Definieren, Messen und Erreichen von elektromagnetischer

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Definieren, Messen
und Erreichen von
elektromagnetischer
Abschirmung und Leitfähigkeit
Dr.-Ing. T. Stegmaier,
Dipl.-Ing. (FH) G. Schmeer-Lioe
Institut für Textil- und Verfahrenstechnik Denkendorf (ITV)
Direktor: Prof. Dr.-Ing. Heinrich Planck
Festvortrag bei der Fa. Kirson,
Regensburg, 16. November 2002
Institut für
Textil- und Verfahrenstechnik
Denkendorf
Direktor: Prof. Dr.-Ing. H. Planck
www.itv-denkendorf.de
1
Elektrizität im Alltag
• am Arbeitsplatz:
Maschinen, Rechner, Bürogeräte
• im Privatleben
Fernseher, Geräte, Mobilfunk,
Sendestationen,
Nachtspeicherheizungen,
Hochspannungsnetz
Elektrizität im Alltag
"Nebenwirkungen": Entstehung
elektromagnetischer Felder:
• Störwirkung auf andere Geräte
• Beeinflussung der Gesundheit und
Lebensqualität des Menschen und
der Umwelt
2
Elektromagnetische Wellen
• Elektrische Spannung erzeugt ein
elektrisches Feld
• strahlenförmige Ausbreitung
• Elektrischer Strom erzeugt ein
Magnetfeld
• kreisförmige Ausbreitung
Elektromagnetische Wellen
Elektrisches und magnetisches Feld eines Leiters über der Erde
3
Elektromagnetische Wellen
Durch Überlagerung von elektrischen
und magnetischen Feldern entsteht
ein
elektromagnetisches Feld (EMF)
• Lichtgeschwindigkeit
• bestimmte Frequenz
• bestimmte Wellenlänge
Elektromagnetische Wellen
Einteilung:
• Niederfrequent:
Frequenzbereich: 0 .... 3·104 Hz
• Hochfrequent:
Frequenzbereich:
> 3·104 Hz
4
Elektromagnetische Wellen
Niederfrequente EM Felder
• Oberleitung der Eisenbahn:
• Technischer Wechselstrom:
• Industrielle Anwendung:
16 2/3 Hz
50 Hz
Frequenzgesteuerte Motoren bis 2·102 Hz
Ultraschall-Schweißgeräte
2 - 3,5·104 Hz
Elektromagnetische Wellen
Hochfrequente EM Felder
•
•
•
•
Radio und Fernsehen:
Mobilfunk:
Radar:
Mikrowellen:
3·104 - 3·108 Hz
3·108 - 2·109 Hz
3·108 - 3·109 Hz
3·108 - 3·1011 Hz
5
Elektromagnetische Felder: Frequenzbereiche
Elektromagnetische Wellen
Was ist Elektrosmog ?
Dauerexposition des Menschen
durch künstlich erzeugten
ektrischen und magnetischen
Wellen
6
Risiken für den Menschen
bei Dauerexposition
•
•
•
•
•
•
Erhöhte Zellteilungsgeschwindigkeit
Beeinträchtigung des Immunsystems
Erhöhung der Krebserkrankungen
Fehlbildung bei Embryonen
Veränderung der biologischen Abläufe
Beeinflussung von Herzschrittmachern
Risiken für den Menschen
bei Dauerexposition
•
•
•
•
•
•
Schwindelerscheinungen
Augenflimmern
Schlappheit
Übelkeit
Schlafstörungen
Beeinträchtigung der Lernfähigkeit
• im Brennpunkt: Mobilfunkstationen >
900 MHZ
7
Grenzwerte: Elektrische Felder
Einhaltung von Grenzwerten
am Beispiel von Haushaltsgeräten
Feldstärke [V/m]
10000
1000
100
max. Werte
BfS
10
EPA-Vorschlag
1
Baubiologie
0,
5m
0,
5m
Fe
rn
se
he
r
Kü
hl
sc
hr
an
k
0,
5m
To
as
0,
05
te
r
m
He
iz
de
ck
e
0,
3m
0,
Fö
5m
n
St
au
bs
au
0,
ge
3m
r
Bü
ge
le
is
en
0,1
Geräte
Grenzwerte: Magnetische Felder
1000
100
max. Werte
10
BfS
EPA-Vorschlag
1
Baubiologie
0,1
0,
5m
Fe
rn
se
he
r
Kü
hl
sc
hr
an
k
0,
5m
To
as
0,
05
te
r
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He
iz
de
ck
e
0,
3m
0,
Fö
5m
n
St
au
bs
au
0,
ge
3m
r
Bü
ge
le
is
en
0,01
0,
5m
magn. Flußdichte [µT]
Einhaltung von Grenzwerten
am Beispiel von Haushaltsgeräten
Geräte
8
Elektromagnetische Wellen
Chance von High Tech Textilien ?
• Schutz von Mensch
• Schutz von Geräten / Funktionen
• Schutz vor Spionage
Elektromagnetische Wellen
Aufgaben der Textilentwicklung
•
•
•
•
•
Grundlagenforschung
Materialentwicklung
Produktentwicklung
Zusammenarbeit Industrie/Institute
Zertifizierung von Materialien /
Systemen
9
Einsatzbereiche für Textilien
• Räume:
• Medizin und Pharmaindustrie
• Labor
• Elektronik und EDV-Anlagen
• Privathaushalte
• Schutzkleidung für starke berufliche
Exposition
• Bekleidungstextilien für Beruf, Freizeit, Sport
• Vorhänge, Betthimmel und Decken für den
Heimbereich
• Faserverbund: Mobile Fahrzeuge
Textile Produkte
•
•
•
•
•
•
•
•
Gewebe für Schutzkleidung
Tapeten
Vorhänge
Boden- und Deckenbeläge
Schutzhüllen für elektrische Geräte
Ummantelung für Gehäuse und Kabel
Verpackungsmaterialien
Faserverstärkte Produkte
10
Reinraumoverall für die
Elektronikindustrie
(WZB)
HF-Schutzanzug
(Autoflug)
11
Abschirmgewebe für Heimbereich
Abschirmsysteme für Betttextilien
Einlagen
für
- Matratzenbezug
- Zudecke
(Gebr.
Sanders)
12
Prüfverfahren und Normen
für Flächengebilde
Messung am textilen Flächengebilde
• ITV-Prüfverfahren: Schirmdämpfung bei
niederfrequenten EMF
• 10 Hz - 30 MHz
• Military Standard MIL-STD-285
Messung am Endprodukt
• DIN 32780-100 (Entwurf)
• HF-Schutzkleidung
• 30 MHz - 1 GHZ
• anwendungsbezogene Test (ohne Normung)
Geschirmte
Räume
erforderlich
13
ITV-Prüfvorrichtung
Bestimmung der
Schirmdämpfung bei
niederfrequenten
elektromagnetischen
(elektrischen und
magnetischen)
Feldern
Prüfung nach MIL-Standard 285
HF-Absorber an Wand
Metall
Messobjekt
Empfangsantenne
Sendeantenne
14
Prüfung nach DIN 32780-100
Textile Werkstoffe
Materialien gegen elektrische Felder:
• Elektrisch leitende Werkstoffe
(Edelstahl, Silber, Nickel, Kupfer, Gold,
Carbon)
Materialien gegen magnetische Felder:
• ferromagnetische Werkstoffe
15
Textile Werkstoffe
Werkstoffe für textile Anwendung:
• Metallfaserbeimischung in Spinngarnen
• Metallfaden, silberbeschichtet
• Metallfaden, umsponnen
• Umwindegarn mit leitfähiger Seele
• Zwirne mit Metallfilamenten
• in Entwicklung: leitfähige Polymere
Textile Flächen:
• Beschichtungen auf Gewebe/Gestricke/Gelege
• Verbundwerkstoffe, z.B. mit Netzeinlage
Textile Werkstoffe
Leitfähige Filamente
Z-Typ
M-Typ
16
Textile Werkstoffe
Leitfähige Filamente
K-Typ
S-Typ
Textile Werkstoffe
Leitfähiges Filament mit Metallbeschichtung
17
Textile Flächen
Gewebe
mit
leitfähigem
Garn
(ELG)
Textile Werkstoffe
Anforderungen in Textilien:
• Verarbeitbarkeit
• textiler Touch, Softness
• Vermeidung allergischer Reaktionen (Nickel)
• Körperverträglichkeit (Dienstleistung ITV)
• Pflege, Waschbarkeit
• positiv: antistatische Wirkung
(Berufsbekleidung)
18
Abschirmwirkung
PES-Textilien mit und ohne ELG
100
elektr. Feldstärke [V/m]
90
80
70
Referenz
60
S-Typ
50
K-Typ
40
Z-Typ
30
20
10
0
0,01
0,1
1
10
100
Generatorfrequenz [kHz]
Abschirmwirkung
• Berechnung der Abschirmung
• D = 20 lg ( Eohne / Emit )
• Maßeinheit für die Schirmung:
Dezibel (dB)
• 20 dB
• 40 dB
• 60 dB
• 80 dB
90
% Schirmung
99
% Schirmung
99,9 % Schirmung
99,99 % Schirmung
19
antistatische und schirmende Wirkung
Leitfähige Garne (Stahl und Kohlenstoff):
• für antistatische Schutzbekleidung
• Abstand 5 * 5 mm ergibt
• 20 dB Abschirmwirkung gegen
niederfrequenten elektrischen Felder
• nicht gegenüber magnetischen Feldern
Schirmdämpfung gegenüber elektrischen Feldern
sc
hir
m
40
35
30
25
isc
h
20
15
10
5
0
0,01
an
tis
tat
Abschirmung [dB]
en
d
antistatische und schirmende Wirkung
Gestrick mit Silber-Metallgarnen
Gewebe mit Carbon(Kern)-Fasern
Gewebe mit Metallgarnen,a=8mm
0,1
1
Frequenz [kHz]
10
100
20
Schirmwirkung 100 - 2.000 MHZ
HF-Transmissionsdämpfung nach MIL-Standard 285, vertikal pol. Welle
Textilien
60
99,999%
99,99%
99,9%
99 %
90 %
Dämpfung in dB bzw. in %
99,9999%
50
40
Kupfergewebe,
verzinnt
30
Feinsilbergewebe
20
textiles
Schirmgewebe
10
Bw-Gewebe mit
Metallfäden
0
100
300
500
700
900 1100 1300 1500 1700 1900
Frequenz in MHz
Messungen von Prof. Pauli und Dr. Moldan
Schirmwirkung 1 - 10 GHZ
HF-Transmissionsdämpfung nach MIL-Standard 285, vertikal pol. Welle
Textilien
60
99,999%
99,99%
99,9%
99 %
90 %
Dämpfung in dB bzw. in %
99,9999%
50
40
Kupfergewebe,
verzinnt
30
Feinsilbergewebe
20
textiles
Schirmgewebe
10
Bw-Gewebe
mit Metallfäden
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Frequenz in GHz
Messungen von Prof. Pauli und Dr. Moldan
21
Funktionelle Kombinationen
Kombination mit wearable electronics:
• Schutztasche für Elektronik (z.B. Handy)
• elektrische Signal- und Versorgungsbahnen:
gleichzeitig EMF-Schutz
Kombination mit medizinischen Funktionen:
• versilberter Faden gegen Neurodermitis ?
Versuchsprodukte der Fa. Kirson
A: Polyestergelege
mit leitfähiger
Beschichtung
B: Polyestergelege
Nullmuster
22
Versuchsprodukte der Fa. Kirson
C: Polyestergelege mit
leitfähigen Fasern
D: Glasgelege mit
leitfähigem Vlies
Versuchsprodukte der Fa. Kirson
Abstandsabhängiger Widerstand von
Flächengebilden
250 mm
100 mm
50 mm
10 mm
Widerstand in Ohm
1E+15
1E+12
1E+09
1E+06
1000
1
A
B
C
D
Material
23
Versuchsprodukte der Fa. Kirson
Schirmdämpfung gegenüber niederfrequenten elektrischen Feldern
100
Abschirmung [%]
80
60
A: PES-Gelege mit Rußanteil
40
B: PES-Gelege
C: PES-Gelege mit Edelstahl
20
0
0,01
0,1
1
10
100
Frequenz [kHz]
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
24
Zertifizierung von Materialien
es
Tex t
il-Prüfsiegel d
25
Schutzanzug
Abschirmwirkung
PES-Textilien mit und ohne ELG
100
Blindwert
elektr. Feldstärke [V/m]
90
80
70
Referenz
60
50
PES/COK2/1-fil-K8/10
PES/COK2/1-fas-F1%
40
30
20
10
0
0,01
0,1
1
10
Generatorfrequenz [kHz]
100
26
Versuchsprodukte der Fa. Kirson
Schirmdämpfung gegenüber niederfrequenten elektrischen Feldern
60
50
A: PES-Gelege mit Rußanteil
Abschirmung [dB
B: PES-Gelege
40
C: PES-Gelege mit Edelstahl
30
20
10
0
0,01
0,1
1
Frequenz [kHz]
10
100
27
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