianzkoeffizient für drei Freiwillige, die Kupfer unter nassen Bedingungen verwenden

Um die größere Abweichung, die bei den Ergebnissen von Freiwilligem Nr. 3 beobachtet wurde, weiter zu untersuchen, wurden die Daten nach Tageszeit (morgens und nachmittags) getrennt. Der Vormittag ist definiert als Messungen, die während des normalen Arbeitstages vor 12:00 Uhr Ortszeit durchgeführt werden, und der Nachmittag ist definiert als Messungen, die nach 12:00 Uhr Ortszeit abgeschlossen werden. Für die Dauer dieser Arbeit wurden typischerweise zwei Messungen pro Tag an jeder Testperson durchgeführt: eine am Vormittag und eine am Nachmittag. Als Zeitbezug wurde der Zeitpunkt definiert, zu dem die Testergebnisse abgeschlossen und im Computer gespeichert wurden. Abbildung 9 zeigt den Varianzkoeffizienten für den Vormittag (a) und den Nachmittag (b). Wie in Abbildung 8 dargestellt, zeigt Abbildung 9 auch Daten mit Kupferelektroden und Haut unter nassen Bedingungen. Es ist interessant festzustellen, dass der CV bei Freiwilliger Nr. 3 zwischen Morgen und Nachmittag erheblich schwankt, ein Trend, der bei dieser Versuchsperson über alle in dieser Studie verwendeten angelegten Spannungen konsistent war. Bei den anderen beiden Freiwilligen erwies sich der Unterschied zwischen Vormittag und Nachmittag als weniger signifikant, insbesondere bei Freiwilliger Nr. 1. Es wird darauf hingewiesen, dass bei Tests, die am Morgen durchgeführt wurden, die Schwankung der Daten für Freiwilligen Nr. 3 tatsächlich geringer war als für Freiwilligen Nr. 2 bei Spannungen unter 25 V. Sowohl morgens als auch nachmittags nimmt der CV mit steigender Spannung ab. Die genaue Art der statistisch signifikanten Unterschiede in den Morgen- und Nachmittagsdaten für Freiwilligen Nr. 3 ist derzeit nicht bekannt. Da dieser Verhaltensunterschied bei 20 Messungen über mehrere Wochen hinweg beobachtet wurde, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Probleme auf Messfehler zurückzuführen waren, sondern eher auf einen Stoffwechsel- oder anderen Körperzustand, der während der Mittagsstunde (z. B. Mittagessen) beeinträchtigt wurde. Eine andere, wenn auch weniger wahrscheinliche Möglichkeit ist eine Art unbewusste Verhaltensänderung von Freiwilliger Nr. 3 zwischen Morgen und Nachmittag, obwohl es schwierig wäre, eine solche Änderung über 20 Testsitzungen hinweg konsistent zu bewirken. Unabhängig von der Ursache kommt es hier weniger auf die konkrete Ursache als vielmehr auf die Gesamtwirkung auf den Körperwiderstand an. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass zukünftige Messungen möglicherweise sowohl morgens als auch nachmittags durchgeführt und die entsprechende Messzeit für jede Testperson für zukünftige Studien notiert werden müssen.

Abbildung 9: Varianzkoeffizient bei Verwendung von Kupferelektroden unter nassen Bedingungen (Test 4), (a) morgens (b) nachmittags

Die Daten zeigten einen Einfluss des Kontaktmaterials auf den gemessenen Körperwiderstand und könnten auf die Bildung einer Schottky-Barriere zurückzuführen sein, ähnlich wie es bei Metall-Halbleiter-Bauelementen beobachtet wird. Dies würde die Natur des nicht-ohmschen Verhaltens erklären, das seit langem für die Impedanz des menschlichen Körpers bekannt ist, obwohl weitere Untersuchungen erforderlich sind, um diese Hypothese zu bestätigen. Die Ergebnisse zeigen, dass es unbedingt erforderlich ist, die Zusammensetzung der für Körperimpedanzmessungen verwendeten Kontaktmaterialien zusammen mit den Ergebnissen anzugeben, und dass für beide Kontakte nur eine Art von Kontaktmaterial verwendet werden sollte.

Bei nassen Bedingungen ergaben sich konsistentere Testergebnisse des Körperwiderstands als bei trockenen Bedingungen. In Anbetracht dessen und der Tatsache, dass nasse Bedingungen einen geringeren Körperwiderstand aufweisen als entsprechende trockene Bedingungen, werden sich zukünftige Arbeiten ausschließlich auf die Nutzung nasser Bedingungen konzentrieren. Diese Studie zeigte auch, dass der gemessene Widerstand zwischen verschiedenen Tageszeiten, nämlich morgens und nachmittags, wie hier untersucht, erheblich variieren kann. Es wurde auch beobachtet, dass diese Variation in Bezug auf die Tageszeit nicht bei allen Testpersonen beobachtet wurde und unbekannter Ursache war. Unabhängig von der Ursache deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Tageszeit eine potenzielle Variable für die Körperimpedanz ist und weiterhin in künftige Untersuchungen einbezogen werden muss, wobei vorzugsweise Daten zu unterschiedlichen Tageszeiten für denselben Freiwilligen erhoben werden sollten. Wenn dieser Tageszeiteffekt von den Daten getrennt wird, wird beobachtet, dass der Varianzkoeffizient tendenziell bei etwa 10 % liegt, wobei höhere Werte bei niedrigeren Spannungen beobachtet werden.

Die hier beschriebene experimentelle Arbeit zeigt, dass die für eine bestimmte Testperson unter denselben Testbedingungen gemessene Impedanz des menschlichen Körpers im Laufe der Zeit voraussichtlich wiederholbar ist. Es wird erwartet, dass die Daten für die meisten Testpersonen und -bedingungen normalverteilt sind und die Standardabweichung etwa 10 % des Mittelwerts beträgt, obwohl bei einigen Testpersonen eine größere Variabilität möglich ist (insbesondere aufgrund von tageszeitbedingten Änderungen, wobei dies noch nicht bekannt ist). Herkunft).

Diese Ergebnisse bestätigen, dass Daten aus einer größeren Stichprobe von Testpersonen wahrscheinlich innerhalb eines vorhersehbaren Unsicherheitsniveaus repräsentativ für den DC-Körperwiderstand jedes Einzelnen wären, selbst wenn nur eine Messsitzung an einem Freiwilligen durchgeführt würde. Mehrfach durchgeführte Messungen an weiteren Freiwilligen wären jedoch hilfreich, um ein besseres Verständnis der Auswirkungen von Testvariablen auf Einzelpersonen zu erlangen. Dies deutet darauf hin, dass in zukünftigen Arbeiten eine Untergruppe von Freiwilligen gebeten wird, über mehrere Tage hinweg zu Wiederholungsmessungen zurückzukehren, während die größere Bevölkerung möglicherweise nur zur Teilnahme an einer oder zwei Testsitzungen (vorzugsweise zwei, wobei eine am Morgen und eine durchgeführt wird) aufgefordert wird zweite am selben Nachmittag). Um die Natur des nichtohmschen Kontaktverhaltens weiter zu untersuchen, werden die drei ursprünglichen Testpersonen gebeten, den Test mit zusätzlichen Kontaktmaterialien zu wiederholen. Es können auch weitere Testpersonen aufgefordert werden, Tests mit mehreren Kontaktmaterialien durchzuführen. Für alle Tests wird davon ausgegangen, dass nur nasse Bedingungen verwendet werden, da die gemessenen Ströme höher und die Datenvariabilität geringer waren. Es wird erwartet, dass die Tests mit demselben Körperstrompfad (rechte Hand zu beiden Füßen) fortgesetzt werden, obwohl es von Vorteil wäre, zusätzliche Untersuchungen mit anderen Körperstrompfaden durchzuführen.

Hai Jiang erhielt seinen Ph.D. und Master in Elektrotechnik von der University of Dayton (Ohio). Derzeit ist er leitender Forschungsingenieur und globaler Experte für Stromschläge und Ableitströme bei Underwriters Laboratories (UL). Jiang ist ein hochrangiges Mitglied der IEEE Society und ein professioneller Ingenieur in den USA. Er ist außerdem der wichtigste designierte Ingenieur (UL Standard Engineer) für UL101 Leckstrom für Geräte. Jiang ist unter [email protected] erreichbar.

Paul W. Brazis, Jr . ist Forschungsmanager und angesehenes Mitglied des technischen Personals bei UL Corporate Research bei UL LLC (Northbrook, IL, USA). Er hat einen Hintergrund in elektrischer und thermischer Charakterisierung, elektronischen Materialien und Gerätephysik und erhielt 1995, 1997 und 2000 seinen BS, MS und PhD in Elektrotechnik, jeweils an der Northwestern University (Evanston, IL, USA). Brazis kam 2008 zu UL und leitet das Forschungsteam für Elektrotechnik und Mechanik. Er kann unter [email protected] erreicht werden.

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