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 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 0,01 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
