1. Berekening van de elektrische schok met behulp van het Circuitmodel van het lichaam
wanneer elektrische systemen worden ontworpen, moet de veiligheidsevaluatie een beoordeling omvatten van het effect van menselijk contact met eventuele metalen of onder spanning staande delen of geleiders.
indien mogelijk moeten aarding, isolatie en fysieke afstand de gevaren van elektrische schokken verminderen of elimineren. Tijdens het ontwerp kan het effect van contact met geleiders worden geëvalueerd met behulp van elektrische circuitmodellen van het menselijk lichaam. Er zullen vele factoren van invloed zijn op een dergelijk model, en de mate van complexiteit van het model varieert afhankelijk van de toepassing en het niveau van het potentiële risico dat aanwezig kan zijn. In deze sectie wordt een inleiding gegeven op dit gebied, dat nog steeds evolueert naarmate nieuw onderzoek wordt uitgevoerd en meer geavanceerde wiskundige modelleringstechnieken worden gebruikt.
het circuitmodel van een menselijk lichaam kan dan worden geconstrueerd op basis van het huidmodel, de ledematen en de romp. Figuur 1 toont de gecombineerde circuitmodellen, uitgaande van een droge huid met een contactoppervlak van 1 cm^2, uit de vorige voorbeelden om het elektrische contact van hand tot voet te simuleren, door de romp. Figuur 2 toont de reductie van het circuit van het voorbeeldlichaam met een droge huid. De reductie van het circuit wordt uitgevoerd in de volgende stappen:
Stap 1. Combineer dubbele modellen. Er zijn twee identieke gebieden van huidcontact. Voor de huid, de weerstanden,, zijn in serie, dus….
de reekscapaciteiten worden gecombineerd door reciprociteit:
dezelfde procedure wordt toegepast voor de twee identieke ledematen.
Stap 2. Zet parallelle circuits om in seriecircuits, zodat alle resistieve en Capacitieve elementen voor alle elementen kunnen worden samengevat …
FIG 1 Circuit model van Hand-Voet geleiding, met droge huid.
FIG 2 Circuit vermindering van het menselijk lichaam impedantie met droge huid.
de totale opname van het element wordt berekend uit de geleidbaarheid en de susceptantie.
e. 1
…waar en de toegang wordt omgezet in impedantie.
e. 2
de impedantie is verdeeld in twee reekselementen.
e3
e. 4
stap 3. De elementen van de serie zijn samengevat.
e5
e. 6
e. 7
e.8
stap 4. Een parallel equivalent circuit wordt ook gecreëerd.
e. 9
e. 10
e11
deze evaluatie toont aan dat het capacitieve effect minimaal is, aangezien…
het model kan worden gebruikt om de effecten van elektrische schokken te simuleren. Bij 120V AC is de stroom…
dit is wat de “tinteling” veroorzaakt wanneer de bedrading van het huis onbedoeld wordt aangeraakt.
figuur 3 toont de circuitreductie van het voorbeeldlichaam met natte huid, ervan uitgaande dat de huidweerstand nul is, waardoor de enige factor de interne lichaamsweerstand is. Bij 120 V AC is de stroom
stroom op dit niveau kan ventriculaire fibrillatie en mogelijke dood veroorzaken.
FIG 3 vermindering van de impedantie van het menselijk lichaam bij natte huid.
2. Frequentierespons van het menselijk lichaam
met behulp van het ontwikkelde circuitmodel kunnen de inductanties worden toegevoegd als elementen in serie met de weerstanden, en het effect van variërende frequentie kan worden gevonden. In het voorgaande voorbeeld werden inductanties gevonden voor de ledematen en de romp:
de weerstanden en capaciteit waren het equivalent circuit van een lichaamsdeel, inclusief Inductantie, is weergegeven in FIG. 4.
FIG 4 Equivalent circuit van een lichaamsdeel.
de impedantie als functie van de frequentie kan worden berekend als e.12
voor de stam,, en, en resonantie bestaat niet. Voor de ledemaat,, en, en resonantie bestaat niet. De maximale waarde van de weerstand waarvoor resonantie bestaat is…
e18
e. 19.
voor de romp , voor de ledematen.
deze weerstanden liggen ver onder de typische waarden voor het menselijk lichaam. De impedantie-magnitude en de hoekdiagrammen zijn weergegeven in de figuren 5 en 6. Voor alle frequenties in het kilohertz-bereik, bestaande uit de vermogensfrequentie en de harmonischen ervan, is de weerstand de enige circuitwaarde die moet worden gebruikt. Gezien de huidimpedantie bestaat de huid uit een weerstand parallel met een capaciteit, samen met een serieweerstand . De impedantie kan worden berekend als e.20
In de voorbeeldberekening waren de weerstanden en capaciteit …
de impedantie-magnitude en de hoekdiagrammen zijn weergegeven in de figuren 7 en 8. Voor alle frequenties in het kilohertz-bereik, bestaande uit de vermogensfrequentie en de harmonischen ervan, is de weerstand de enige circuitwaarde die moet worden gebruikt. Er is een circuit pool op Dit is ver onder de normale vermogensfrequentie.
het circuitmodel voor het gehele lichaam, inclusief weerstand, capaciteit en inductantie, kan dan worden geconstrueerd. Omdat resonantie betrokken is, zal de serie-parallelle circuit reductiemethode die wordt gebruikt voor de weerstandselementen de frequentierespons niet correct modelleren.
daarom zal de benadering van het optellen van de equivalente circuitmodellen worden gebruikt.
FIG 5 Impedantie versus frequentie plots voor romp en ledemaat.
FIG 6 fase hoek versus frequentie plots voor romp en ledemaat.
FIG 7 Impedantie versus frequentie plot voor de huid.
FIG 8 fase hoek versus frequentie plot voor de huid.
e.21
Het totale lichaam impedantie voor lage frequenties is de som van de weerstanden
e.22
Het totale lichaam impedantie voor hoge frequenties is twee maal de weerstand van de huid, als de weerstanden in parallel met condensatoren worden omzeild:
e.23
Het interne lichaam impedantie voor lage frequenties is de som van de weerstanden…
e.24
de interne lichaamsimpedantie voor hoge frequenties is nul, omdat de weerstanden parallel aan de condensatoren worden omzeild:
e.25
dit wordt echter tegengegaan door het huideffect, dat niet in dit model is opgenomen, zodat bij hoge frequenties de interne lichaamsimpedanties niet in aanmerking worden genomen. De resultaten zijn weergegeven in de figuren 9 en 10. Zoals blijkt uit de dip in de hoekplot, zijn er systeempalen voor de ledematen bij e.26
voor het voorbeeld in kwestie, …
er zijn systeempalen voor de romp bij e.27 Voor het onderzochte voorbeeld,
FIG 9 Totale lichaamsimpedantie magnitude (ZBS) en interne lichaamsimpedantie (ZB) versus frequentie. PTN is de negatieve stampool bij 18 kHz.
FIG 10 Totale lichaamsimpedantie hoek (ZBS) en interne lichaamsimpedantie (ZB) versus frequentie. PTN is de negatieve stampool bij 18 kHz.