Теоретичні відомості. Електричний опір тіла людинизалежить, в основному, від стану шкіри та центральної нервової системи

Електричний опір тіла людини залежить, в основному, від стану шкіри та центральної нервової системи. Загальний електричний опір тіла людини можна представити як суму двох опорів шкіри та опору внутрішніх тканин тіла (рис. 2). Найбільший опір проходженню струму чинить шкіра, особливо її зовнішній ороговілий шар (епідерміс), товщина якого становить близько 0, 2 мм. Опір внутрішніх тканин тіла – дерми незначний і становить 300 – 500 Ом.

Загальний опір тіла людини змінюється в широких межах — від 1 до 100 кОм, а іноді й більше. Для розрахунківопіртілалюдиниумовноприймаютьрівним R_л = 1 кОм. При зволоженні, забрудненні та пошкодженнішкіри (потовиділення, порізи, подряпинитощо), збільшенніприкладеноїнапруги, площі контакту, частоти струму та часу йогодіїопіртілалюдинизменшується до певногомінімальногозначення (0, 5 – 0, 7 кОм).

Опіртілалюдинизменшуєтьсятакож при захворюванняхшкіри, центральноїнервової та серцево-судинної систем, проявахалергічноїреакціїтощо.

Різні тканини тіла мають різний об'ємний опір, наприклад, шкіра - 300...2000 кОм*см, м'язева тканина -150...300 Ом*см, кістка - 100...2000 кОм*см, жирова тканина - 3...6 кОм*см, кров - 100...200 Ом*см, спиномозгова рідина -50...60м*см.

Послідовність виконання роботи:

Частина 1. Вимірювання опору тіла людини постійному струмові за допомогою омметра та мегомметра.

Для вимірювання використовуються: прилад аналоговий (авометр Ц 4353 і контактні пластини з фольгованого текстоліту площею 20 см² і 200 см² (2 і 3).

Рис. 1 Схема вимірювання опору тіла постійному струму людини омметром

Вимірювання виконуємо наступним чином:

- виконуємо початкове регулювання приладу – встановлення стрілки приладу на нуль за допомогою механічного пристрою на панелі приладу;

- для вимірювання опору тіла людини долоні експериментатора лежать вільно без натиснення на контактні пластини 20 см і 200 см;

- виконуємо те саме тільки при натисненні пластин;

- провести вимірювання опору тіла при зволоженні шкіри дистильованою водою та розчином харчової солі.

- результати вимірювань занести в таблицю 1.

Таблиця 1. Результати вимірювань електричного опору тіла людини постійному струму.

Проаналізувати результати вимірювань і зробити висновки про залежність опору людини постійному струму від площі контакту доторкання, щільності контакту і стану шкіри.

Частина 2. Вимірювання опору тіла людини змінному струмові за допомогою віртуальноїімітаційнійної моделі.

Для вимірювання використовується віртуальна імітаційна модель в табличному процесорі MS Excelяка моделює експериментальну установку генератора звукової частоти та амперметра з вольтметром. Віртуальна модель розроблена в контексті моделі системного аналізу «чорний ящик» в якому знаходяться невідомі опір та ємність, з’єднані паралельно (реактанс), що імітують схему заміщення ( еквівалентну) опору тіла людини.

Параметри «чорного ящика» обираються студентами на початковій стадії моделювання згідно індивідуальних даних отриманих в частині 1 та ємності.

Імітований амперметр має діапазон вимірювання 2…200 мА; клас точності 1 з великим внутрішнім опором.

Генератор звукової частоти видає напругу в межах 0…10 В частотою 20… 100000 Гц.

При моделюванні керуємося наступними залежностями сили струму яка проходить крізь людину при напрузі дотику та реактансу:

1)

Z – повнийкомплекснийелектричний опір тіла людини, кОм.

З урахуванням сказаного, повний опір тіла людини, що доторкнувся до електродів (струмоведучого провідника, металевих частин електрооблад­нання та ін.), можна уявити еквівалентною електричною схемою, наведеної на рис. 2, де R_К - активний опір шкіри, С_К - ємність, утворена електрода­ми, зовнішнім та внутрішнім шарами шкіри, R_В - опір внутрішніх тканин тіла людини.

Рис. 2 Схема дослідження опору тіла людини електричному струму різної частоти (ГФЧ – генератор фіксованих звукових частот; S₁, S₂ – електроди; П1 – перемикач електродів)

Рис. 3 Електрична схема заміщення тіла людини (рука – рука): а) еквівалентна; б) спрощена

Величина струму в таблиці MSExcelвіртуальної моделі обраховується для невідомих значень паралельноз’єднаних опору та ємності по формулі:

(2) (2)

Дана формула перетворена в лінійний вид: а з неї знаходяться невідомі значення ємності і опору.Звідкиграфікзалежності величини повного опору електричного ланцюга з паралельно з’єднаних опору та ємності від частоти буде лінійним.

Використовуючи статистичний аналіз, по коефіцієнту Стьюдента знаходяться похибки визначення значень опору та ємності.

Для знаходження параметрів «чорного ящика» необхідно провести сумісно вимірювання величин струму, напруги і частоти імітаційним розрахунком за методом статистичних випробовувань в кількості не менше 100 для отримання статистичної достовірності даних отриманих на моделі експериментальним даним.

Повний опір тіла людини можна визначити за формулою

де Z_h –повнийопір шкіряного покрову (зовнішніх шарів шкіри).

З (3) одержуємо, що опір шкіряного покрову Z_h дорівнює

(4)

З (4) випливає, що для вимірювання внутрішнього опору R_B можна використати струм високої частоти — із зростанням частоти струму ємніс­ний опір шкіри зменшується. У разі високих частот внутрішній опір може бути з достатньою для розрахунків достовірністюприрівнено повному опору:

RВ=Z, у разі f 20 кГц.

(5)

У разі зменшення частоти (f → 0) ємнісний опір зростає та виявля­ється значно більшим від активного опору шкіри R_K. Опір шкіри тіла люди­ни можно обчислити за формулою:

,

(6)

де Z (0) — повний опір тіла людини постійному струму.

Для визначення величини Z (0)використовується метод екстраполяції.

Прийнявши С_К - ємність конденсатора у " мкФ", f - частоту струму в " кГц", R_k- активний опір шкіри в " кОм", можна визначити величину повно­го опору шкіри змінному струму в " кОм":

(7)

За формулою (7) можна отримати вираз для розрахунку ємності зов­нішнього шару шкіри:

(8)

Опір тіла людини постійному струму можливо оцінити за допомогою методу графічної екстраполяції (рис.4.2).

Рис. 4 Графік екстраполяції при визначенні опору тіла людини постійному струму

Результати вимірювання на імітаційній моделі опору тіла людини змінному струму в залежності від частоти та площі електродів представляємо в таблиці 2, 3

Таблиця 2 Результати вимірів повного опору від частоти

Таблиця 3 – Опір тіла людини на частоті f=... кГц

Обробкарезультатіввимірів:

1. Визначити опір тіла людини за формулою (1):

2. За результатами експерименту (табл.2) побудувати графіки залежностей опору тіла людини від частоти та від сили струму:

Залежності опору тіла людини від частоти та від сили струму:

2. За формулою (5) визначити внутрішній опір тіла людини.

3. Визначити опір тіла людини методом графічної екстраполяції.

4. За даними таблиці 2 визначити опір постійному струму Z_r(0), визначивши опір тіла змінному струму на частотах до 100 Гц, розрахувати опір зовнішнього шару шкіри R_k.

5. Визначити повний опір шкіри Z_h.

6. Визначити ємність зовнішнього шару шкіри C_h. Дані занести в таблицю 4.

Таблиця 4 – Параметри електричного опору тіла людини