Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder

Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer
Felder
Field Analyzer System EFA-3 ( Wandel & Goltermann ) in der Messpraxis
mit vorhandener Software zur Messdatenauswertung
DIPLOMARBEIT
Institut für Elektrische Anlagen
an der
Technischen Universität Graz
Leiter der Abteilung: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Lothar Fickert
BETREUUNG: Dipl.-Ing. Dr.techn. Ernst Schmautzer
Dipl.-Ing. Andreas Abart
Vorgelegt von
Harald Holzmann
2004
Danksagung
Als erstes danke ich meinen Eltern und besonders meiner Gattin, die mir mein Studium
ermöglicht haben und mir immer den nötigen finanziellen sowie auch geistigen Rückhalt
gegeben haben.
Ein ganz besonderer Dank gilt meinen Betreuer Herrn Dipl.-Ing. Andreas Abart, der mir in
schwierigen Situationen bei Erstellung der Software
sehr behilflich war und in allen
Diskussionen viele wertvolle Ratschläge für meine Arbeit geben konnte.
Weiteres danke ich meinem Betreuer Herrn Dr. Ernst Schmautzer und
Herrn Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Lothar Fickert für die Korrekturen und Begutachtung
meiner Diplomarbeit.
Auch Herr Ing. Gössler war mir bei der Instandsetzung des Computers eine Hilfe.
Nicht zuletzt danke ich auch all meinen Studienkollegen und Freunden, die mir in meiner
Studienlaufbahn viel Unterstützung gegeben haben.
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite I
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1
2 Methode
3
2.1 Messprinzip
3
2.1.1 Arbeitsweise EFA3
3
2.1.2 Induktionsspule
7
2.1.3 Beschreibung der Sensoren
9
2.1.4 Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und magnetischer
Flussdichte B
15
2.1.5 Tatsächliche Anzeige der Vektorkomponenten der WFA-3
20
2.1.6 Sondenarten der EFA-3
22
2.1.7 Messbereichseinstellungen
25
2.1.8 Frequenzselektives Messen
27
2.1.9 Analog – Digital Umsetzer (Auflösung und Quantisierungsfehler)
32
2.1.10 Messgenauigkeit
34
2.2 Messwertübertragung auf Personalcomputer
36
2.2.1 Einsatzmöglichkeiten der Software FieldView
36
2.2.2 Bedienung der Oberfläche des Programms FieldView
39
2.3 Messung der magnetischen Flussdichte
44
2.3.1 Planung der Aufpunktebene unter Berücksichtigung der im Alltag üblichen
Aufenthaltsbereiche exponierter Personen
44
2.3.2 Einstellung des Frequenzbereichs des zu messenden Feldes
47
2.3.3 Festlegung der Parameter der Sonde EFA3 bei der Messung und
Zuordnung der Koordinaten in FieldView
47
2.3.4 Praktische Hinweise zur Positionierung des Sensors an den Aufpunkten
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48
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Inhaltsverzeichnis
2.3.5 Grafische Ausarbeitung der Messdaten mit Hilfe des Microsoft Excel
Programms „Datahelp 2000“
52
2.3.6 Grenzwerte und Tabellen
56
2.3.7 Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
58
2.3.8 Messungen
59
3 Messungen an Geräten des täglichen Gebrauchs
63
3.1
Bohrmaschine 500W
63
3.2
Monitor Philips 107 S
68
3.3
Wofi Halogen- Leuchte
79
3.4
Steckernetzteil
83
3.5
Haarföhn
87
3.6
Stichsäge
91
3.7
Haarschneider
95
3.8
Kaffeemaschine
99
3.9
Wasserkocher
104
3.10 Radiowecker
108
3.11 Vergleich gemessene magnetische Flussdichten von diversen Geräten
mit bekannten Werten aus Tabellen
112
4 Zusammenfassung
113
5 Literatur
115
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Einleitung
1
Einleitung
Mit dem weit verbreiteten und immer noch zunehmenden Einsatz von elektrischen Anlagen
hat sich die elektromagnetische Umwelt des Menschen wesentlich verändert. Neben den seit
jeher vorhandenen natürlichen Feldern hat die Stärke der vom Menschen erzeugten elektromagnetischen Felder in der Umwelt, im Wohnbereich und an Arbeitsplätzen innerhalb kurzer
Zeit erheblich zugenommen.
In der Öffentlichkeit ist die Meinung verbreitet, dass diese Felder für den Organismus schädlich sein könnten. Dass diese Felder im Allgemeinen unseren Sinnen nicht direkt zugänglich
sind, sondern gemessen bzw. berechnet werden müssen, fördert die Verunsicherung.
Seit einiger Zeit wird in vielen Staaten intensiv wissenschaftlich untersucht, ob und unter
welchen Umständen eine Gefährdung durch die Wirkungen elektromagnetischer Felder vorliegen kann. Für die in der Umwelt und im Wohnbereich häufig vorkommenden niedrigen
Feldstärken gibt es aber vor allem im Hinblick auf chronische Wirkungen sehr viele Widersprüchlichkeiten bei den durchgeführten Untersuchungen deren Befunde zu Meinungsverschiedenheiten Anlass geben.
Diese Diplomarbeit befasst sich mit der computerunterstützten Messung niederfrequenter
magnetischer Felder in der unmittelbaren Umgebung von Geräten des täglichen Gebrauchs in
einem Bereich von 5 Hz bis 30 kHz.
Im ersten Teil der Arbeit wird die Bedienung des Feldanalysators EFA-3 von der Firma Wandel & Goltermann, einschließlich Messgenauigkeiten der internen und den beiden externen
Sonden zur Messung der magnetischen Flussdichte beschrieben.
Das Feldanalysatorsystem EFA-3 misst die magnetische Flussdichte und elektrische Feldstärke im Niederfrequenzbereich für die Sicherheit in der Öffentlichkeit und an Arbeitsplätzen. Es
ist optimiert für die Anwendung zum Schutz von Personen, wie in den Empfehlungen der
ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection), der WHO (Weltgesundheitsorganisation) und vielen nationalen Gremien (VDE, NRPB, IEEE u.a) veröffentlicht. Die Besonderheiten des Systems liegen in der spektralen Auswertung der Feldkomponenten, der gleichzeitigen isotropen Messung der magnetischen Flussdichte und des elektrischen Feldes sowie in der bisher unerreichten Präzision für Handmessgeräte und den nachweislich auf nationale Normalien rückführbaren technischen Daten.
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Einleitung
Neben einer eingebauten dreidimensionalen Magnetfeldsonde und externen E-Feldsonde stehen Präzision-H-Feldsonden nach VDE und IEC Standard (A=100 cm2) und in Miniausführung (Ø =3 cm)zur Erfassung lokaler Magnetfelder auf kleinstem Raum zur Verfügung [6],
[19].
Im zweiten Teil wird die am Institut für Elektrischen Anlagen entwickelte Software „FieldView“, welche eine Messwertübertragung auf Personalcomputer ermöglicht, sowie deren
praktischer Einsatz dargestellt.
Weiteres werden die Messdaten über die vom Institut für Elektrischen Anlagen zur Verfügung
gestellte Software „Datahelp 2000“ grafisch ausgewertet, welche eine 2-dimensionale Darstellung der magnetischen Flussdichte ermöglicht.
Im dritten Teil wird mit Hilfe eines „Microsoft Excel Programms“ die Charakteristik der Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte von verschiedenen Quellen in Abhängigkeit
von der Entfernung berechnet und mit den Messdaten aus Tabellen und Literatur verglichen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist einerseits die Beschreibung des Messgerätes EFA-3, der
Einsatz der vorhandenen Software und andererseits die grafische Darstellung der magnetischen Flussdichte in der unmittelbaren Umgebung von Geräten des täglichen Gebrauchs, sowie die Beurteilung der Messergebnisse.
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Methode
2
Methode
2.1
Messprinzip
2.1.1 Arbeitsweise EFA-3
Der Feldanalysator EFA-3 (Elektromagnetic Field Analyzer) , (Abb.2-1) von der Firma Wandel & Goltermann entwickelt, ist ein Gerät zur Messung und Überwachung niederfrequenter
magnetischer Flussdichten und elektrischer Feldstärken im Bereich von 5 Hz bis 30 kHz
(3dB).
Abb.2-1 Feldanalysator EFA-3
Der EFA3 verfügt eine eingebaute dreidimensionale Magnetfeldsonde, die es mit geringem
Aufwand ermöglicht magnetische Flussdichten zu messen. Trotz der kleinen Abmessungen
beträgt die Genauigkeit der Messung noch 8 % einer magnetischen Flussdichte größer gleich
500 nT bei einem Frequenzbereich von 50 Hz bis 5 kHz bzw. mit eingestelltem Breitbandfilter von 5 Hz bis 30 kHz.
Die Grundanzeige durch Eigenrauschen in diesem Filterbereich liegt bei 50 nT.
Daher ist bei der Breitbandmessung der eingebaute Frequenzzähler eine wesentliche Hilfe,
um den größten Felderzeuger identifizieren zu können.
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Methode
Die Selektivfilter ermöglichen eine detaillierte Auswertung des Feldes. Bei eingestellten Selektionsfiltern von kleiner gleich 400 Hz verringert sich die Grundanzeige durch Eigenrauschen auf 5 nT.
Bedien- und Anzeigeelemente
In diesem Abschnitt werden die wichtigsten LCD Anzeigeelemente des Gerätes EFA3 dargestellt und deren Funktionen in einer Tabelle kurz zusammengefasst.
Abb.2-2 Feldanalysator EFA-3 [6]
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LCD-Anzeige
Elemente
B
435.87
µT
mG
Frequency
X:62% Y: 0%
Z: 38%
Y - ONLY
Rote LED
Funktion
Anzeige des Sonden-Typs, wird automatisch
erkannt. B=Magnetfeld
Digitale Anzeige der ermittelten Ersatzflussdichte
Maßeinheit
Anzeige nT, µT, mT: magnetische Flussdichte
Anzeige mG, G: magnetische Flussdichte
Im Untermenü CONFIG/MEASMODE lässt sich die
Einheit wechseln.
Analoge Messwertdarstellung für Tendenzbeobachtungen, im festen Range linearer Maßstab und im Autorange logarithmischer Darstellung. Der Maximalwert
wird durch eine getrennte Marke angezeigt.
Die Frequenz des Signals mit dem größten Pegel wird
bei der Breitbandmessung angezeigt.
Anzeige der Feldkomponenten. Im Untermenü
CONFIG/MEASMODE lässt sich die Dimension von
ISOTROP (dreiachsig) auf Y-ONLY (einachsig)
umschalten.
Optische Alarmanzeige. Sie blinkt während des
Selbsttests und wenn bei eingeschaltetem Alarm die
Alarmschwelle überschritten wurde.
Akustische Alarmanzeige durch eingebauten
Signalgeber. Er ertönt, solange die Alarmschwelle
überschritten ist und wenn der Messwert die
Messbereichsgrenze überschreitet.
Im Messmenü Auswahl des Messbereichs
F1
F2
F3
F4
Wechsel der Detektion zwischen echtem Effektivwert
(RMS) oder Spitzenwertgleichrichtung (PEAK)
Wechsel zwischen dem aktuellen Messwert (LIVE)
und dem größten Messwert (MAX HOLD) seit dem
Wechsel.
Auswahl des Messfilters. Es stehen Breitband und
Selektivfilter zur Verfügung.
UP-Taste
Steptaste für Zahleneingabe oder Auswahl aus Menüs.
DOWN-Taste
Steptaste für Zahleneingabe oder Auswahl aus Menüs.
Verschiebt die Stelle der Eingabe eines numerischen
Parameters oder Exponenten nach rechts.
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Methode
Elemente
Funktion
Kontrast
Diese Taste schaltet die Kontrastfunktionen ein.
Der Kontrast lässt sich mit den UP/DOWN Tasten
verändern. Wichtig: Taste Kontrast und UP/DOWN
nicht gleichzeitig drücken, da sonst das Gerät nicht
reagiert.
Schaltet für 1 min die Hinterleuchtung der Anzeige
ein. Durch erneutes Drücken vor der automatischen
Abschaltung der Beleuchtung wird diese manuell wieder ausgeschaltet.
Gerät ein- und ausschalten.
Reset des Gerätes, wenn die Taste länger als 3 s gedrückt wird.
Bei gedrückter CONF-Taste wird die Grundstellung
des Gerätes aufgerufen.
Rücksprung aus einem Untermenü in die nächsthöhere
Ebene.
Änderung einer Zahleneingabe verwerfen.
Änderung einer Auswahl verwerfen.
Aufruf eines Untermenüs.
Bestätigen einer Auswahl, wenn es mehr als zwei
Wahlmöglichkeiten gibt.
Wechsel zwischen den zwei Möglichkeiten einer
Funktion.
Öffnen der Eingabe eines numerischen Wertes.
Änderung eines numerischen Wertes bestätigen.
Aufruf des Menüs Konfiguration. In diesem Menü
werden die Funktionen
- Alarm
- Maßeinheit und Messdimensionen der Sonde
- serielle Schnittstelle
- Datenübertragung und das Service-Untermenü
(SW/HW-Stand) aufgerufen.
- Einstellung der Uhrzeit und Datum
ON
OFF
ESC
ENTER
CONF
Aufruf des Messmenüs mit Messwertanzeige.
MEAS
Aufruf des Menüs zur Speicherung von Messwerten:
- Manuelle Speicherung
- Automatische Messwertaufzeichnung
- Darstellung gespeicherter Daten
- Übertragen gespeicherter Daten über die optische
Schnittstelle.
- Löschen des Speichers.
Aufruf des Menüs zur Speicherung bzw. Aktivierung
gespeicherter Daten
MEM
USER
Tabelle 2-1 Die Elemente der Messanzeige (Quelle:[6])
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2.1.2 Induktionsspule
Für die Messung magnetischer Wechselfelder im Frequenzbereich von 5 Hz bis 30 kHz ist ein
Sensor basierend auf dem Induktionsprinzip ausschließlich zur Aufnahme von Wechselfeldern geeignet. Nach dem Induktionsgesetz wird in einer Leiterschleife dann eine Spannung
induziert, wenn sich das durch die Leiterschleife hindurchdringende Magnetfeld ändert.
(Quelle:[3])
r
r
∫ E ⋅ dl
=−
l
d r r
B ⋅ dA
dt ∫A
(Gl. 1)
r
B … magnetische Flussdichte [T]
r
E ... elektrische Feldstärke [V/m]
r
A .... Querschnittsfläche der Spule[m2]
Entsprechend dem Induktionsgesetz liegt an den Klemmen einer Spule eine dem wirksamen
Fluss und der Windungszahl proportionale Spannung (Gl.2).
uind = − N ⋅
dΦ
dt
(Gl. 2) u ind .. Spannung [V]
Φ … magnetischer Fluss [Vs]
N … Windungszahl der Spule
Die an den Klemmen abgreifbare Spannung entspricht der Ableitung des magnetischen Flusses durch die Spule nach der Zeit. [4]
r
r
B( t ) = Bˆ 0 ⋅ sin(ω ⋅ t + ϕ )
(Gl. 3)
r
B(t ) .. Flussdichte im Aufpunkt
r
B̂0 … Spitzenwert der Flussdichte
ϕ …. Phasenwinkel
ω ….Kreisfrequenz
ω = 2πf
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Im quasistationären magnetischen Feld ergibt sich durch die differentielle Abhängigkeit (innere Ableitung) eine der Frequenz des Feldes proportionale Spannung.
uind = − N ⋅
r r
d ( ∫ B ⋅ dA)
r r
B
∫ ⋅ dA ≈ B ⋅ A
uind = − N ⋅ A ⋅
dt
d ( B0 ⋅ sin(ω ⋅ t + ϕ )
dt
uind = − N ⋅ B0 ⋅ A ⋅ ω ⋅ cos(ω ⋅ t + ϕ )
(Gl. 4)
(Gl. 5)
(Gl. 6)
(Gl. 7)
[1]
Ein Magnetfeld, das senkrecht durch eine Spule hindurchtritt, induziert in der Spule eine
Spannung und nach GL. 8 gilt für den Effektivwert:
uind = N ⋅ 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ B ⋅ A
(Gl. 8)
f ......Frequenz
Bei hochohmigem Abschluss der Spule kann durch messen der induzierten Spannung an den
Abmessungen, Windungszahl und der Geometrie der Spule die magnetische Flussdichte ermittelt werden.
B=
uind
N ⋅ 2 ⋅π ⋅ f ⋅ A
(Gl. 9)
Wie aus der Gleichung (Gl. 8) hervorgeht, ist die induzierte Spannung in einer Spule nicht nur
von der magnetischen Induktion, sondern auch von der Frequenz abhängig, d.h. sie steigt linear mit der Frequenz an. Um die induzierte Spannung von der Frequenz unabhängig zu machen, muss der Frequenzgang der Spule durch ein entsprechendes Integrationsglied kompensiert werden. Durch Bandpassverhalten höherer Ordnung wird für die Unterdrückung der Bewegungsinduktion im Erdmagnetfeld und die Begrenzung auf den niederfrequenten Bereich
gesorgt. Die Abschirmung der Spule sollte gut ausgeführt werden, da bei hohen Feldstärken
durch kapazitive Ankopplung Störsignale das Messsignal überlagern können.
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2.1.3 Beschreibung der Sensoren
Im Allgemeinen besteht eine Magnetfeldsonde aus einer Zylinderspule mit mehreren Wicklungen, einem Verstärker mit Frequenzgangkorrektur und einem Spannungsmesser. In der
Praxis würde eine korrekte Messung so aussehen, dass die Sensorspule solange gedreht wird,
bis sich das Maximum der Induktionsspannung ergibt. Erst dann ist der Sensor so ausgerichtet, dass er zum resultierenden Feldvektor normal steht. Die induzierte Spannung ist abhängig
von der wirksamen Fläche der Spule, die durch Einführung eines Winkels beschrieben werden kann: U ind ≈ cos ϕ . Wird die Spule genau senkrecht zum Feld ausgerichtet, ist der Winkel gleich null und somit cos ϕ = 1 , sodass die gesamte Spulenfläche wirksam ist. Die cos-
förmige Abhängigkeit der Fläche bedeutet, dass kleine Abweichungen auch nur relativ kleine
Fehler verursachen.
Y
X
Kennzeichnung der Y-Spule
Z
Feldlinien in
Y-Richtung
Abb.2-3a Seitenansicht des EFA-3 mit der Richtung der Y-Messspule
(siehe Abb.2-3b)
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Um die magnetische Flussdichte bei einer einachsigen Messung in einem beliebigen Aufpunkt zu messen gibt es zwei Möglichkeiten. Die eine Möglichkeit besteht durch Ausrichten
der Spule bis der Maximalwert erreicht wird und die zweite Möglichkeit wäre die Aufnahme
der Messwerte von drei zueinander orthogonalen Ausrichtungen (Bildung des Betrages aus
den Komponenten). Voraussetzung für die Durchführung dieser beiden Verfahren ist, dass
das zu messende Feld für die Dauer der Messung quasistationär ist.
Nach den theoretischen Grundlagen wird ein stationäres magnetisches Feld an einem beliebigen Aufpunkt mit den Koordinaten X, Y und Z durch seine Vektorkomponenten beschrieben
(Vektorfeld). Für den Fall eines quasistationären, periodischen Feldes ändern sich die Komponenten des Vektorfeldes periodisch.
In der Praxis unterliegt die Messgröße in Niederspannungsanlagen zeitlichen starken Schwankungen, sodass es schwer möglich ist die Spule auf den maximalen Ausschlag einzurichten.
Bei der einachsigen Messung wird nur das Ergebnis der Y-Feldkoordinate angezeigt.
Diese Messung ermöglicht die einfache Ausrichtung der Sonde auf den maximalen Flussdichtevektor oder zum Lokalisieren von Leckstellen und versteckten Störquellen.
Eine wesentlich bessere Methode der Feldmessung bieten die so genannten isotropen Sonden,
bei denen drei Spulen senkrecht zueinander angeordnet sind. ( Abb. 2.3b)
Abb.2-3b Anordnung der drei Spulen (Quelle: [8])
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Methode
Die magnetische Feldstärke kann durch ein Vektorfeld beschrieben werden. Der Vektor in
einem Punkt des Raumes ergibt sich aus der Überlagerung mehrere Felder, die sich zeitabhängig in Stärke, Richtung, Frequenz und Phasenlage unterscheiden können. In einem kartesischen Koordinatensystem wird die magnetische Feldstärke daher aus folgenden drei Feldkomponenten beschrieben. (Gl.10).
r
r
H x (t ) = H x e x cos(ωt + ϕ x )
r
r
H y (t ) = H y e y cos(ωt + ϕ y )
r
r
H z (t ) = H z e z cos(ωt + ϕ z )
r
e x … Einheitsvektor in X-Richtung
r
e y … Einheitsvektor in Y-Richtung
r
e z … Einheitsvektor in Z-Richtung
r
H x .. Feldstärkevektor in X –Richtung
r
H y …Feldstärkevektor in Y –Richtung
r
H z …Feldstärkevektor in Z –Richtung
(Gl.10)
Mithilfe der Beziehung
cos(ωt + ϕ ) = cos(ωt ) cos(ϕ ) − sin(ωt ) sin(ϕ )
(Gl.11)
ergibt sich für das Gesamtfeld:
r
r
r
r
H (t ) = H x (t ) + H y (t ) + H z (t )
r
r
r
= cos ωt[ H x e x cos ϕ x + H y e y cos ϕ y + H z e z cos ϕ z ]
r
r
r
− sin ωt[ H x e x sin ϕ x + H y e y sin ϕ y + H z e z sin ϕ z ]
r
r
= H 1 cos ωt − H 2 sin ωt
(Gl.12)
Diese Gleichung (Gl.12) zeigt, dass die Spitze des Vektors der magnetischen Feldstärke eine
r
r
r
Ellipse beschreibt, die in der Ebene liegt, die von Vektoren H 1 und H 2 aufgespannt wird. H 1
r
und H 2 sind nicht identisch mit der kleinen und großen Halbachse der Ellipse (Abb.2-3c).
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Y
r
− H sin ω t
2
ω
r
H
(t )
r
H cos ωt
1
r
H sin ω t
2
X
Z
Abb.2-3c Umlauf des Feldstärkevektors bei einem elliptisch polarisierten Feld ( ωt = 0.969 )
Man spricht deshalb von einem elliptisch polarisierten Feld, weil die Spitze des Feldvektors
eine Ellipse im Raum beschreibt. Jedes Feld, bei dem nur Feldkomponenten mit einer Frequenz vorhanden sind, ist somit elliptisch polarisiert.
Die lineare und die zirkulare Polarisation können als Sonderfälle der elliptischen Polarisation
betrachtet werden.
Ändert der Feldstärkevektor seine Richtung nicht (Phasengleichheit der drei Vektorkomponenten) so spricht man von einer linearen Polarisation. Für den Fall der linearen Polarisation
ist die Ersatzfeldstärke H e ist gleich dem Betrag der magnetischen Feldstärke H e . Diese Ersatzfeldstärke setzt sich aus dem quadratischen Mittelwert der drei Vektorkomponenten zusammen (Gl. 13).
H e = H x2 + H y2 + H z2
(Gl.13)
Deshalb kommt es bei linearer Polarisation nicht darauf an, wie der Sensor zur Feldrichtung
orientiert ist, wenn er das magnetische Feld korrekt in seine drei orthogonalen Komponenten
zerlegt. Da in diesem Fall die Ersatzfeldstärke H e gleich dem Betrag der magnetischen Feldstärke ist, wird dieser Sensor immer die richtige Feldstärke H e messen. Durch die Bildung des
quadratischen Mittelwertes aus den drei Vektorkomponenten ist ein solcher Sensor bei linearer Polarisation ideal isotrop.
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Die Messung der Phasen und Phasendifferenzen kann entfallen. Die Vernachlässigung der
Phaseninformation hat nur Konsequenzen bezüglich der genauen Beschreibung des magnetischen Feldes. Wird ein solcher Sensor in einem elliptisch polarisierten Feld eingesetzt, so
liefert dieser, aufgrund der Vernachlässigung der Phasenbeziehungen, zu große Werte.
Am Display des Feldanalysators EFA3 wird die prozentuelle Anzeige der einzelnen Feldkomponenten angezeigt. Die prozentuelle Anzeige der einzelnen Vektorkomponenten bezieht
sich auf das Verhältnis des Quadrates der jeweiligen Komponente zu der Summe der einzelnen Quadrate aller Komponenten.
X x (%)
H x2
= 2
100
H x + H y2 + H z2
(Gl.14)
Die Bestimmung der Absolutgröße einer Komponente aus der angezeigten Ersatzfeldstärke
(Gl.13) kann folgendermaßen durchgeführt werden:
Hx = He ⋅
X x (%)
100
(Gl 15)
Eine solche Sonde zur Messung des magnetischen Feldes besteht im Wesentlichen aus drei
senkrecht zueinander stehenden Induktionsspulen (Abb. 2-3b), die alle die gleiche Fläche
aufweisen. Bei der dreidimensionalen Anordnung kommt noch ein weiterer Einfluss auf die
Messgenauigkeit hinzu, nämlich die exakte Ausrichtung der drei Spulen zueinander. Stehen
diese nicht exakt senkrecht aufeinander, wird das Messergebnis aufgrund des dadurch entstehenden Isotropiefehlers ungenau. Im Gegensatz zur eindimensionalen Messung des Feldes
geht nun eine Spule mit der Genauigkeit proportional cos α und die dazu senkrecht stehende
aber proportional sin β in den Messfehler ein. (siehe Abb. 2-4) Der Fehlerwinkel α sei hier
durch falsche Ausrichtung des Sensors entstanden. Der Winkel, der den Isotropiefehler verursacht, ist dann β − α . Bereits geringfügige Abweichungen von der idealen Spulenstellung
zueinander verursachen unter Umständen Messfehler, die in der Größenordnung von 1% bis
2% und mehr liegen. Aus diesem Grund sollte man beim Vergleich von Messgeräten darauf
achten, unter welchen Voraussetzungen die Kenndaten eines Messgerätes zutreffen.
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Bei Fehlerangaben bezüglich eindimensionaler Messeinrichtungen fällt der Isotropiefehler
gänzlich aus der Fehlerrechnung heraus.
Der Isotropiefehler macht sich dadurch bemerkbar, dass sich durch Drehung der Sonde in
einem Aufpunkt des Feldes der Wert der Ersatzfeldstärke ändert.
B-Feld
Y
α
β
X
α≠β
Abb.2-4 Isotropiefehler durch fehlerhafte Ausrichtung der Spulen
Ein nicht zu vernachlässigender Punkt ist die Abschirmung eines Magnetfeldsensors gegenüber elektrischer Feldeinwirkung. Wird ein Magnetfeld bei Vorhandensein von elektrischen
Feldern gemessen, so kann dies bei unzureichender Abschirmung zu derart großen Messfehlern führen, dass das Messergebnis unbrauchbar ist [2], [11].
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2.1.4 Zusammenhang zwischen magnetischer Feldstärke H und magnetischer
Flussdichte B
Magnetismus hat seine Ursache in bewegten elektrischen Ladungen und wirkt auf elektrische
Ladungen. Es gibt keine magnetischen Ladungen. Zur einfachen Behandlung der im Zusammenhang mit gleichförmig bewegten Ladungen auftretenden Kräfte wurde die magnetische
r
r
r
r r
Feldstärke H und die magnetische Flussdichte B eingeführt: F = q(v × B) (Lorentzkraft).
Die Einheit der magnetischen Feldstärke wird in Stromstärke pro Meter [A/m] angegeben.
r
Stromdurchflossene Leiter werden von einem magnetischen Feld H bzw. von einer magnetir
schen Flussdichte B umgeben (Abb.2-5a).
Abb.2-5a Darstellung des Verlaufs der magnetischen Feldstärke bzw. der magnetischen
Flussdichte eines stromdurchflossenen Leiters (Quelle: [9])
Daraus folgt, dass Ringströme einen magnetischen Dipol erzeugen (Abb.2-5b).
Abb.2-5b Ringstrom (Quelle: [9])
Die magnetischen Feldlinien sind immer geschlossene Linien und verlaufen vom Nordpol
zum Südpol (Abb.2-5c)
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Abb. 2-5c Magnetfeld stromdurchflossener Spulen (Quelle: [9])
r
Es wird zur Beschreibung der Stärke des magnetischen Feldes die magnetische Flussdichte B
mit der Einheit Tesla [T] verwendet.
Abb.2-6a Spule mit Luftspalt
Abb.2-6b Spule mit Materie
(Quelle: [9])
r
Der stromdurchflossene Leiter erzeugt eine magnetische Feldstärke H und die Dichte der
r
magnetischen Feldlinien wird durch die magnetische Flussdichte B angegeben.
Der Zusammenhang zwischen der magnetischen Flussdichte und der magnetischen Feldstärke
bei einer Luftspule Abb.2-5a wird durch die Beziehung (GL.16) beschrieben.
r
r
B = µ0 ⋅ H
(imVakuum)
(GL.16)
µ 0 … absolute Permeabilität oder
Permeabilität des Vakuums
µ 0 ≈ 4π ⋅ 10 −7 Vs / Am
Wird Materie in das magnetische Feld gebracht, kann sich die Dichte der magnetischen Feldlinien sehr verändern (Abb.2-6b).
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Nun gilt das Ampe`resche Gesetz für alle Ströme (Gl.17a):
r r
r
∇ × B = µ0 J
(Gl. 17a)
r
J
r
∇
Elektrische Stromdichte
Nabla Operator
Folgende Stromdichtekomponenten können unterschieden werden (Gl.17b):
r r
r
J = J Trans . + J Mag .
(Gl.17b)
r
J Trans. Transportstrom, von außen
aufgeprägt, Spule usw.
r
J Mag . Mikroskopische Ströme in
Anwesenheit des Magnetfeldes
Die mikroskopischen Ströme bestimmen das magnetische Verhalten eines Stoffes. Man definiert das Feld der Magnetisierung durch (GL.17c.).
r r r
∇ × M = J Mag .
(Gl.17c)
r
M …Magnetisierungsvektor
Einsetzen in das Ampe`resche Gesetz ergibt (GL.17d):
r
r
r
∇ × B = µ 0 ( J Trans . + ∇ × M )
r
r
r
B
⇒ ∇ × ( − M ) = J Trans .
Gl.17d)
µ0
r
r
r
B
−M
H=
µo
(Gl.17e)
Nun wird durch (Gl.17e) ein neues Feld definiert, dessen Ursache die makroskopischen
Transportströme sind, denn es ist jetzt (GL.17f):
r r r
∇ × H = J Trans .
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(Gl.17f)
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Methode
r
Häufig findet man experimentell, dass die Magnetisierung M proportional zu dem durch die
Transportströme erzeugtem Feld ist (GL.17g).
r
r
M = χmH
(Gl.17g)
χ m …magnetische Suszeptibilität
Die magnetische Suszetibilität ist eine Materialkonstante und beschreibt das Bestreben der
magnetischen Dipole, sich im Feld auszurichten. Damit folgt (Gl.17h):
r
r
r
B
− χmH
H=
µ0
r
r
r
B = µ 0 (1 + χ m ) H = µ 0 ⋅ µ r ⋅ H
(Gl.17h)
µ r … relative Permeabilität
Die Permeabilität µ r eines Materials hängt also direkt mit der Suszeptibilität χ m über
µ r = 1 + χ m zusammen und sie kann größer oder kleiner als Eins sein.
Einteilung der magnetischen Werkstoffe
µr < 1
χm < 0
Diamagnetische Stoffe
µr > 1
χm > 0
Paramagnetische Stoffe
µ r >> 1
χ m >> 0
Ferromagnetische Stoffe
µ r ( Luft ) = 1
Hinsichtlich des Verhaltens der Stoffe im Magnetfeld unterscheidet man drei Arten von
Stoffen
•
Diamagnetische Stoffe ( χ m < 0 ) werden von Magnetfeldern abgestoßen. Die Dichte der Feldlinien ist in ihrem Innern kleiner
als im freien Raum (Abb.2-6c), z.B. Cu, Pb.
•
Paramagnetische Stoffe ( χ m > 0 ) werden von äußeren Magnetfeldern angezogen. Die Dichte der Feldlinien ist in ihrem Innern
größer als im freien Raum (Abb.2.6d), z.B. Al, Cr, Mn.
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•
Ferromagnetishe Stoffe ( χ m >> 0 ) können selbst starke Magnetfelder hervorrufen und finden als Elektronenmagnete und
oder als permanente Magnete technische Anwendung, z.B. Fe,
Co, Ni, sowie viele Legierungen.
Abb.2-6c Diamagnetischer Stoff
Abb.2-6d Paramagnetischer Stoff
Wird Materie in das Magnetfeld gebracht, so lässt sich die dabei auftretende Veränderung der
r
magnetischen Flussdichte B durch diese Gleichung (Gl.17i) beschreiben.
r
r
B = µ0 ⋅ µr ⋅ H
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(Gl.17i)
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2.1.5 Tatsächliche Anzeige der Vektorkomponenten des Feldmessgerätes EFA-3
As Feldmessgerät EFA-3 bildet aus den Vektorkomponenten die quadratische Summe und
definiert diese für das Quadrat der Vektorkomponente als 100%. Die Komponenten werden
nach Gl.18 berechnet.
B x[%] =
B y[%] =
B z[%] =
B x2
⋅ 100[%]
B x2 + B y2 + B z2
B y2
B x2 + B y2 + B z2
⋅ 100[%]
(GL.18)
B z2
⋅ 100[%]
B x2 + B y2 + B z2
mit
Bx
… magn. Flussdichte in x-Richtung [T]
By
… magn. Flussdichte in y-Richtung [T]
Bz
… magn. Flussdichte in z-Richtung [T]
B x[%] … Angezeigter Anteil in x-Richtung in Prozent
B y[%] … Angezeigter Anteil in y-Richtung in Prozent
B z[%] … Angezeigter Anteil in z-Richtung in Prozent
Die in Gl.18 angegebenen Beziehungen sind die quadratischen Skalengleichungen für die
Vektorkomponenten.
Um aus den für die Komponenten angezeigten Prozentzahlen die tatsächliche Flussdichtewerte zu berechnen wendet man Gl.19 an.
~
~ B x[%]
Bx = B ⋅
100
~
~ B y[%]
By = B ⋅
100
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(GL.19)
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~
~ B z[%]
Bz = B ⋅
100
mit
~
B x …… Messergebnis für die Flussdichte in x-Richtung
~
B y …… Messergebnis für die Flussdichte in y-Richtung
~
B z …… Messergebnis für die Flussdichte in z-Richtung
~
B …… Messergebnis für die Ersatzflussdichte
Der kleinste Wert, den dieses Messgerät für das quadratische Verhältnis der Komponente zur
Länge des Vektors, der Ersatzflussdichte anzeigen kann, ist ein Prozent, da für die Prozentanzeigen die Einerstelle die letzte ist. Eingesetzt in die Gleichung bedeutet das aber, dass die
~
Werte unter 0,1 ⋅ B (10%) gar nicht angezeigt werden können. Zudem weisen die Komponen-
tenanzeigen ein Quantisierungsrauschen auf. Entsprechend der quadratischen Skalengleichung sind die absoluten Quantisierungsintervalle für im Vergleich zur Ersatzflussdichte kleine Vektorkomponenten größer als bei relativ größeren Vektorkomponenten.
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2.1.6 Sondenarten für das Feldmessgerät EFA-3
Das Feldmessgerät EFA3 bietet drei verschiedene Sonden zur Messung des magnetischen
Feldes im Frequenzbereich von 5 Hz bis 30 kHz bei einem Messbereich von 10 nT bis 10 mT
an. Es besteht die Möglichkeit das magnetische Feld ohne externen Sensor festzustellen, da
ein kleiner dreidimensionaler isotroper Sensor direkt in das Basisgerät eingebaut ist. Ist keine
externe Präzisionssonde angeschlossen, wird automatisch über diese interne Sonde gemessen.
Diese internen Sensorspulen sind so zueinander positioniert, dass das Gerät selbst auf die Isotropie einen möglichst kleinen Einfluss hat. Da z.B. die Anwesenheit von Batterien bzw. Akkus das magnetische Feld „verbiegen“, kann diese Feldverzerrung durch entsprechend Spulenanordnung zwar nicht eliminiert, aber minimiert werden. Durch Abschirmmaßnahmen gegenüber dem elektrischen Feld erreicht diese Anordnung immerhin eine Messgenauigkeit von
5%, was als sehr gut einzustufen ist.
Für die normgerechte Messung steht eine isotrope B-Feldsonde (Abb.2-7) zur Verfügung, die
nach VDE 0848-1 (Quelle:[15]) eine wirksame Spulenfläche von 100 cm2 hat. Gemäß der
Beziehung nach (Gl 8) ist die induzierte Spannung unter anderem proportional der Fläche des
Sensors. Dadurch werden mit dieser Präzisionssonde die höchste Messgenauigkeit von 2% bis
3% und die größte Empfindlichkeit erreicht.
Abb.2-7 B-Feldsonde mit 100 cm 2 Spulenquerschnitt
Der Isotropiefehler dieser dreidimensionalen Sonde liegt 0,5 % bis 1%.
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Schwierigkeiten bei der Reduzierung von Isotropiefehlern ergeben sich, wenn die Abmessungen eines Magnetfeldsensors klein werden, um diesen einerseits direkt in das Gerät einzubauen zu können oder eine kleine, laut Abb. 2-8, abgesetzte B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
verwendet wird, um Messungen an schwierig zugänglichen Stellen zu ermöglichen.
Abb.2-8 B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
Soll etwa dieser Sensor die gleiche Empfindlichkeit haben wie ein großer, so muss dieser aufgrund seiner geringen Querschnittsfläche (siehe Gl.8) wesentlich mehr Windungen pro Spule
erhalten. Wegen der erhöhten Windungszahl werden die kapazitiven Einflüsse drastisch steigen. Das bedeutet, dass dieser Sensor empfindlicher gegen elektrische Felder reagiert.
Ist ein solcher Sensor in einem Gerät eingebaut, so müssen die Umgebungseinflüsse (Gerätebauteile) mit in die Fehlerberechnung einbezogen werden.
Ebenso problematisch ist die rechtwinkelige Positionierung der Feldspulen, sodass sich hier
der Isotropiefehler gegenüber der großen B-Feldsonde mit 100 cm 2 Querschnittsfläche erheblich vergrößert. Nach Durchführung dieser Maßnahmen und der Schirmung gegenüber
dem elektrischen Feld liegt die Messgenauigkeit bei 4% bis 5%[11].
Die Angaben der Messgenauigkeit der internen Sonde und der kleinen externen Sonde mit
3 cm Durchmesser beziehen sich immer auf einen Frequenzbereich von 50 Hz bis 400 Hz, bei
eingestelltem Filterbereich von 5 Hz bis 2 kHz (Breitband und selektiv) und einer magnetischen Feldstärke größer als 500 nT.
Für die große B-Feldsonde mit 100 cm 2 Fläche gelten die Angaben bei gleichen Frequenzund Filtereinstellungen und einer magnetischen Flussdichte größer als 40 nT [6].
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In Abb.2-9 ist das Feldmessgerät EFA-3 mit seinen beiden zur Magnetfeldmessung zu Verfügung stehenden externen Sonden abgebildet.
Abb.2-9 Feldmessgerät EFA-3 mit den beiden externen Sonden
Abschließend sei zum Messvorgang erwähnt, dass die externen Sensoren nicht alleine betrachtet werden, da die Eingangsverstärker, die die induzierte Spannung der Sensoren verarbeiten, mitberücksichtigt werden müssen. So kann zum Beispiel die Empfindlichkeit der
Messanordnung nicht nur durch die Zahl der Windungen der Sensoren verändert werden,
sondern hängt auch von der Empfindlichkeit der Eingangskreise ab. Das Basisgerät erkennt
automatisch die angeschlossenen Sonden und bezieht die zu entsprechenden Sonden gehörenden Kalibrierdatensätze mit in die Berechnung des Ersatzfeldstärkewertes ein.
Zwischen dem Grundgerät EFA3 und den dazugehörigen Sonden besteht keine Potentialtrennung. Daher muss vor allem bei Messungen an Hochspannungsanlagen unbedingt darauf
geachtet werden, dass die Sonden nicht mit hochspannungsführenden Teilen in Berührung
kommen. Die Sicherheitsvorschriften sind einzuhalten [6].
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2.1.7 Messbereichseinstellungen
Im Untermenü CONF / MEASMODE / B MEAS UNIT entscheidet man sich für eine Maßeinheit zwischen Tesla und Gauß. Im Allgemeinen ist der Messbereich immer manuell einzustellen, obwohl zusätzlich auch eine AUTO-Ranging Funktion zur Verfügung steht.
Der Messbereich für Messungen hoher Genauigkeit muss so eingestellt werden, sodass der
Messwert zwischen 10% und 100% des Messbereichs liegt.
Zur Wahl des Messbereichs (Abb. 2-10) stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung, entweder
durch drücken der Funktionstaste F1 oder durch betätigen der Cursortasten UP und DOWN.
Über die Funktionstaste F1 wird die Auswahlliste aufgerufen und der gewünschte Bereich
ausgewählt. Bei Betätigung der Cursortasten schaltet jeder Tastendruck einen Bereich weiter.
Dies ist allerdings nur im Messmenü möglich, das heißt, wenn der Messwert sichtbar ist.
B
RANGE
AUTO
10 mT
1 mT
100 µT
10 µT
1 µT
100 nT
Abb. 2-10 Wahl des Messbereichs mit F1, Cursortasten und ENTER
Die analoge Balkenanzeige ist in 10 Teilstriche unterteilt und der zehnte Teilstrich stellt den
Messbereichsendwert dar. Es können sowohl die Analog als auch die Digitalanzeige, abhängig von den anderen Parametern, eventuell größere Werte messen und darstellen, als dem
Endwert des Messbereichs entspricht. (z.B. 1.345 µT im Bereich 1 µT).
Hier tritt der Fall eines Übersteuerungszustandes auf der durch die Übersteuerungsanzeige
angezeigt wird. (Abb. 2-11) Die Übersteuerung liegt dann vor, wenn die Analoganzeige die
Messbereichsanzeige nicht erreicht. Nimmt die Sonde am Messeingang ein Feld hoher Stärke
auf, welches bei Selektivmessung außerhalb des selektiven Messbereichs liegt, wird die
Übersteuerungsanzeige wirksam. In diesem Fall bestimmt der Breitband – Messwert den
Messbereich.
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X:
46 %
10 µT
RANGE
Y:
RMS
DET
0%
Z:
28 %
15 . 9
FILTR
LIVE
Abb. 2-11 Anzeige der Übersteuerung durch vier Pfeile
Neben den in der Abb. 2-10 dargestellten Messbereichen steht auch eine AUTO-Ranging
Funktion zur Verfügung. Der Vorteil liegt darin, dass das Gerät den günstigsten zum Messwert passenden Messbereich selbst auswählt. Hier ist zu achten, dass die Einschwingzeit auf
den richtigen Messbereich einige Zeit in Anspruch nimmt, die von der Einschwingzeit der
Filter und durch schnelle Feldänderungen beeinflusst werden. Im Gegensatz zur manuellen
Messbereichseinstellung wird die Balkenanzeige im AUTO – Ranging Betrieb logarithmisch
dargestellt.
Verwendet man bei den Messungen eine Alarmfunktion, so ist gegenüber der Alarmschwelle
der nächsthöhere Messbereich einzustellen. Die Alarmfunktion wird so definiert, dass bei
einer Überschreitung einer Schwelle (Magnetische Flussdichte) ein optisches Alarmsignal
(Rote LED am Display) sichtbar wird. Die Alarmfunktion aktiviert man, indem durch drücken
der Taste CONF / ALARM die Liste der Untermenüs aufscheint. Die Menüstruktur ist in der
Abb. 2-12 dargestellt.
CONFIG
ALARM
CONFIG
MEASMODE
ALARM
CLOCK
RS232
ALARM
OFF
TRANSM
BEEP
OFF
SERVICE
SET B TRSH
Abb.2-12 Konfigurationsmenü
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10.00 mT
Abb.2-13 Alarm konfigurieren
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Nach Auswahl des Untermenüs ALARM (Abb. 2-13) ist es möglich den Alarm (ALARM
ON/OFF) aus- und einzuschalten. Zusätzlich zu der optischen Anzeige kann der Alarm akustisch dargestellt werden. Durch Auswahl im Untermenü CONFIG / ALARM wählt man die
Funktion BEEP aus. Die Einstellung BEEP ON ist nur dann aktiv, wenn der Alarm eingeschaltet ist. Überschreitet der Messwert den Schwellenwert, so ertönt ein Dauerton. Fällt der
Messwert unter den Schwellenwert, wird der akustische Alarm gelöscht. Wichtig ist, dass bei
Übersteuerung der Schwellenwert nicht ausgewertet wird. In diesem Fall ist der nächsthöhere
Wert als Messbereich im Untermenu CONFIG/ALARM unter der Funktion SET B THRS
einzustellen [6].
2.1.8 Frequenzselektives Messen
Es besteht auch die Möglichkeit, das Magnetfeld sowohl breitbandig als auch selektiv zu
messen. Dazu stehen vier verschiedene Breitbandbereiche und elf verschiedene selektive Filterfrequenzen zur Verfügung.
Um die magnetische Feldstärke bei einer definierten Frequenz zu untersuchen, wurden die in
der Tabelle (Abb. 2-14) aufgeführten selektiven Filter in das Gerät implementiert. Die Filterfrequenzen sind so gewählt, dass die gängigen Grundwellen sowie bis zur jeweiligen zweiten
Oberwelle gemessen werden können.
Die Auswahl eines der Filter geschieht im Untermenü, welches über die Funktionstaste F4 aus
dem Messmenü heraus auszurufen ist. Mit den UP/DOWN - Tasten wird das gewünschte Filter ausgewählt und mit der ENTER - Taste aktviert. Siehe (Abb. 2-14)
B
5 Hz ... 2 kHz
FILTER
30 Hz ... 2 kHz
5 Hz ...30 kHz
30 Hz .. 30 kHz
16.7 Hz
33.3 Hz
50
Hz
60
Hz
Abb. 2-14 Wahl des Filters mit den Cursor-Tasten und ENTER
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Der Pfeil neben der Filterliste zeigt, dass weitere Filter zur Verfügung stehen die aufgrund des
begrenzten Darstellungsumfanges der Anzeige nicht mehr darstellbar sind. Mit der UP/
DOWN Taste ist es möglich auf die nächste Seite zu blättern.
Der EFA-3 besitzt zusätzlich zu den bereits eingebauten Filterfrequenzen die Möglichkeit,
eine variable selektive Filterfrequenz im Bereich von 15 Hz bis 2 kHz mit einer Auflösung
von 0,1 Hz zu definieren. Man braucht nur im Filtermenü die Funktionstaste F1 (SET VAR)
drücken und kann die Filterfrequenz unmittelbar eingeben. (Abb. 2-15)
FILTR
VAR
VAR FILTER FREQU :
1281.9 HZ
RANGE : 15.0 . . 2000.0
Abb. 2-15 Eingabe der variablen Frequenz
Es wird mit der Cursor – Taste > die einzustellende Ziffer gewählt und mit den UP/DOWN
Tasten entsprechend verändert. Ist die Einstellung beendet, so wird durch drücken der
ENTER – Taste das Menü verlassen und die eingestellte variable Filterfrequenz an die Liste
der bereits definierten Filterfrequenzen angehängt. (Abb. 2-16)
B
5 Hz ... 2 kHz
FILTER
30 Hz ... 2 kHz
5 Hz ...30 kHz
30 Hz .. 30 kHz
X:
46 %
Y:
0%
Z:
28 %
16.8 Hz
33.4 Hz
51
Hz
10 µT
RANGE
RMS
DET
USER
1282
LIVE
1. Hz
SET VAR
1281.9 Hz
VAR FREQU
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Abb. 2-16 Anzeige der aktiven
variable Filterfrequenz
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Liegt eine eingestellte Filterfrequenz außerhalb des Bereichs von 15 Hz ...2 kHz, so wird dies
beim drücken der ENTER- Taste akustisch gemeldet, die Einstellung sollte dann überprüft
werden. Die eingegebene variable Filterfrequenz kann wie alle anderen Filterfrequenzen auch
aus der Liste mit VAR FREQU selektiert und aktiviert werden. Das heißt, bei aktiver Filterfrequenz wird im Messmenü die eingestellte Frequenz, bei Frequenzen größer 999.9 Hz auf
1 Hz gerundet, angezeigt.
Für die Unterdrückung des Erdmagnetfeldes wurde ein zusätzlicher Hochpass mit einer
Grenzfrequenz von 30 Hz eingebaut, der sich für Messungen z.B. im Bereich der Bundesbahn
(16,7) abschalten lässt. Die selektiven Filter von 16.7 Hz (Bahn) über 50 Hz und 60 Hz
(EVUs) bis 180 Hz sind geeignet, um die Grundschwingung und Oberschwingungen im öffentlichen Stromversorgungsnetz zu messen. Dadurch bietet das Messgerät vier mögliche Frequenzbereiche für die Messung der magnetischen Felder an (Wahl der Filterfrequenzen am
Gerät siehe Abb. 2-14). Ist einer dieser Frequenzbereiche aktiviert, wird automatisch der eingebaute Frequenzzähler aktiv, der die Frequenz der maximal auftretenden Feldstärke anzeigt.
Dadurch lässt sich sehr schnell der Verursacher der stärksten Felder ermitteln, wenn mehrere
Felderzeuger mit unterschiedlicher Frequenz vorhanden sind. Die Frequenz wird mit einer
Auflösung von 1 Hz angezeigt.
Frequenzbereiche:
Frequenzbereich1 ...............................
5 Hz .....2 kHz (3 dB)
Wählbare Frequenzgrenzen bei
Breitbandmessung 1a.............................
5 Hz .....2 kHz
30 Hz .....2 kHz
Frequenzbereich 2 .............................
5 Hz ...30 kHz (3 dB)
Wählbare Frequenzgrenzen bei
Breitbandmessung 2a.............................
5 Hz ...30 kHz
30 Hz ...30 kHz
Die Mindestfeldstärke für den Frequenzzähler ist bei der externen Präzisionssonde mit 100
cm 2 Spulenquerschnitt im Messbereich von 10 µT größer als 500 nT. Bei der internen und
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externen B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser im Messbereich von 10 µT ist die Mindestfeldstärke größer als 1 µT [6].
In den Messbereichen 1 µT (=10 mG) und 100 nT (=1 mG) ist der Frequenzzähler abgeschaltet. Bei gemischten Frequenzen oder bei zu geringem Signal – Rauschabstand kann der Frequenzzähler kein sicheres Ergebnis abliefern. Dies äußert sich meist dadurch, dass die angezeigte Frequenz um mehr als 2 Hz schwankt. In diesem Fall soll man näher an die vermutete
Störquelle herangehen, um eine noch glaubwürdige Frequenzaussage zu bekommen.
Die Obergrenze des Messbereichs von 10 mT reicht bis 500 Hz. Bei Frequenzen oberhalb von
500 Hz reduziert sich die maximal messbare Feldstärke wie in Bild 2-18 dargestellt [6].
10 mT
1 mT
1 0 0 µT
50 H z
500 H z
5 kH z
30 kH z
Abb. 2-18 Maximal messbare Feldstärken nach einer Einschwingzeit von 2 Sekunden.
In den folgenden Abbildungen sind die typischen Filterkurven der eingebauten Selektiv- und
Breitbandfilter dargestellt.
Abb. 2-19 Typischer normierter Verlauf
Abb. 2-20 Verlauf der Filter 400 Hz
der Filter 16,7 Hz bis 180 Hz
bis 1200 Hz
(Quelle: [6])
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Laut Filtercharakteristik besitzt das Filter in Abbildung 2-19 bei 50% bzw. 200% der eingestellten Filterfrequenz eine Dämpfung von 55 dB, während das breitbandigere Filter
(Abb.2-20) mit der oben genannten Frequenz nur eine Dämpfung von 48 dB erreicht.
a/dB
f/Hz
Abb. 2-21 Typischer Verlauf der Breitbandfilter [Quelle: [6])
Die Aufgabe des Bandpassfilters ist, die Messwerte des magnetischen Feldes außerhalb des
eingestellten Frequenzbereiches zu dämpfen. Wie laut Abbildung 2-21 ersichtlich ist beschreibt ein Breitbandfilter einen Hochpass und einen nachgeschalteten Tiefpass. Die Grenzfrequenz der Filter wird laut Definition bei einer Dämpfung von 3 dB ( 2 ) ermittelt.
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2.1.9 Analog – Digital Umsetzer (Auflösung und Quantisierungsfehler)
Die von den hochfrequenten Feldsonden analog detektierten Sensorsignale werden für jede
der drei Raumachsen getrennt zum Grundgerät geleitet und dort digital ausgewertet.
Die Aufgabe eines Analog-Digital-Umsetzers besteht darin, eine Eingangsspannung in eine
dazu proportionale Zahl umzusetzen. Das heißt, er misst das Verhältnis einer analogen
Eingangsgröße zu einer Referenzgröße und gibt dieses in Form eines digitalen Wortes an. Es
wird der mögliche Bereich der Eingangsgröße in n gleich große Intervalle zerlegt und
festgestellt, in welchem Intervall die Eingangsgröße zuzuordnen ist. (Abb. 2-22)
Die Umsetzerkennlinie ist also eine Treppenfunktion, die angenähert als eine durch Null und
den positiven Endwert des Umsetzers verlaufende Gerade dargestellt werden kann.
Digital –
Ausgang
n
definierter Übertragungsbereich:
0 ≤ a ≤ an
Inkrement des Umsetzers:
a=
an an
=
= 1LSB
n 2N
a n ist die Referenzgröße
i
a = 1 LSB
an = FSR
Analog –
Eingang
Abb. 2-22 Umsetzerkennlinie
Die Umsetzung besteht aus zwei Schritten: Quantisieren und Kodieren.
Durch die Quantisierung entsteht ein Informationsverlust, der nicht mehr rückgängig gemacht
werden kann. Dieser Quantisierungsfehler geschieht bei der Umsetzung einer analogen Größe
in eine Zahl mit endlich vielen Bits infolge der begrenzten Auflösung. Er beträgt ± 12 LSB,
d.h. er ist so groß wie die halbe Eingangsgrößenänderung, die erforderlich ist, um die Zahl in
der niedrigsten Stelle zu ändern.
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Bei einem A/D-Umsetzer mit n Quantisierungsintervallen wird die Eingangsgröße durch eines
von n möglichen Codewörtern abgebildet. Somit hat der Umsetzer eine Auflösung von N Bit.
Es gilt: N = ld n = (Zahl)bit.
Das bedeutet, bei N Bit Auflösung ergeben sich 2N Quantisierungsintervalle. Somit ist die
Auflösung die kleinste Änderung des Eingangswertes der A/D-Umsetzer noch unterscheiden
kann. Die analoge Größe des LSB (Least Significant Bit, niederwertigstes Bit) errechnet sich
aus der Auflösung und dem vollen Eingangsbereich (FSR = Full Scale Range), das ist die
Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Eingangswert (GL. 20).
1LSB =
FSR
2N
(Gl. 20)
Der Ausgangscode eines A/D-Umsetzers ändert sich erst dann, wenn sich diese Eingangsgröße um den Betrag ±
1
2
LSB, gerechnet von der Mitte des Quantisierungsintervalls, geändert
hat.
Neben dem Quantisierungsfehler treten mehr oder weniger schaltungsbedingte Fehler auf, die
zum Teil abgeglichen werden können. Zum Beispiel verläuft laut Abb. 2-22 bei der idealen
Kennlinie eine Gerade mit der Steigung 1 durch den Ursprung und durch die Stufenmitten.
Die Kennlinie eines idealen A/D-Umsetzers weist bei einer sinnvollen Darstellung eine
Steigung von 45° auf. Geht bei einem realen A/D-Umsetzer die Gerade nicht durch Null, so
liegt ein Nullpunktfehler, auch als Offsetfehler bezeichnet, vor. Weicht die Steigung der
Geraden von eins ab, so wird dies als Verstärkungsfehler, auch Skalierungsfehler, bezeichnet.
Wie schon erwähnt, lassen sich die beiden Fehler durch Abgleich von Nullpunkt und Vollausschlag beseitigen. Ein anderer Fehler ist ein Linearitätsfehler, der besonders dann entsteht,
wenn die Stufen nicht gleich breit sind. Zur Bestimmung des Linearitätsfehlers gleicht man
Nullpunkt und Verstärkung ab und ermittelt die maximale Abweichung der Eingangsgröße
von der idealen Geraden. Er wird im Allgemeinen in LSB (analoger Wert) angegeben. Eine
der häufigsten Linearitätsfehler ist die sogenannte differentielle Nichtlinearität. Sie ist der
Betrag der Abweichung jedes Quantisierergebnisses von seinem theoretischen, idealen Wert.
Anders ausgedrückt, die differentielle Nichtlinearität ist die analoge Differenz zwischen zwei
benachbarten Codes von ihrem idealen Wert. Umsetzer arbeiten monoton, wenn die Wertigkeit seines Ausgangscodes mit stetig steigendem Eingangscode ebenfalls stetig steigt. Ist die
differentielle Nichtlinearität eines A/D-Umsetzers größer oder gleich als ± 1 LSB, treten bei
der Umsetzung fehlende Codes (Missing Codes) auf. Dieser Fehler kann allerdings nicht
mehr rückgängig gemacht werden. [7], [10]
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2.1.10 Messgenauigkeit
EFA-3 mit externer B-Präzisionssonde (100 cm2 Fläche )
Frequenzbereich
Filter
Feldstärke
Messgenauigkeit
B≥ 40 nT
±3% ±1 nT
B≥ 40 nT
±5% ±1 nT
B≥ 40 nT
±5% ±1 nT
B≥ 40 nT
±3% ±1 nT
5 Hz…2kHz
F=50 Hz……400Hz
(Breitband)
und selektiv
5 Hz…2kHz
F=16,7 Hz
(Breitband)
und selektiv
F= 400 Hz…3 kHz
selektiv
Tabelle 2-2 EFA-3 mit externer B-Sonde mit 100 cm2 Fläche [6]
Grundanzeige durch Eigenrauschen
im Bereich 5 Hz…2 kHz und 5 Hz…30 kHz …...10 nT
mit Selektionsfilter ≤ 400 Hz……………………..1 nT
EFA-3 mit interner B-Feld-Sonde
Frequenzbereich
Filter
Feldstärke
Messgenauigkeit
B≥ 500 nT
±5% ( 4%)
B≥ 500 nT
±6%
B≥ 500 nT
±8%
5 Hz…2kHz
F=50 Hz……400Hz
(Breitband)
und selektiv
5 Hz…2kHz
F=16,7 Hz
(Breitband)
und selektiv
F= 50 Hz…5 kHz
5 Hz…30 kHz
(Breitband)
Tabelle 2-3 EFA-3 mit interner B-Feld-Sonde [6]
Grundanzeige durch Eigenrauschen
im Bereich 5 Hz…2 kHz und 5 Hz…30 kHz …...50 nT.
mit Selektionsfilter ≤ 400 Hz……………………..5 nT
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EFA-3 mit externer B-Feld-Sonde (d = 3 cm)
Frequenzbereich
Filter
Feldstärke
Messgenauigkeit
5 Hz…2kHz
F=50 Hz……400Hz
(Breitband)
B≥ 500 nT
und selektiv
±4%
(3% eindimensional)
5 Hz…2kHz
F=16,7 Hz
(Breitband)
B≥ 500 nT
±6%
B≥ 500 nT
±5%
und selektiv
F= 50 Hz…5 kHz
5 Hz…30 kHz
(Breitband)
Tabelle 2-4 EFA-3 mit externer B-Feld-Sonde mit 3 cm Durchmesser [6]
Grundanzeige durch Eigenrauschen
im Bereich 5 Hz…2 kHz und 5 Hz…30 kHz …...50 nT
mit Selektionsfilter ≤ 400 Hz……………………..5 nT
Die in den Tabellen angegebene Messgenauigkeit gilt
1. bei Signalform Sinus und DETEKTION RMS, LIVE
2. für eine Aussteuerung von mindestens 10% des eingestellten Messbereiches.
3. bei selektiver Messung und einer Messfrequenzabweichung von maximal 2,5 % von der
Filtermittenfrequenz. Für Frequenzabweichungen bis 5% (10% bei 400 Hz, 800 Hz und
1200 Hz-Filter) ist mit einem zusätzlichen Fehler von 1% zu rechnen. [6]
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2.2
Messwertübertragung auf Personalcomputer
2.2.1 Einsatzmöglichkeiten der Software FieldView
Das PC–Transfer-Set besteht aus Hardware und Software.
Die Software „FieldView“ läuft unter den Betriebssystemen Windows 98, Windows NT 4.0,
Windows 2000 und unter Windows XP. Um eine einwandfreie Übertragung der Messdaten
muss eine Änderung der Einstellung erfolgen. Man geht zu Einstellungen, klickt
Systemsteuerung an, wählt Ländereinstellungen beziehungsweise Regions-Sprachoptionen
aus und ändert unter Zahlen die Dezimaltrennzeichen anstelle der Kommazeichen den Punkt
aus (Abb. 2-23a).
P
Punkt
Punkt
Leer
Abb. 2-23a Änderung der Einstellungen unter Systemsteuerung
Alle übrigen Einstellungen können unverändert bleiben.
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Das PC–Transfer–Set stellt die Verbindung zwischen dem Messgerät EFA-3 und dem
Personalcomputer dar. Die Hardware besteht aus einem Lichtwellenleiterkabel, einem optisch/elektrischen Wandler und einem Adapter für die serielle RS232–Schnittstelle.
Über die serielle Schnittstelle werden die Messdaten die vom Messgerät EFA-3 stammen, auf
den Personalcomputer durch die vorhandene Software „FieldView“ übertragen und in Textfiles abgespeichert. Mit Hilfe des Microsoft Excel Programms „Datahelp 2000“, das vom Institut für Elektrische Anlagen zur Verfügung gestellt wurde, ist es möglich die abgespeicherten
Messdaten auszuwerten. In der folgenden Abbildung 2-23b ist das vereinfachte Blockschaltbild des Messkonzeptes des Feldmessgerätes EFA-3 dargestellt.
Abb. 2-23b Blockschaltbild des Feldmessgerätes EFA-3 (Quelle: [8])
Zur Informationsübertragung zwischen Feldmessgerät EFA-3 und Personalcomputer dient die
serielle, bidirektionale asynchron arbeitende RS232–Schnittstelle. Bei der asynchronen Übertragung werden Sende- und Empfangstakt nicht synchronisiert, sondern nur auf dieselbe Frequenz eingestellt. Daher können nur kurze Datenblöcke zwischen zwei Synchronisationszeichen übertragen werden. Es werden in der Regel Buchstaben und Zahlen als ASCII-Zeichen
kodiert übertragen, die laut Gerätehersteller acht Datenbits, ein Stopbit und kein Paritätsbit
enthalten. Die Datenrate ist auf 9600 Baud (9600 bit/s) einzustellen.
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Im folgenden Bild sieht man den schematischen Aufbau einer Messung des magnetischen
Feldes mit PC, hier in diesem Fall ein Notebook, das über einen Lichtwellenleiter am Feldmessgerät EFA-3 angeschlossen ist (Abb. 2-24).
Abb.2-24 Messaufbau
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2.2.2
Bedienung der Oberfläche des Programms FieldView
Die anwendungsspezifische Software FieldView wurde mit der graphischen Programmiersprache LabVIEW erstellt. LabVIEW bietet eine graphische Programmierumgebung mit all
den Werkzeugen, die zur Erfassung, Analyse und Präsentation von Daten benötigt werden.
Die LabVIEW Programme werden als virtuelle Instrumente bezeichnet und diese Instrumente
bestehen aus drei Hauptteilen, der Bedienungstafel (Front Panel), dem Blockdiagramm und
dem Icon / Connector. In diesem Zusammenhang hier wird nicht auf die Programmierung
eingegangen, wichtig ist aber, dass LabVIEW, neben vielen anderen Funktionen und Datenerfassungseinsteckkarten, die RS 232 / 422 Schnittstelle unterstützt.
Die Bedienoberfläche ist für jeden Anwender übersichtlich angeordnet und besteht im
Wesentlichen aus drei Teilen, der Bereich der Kommunikation, dem Recorder und der
Messwertbildung. (Abb. 2-25)
Abb.2-25 Bedienoberfläche
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Im Bereich der Kommunikation kommt es auf die richtige Auswahl der Einstellung an.
In der folgenden Abbildung (Abb. 2-26) werden durch Marker die einzelnen Funktionen
beschrieben.
1
2
3
5
4
6
9
8
7
Abb.2-26 Kommunikationen
1) Nach Anschluss dieser Sonde wird mit diesem Button die serielle Schnittstelle
initialisiert.
2) Wird die serielle Übertragung von der Sonde zum Computer nicht mehr benötigt, so
kann sie durch diesen Button deaktiviert werden. Dies geschieht auch durch
Abschalten der Sonde.
3) Auswahl der seriellen Schnittstelle an der die Sonde angeschlossen ist.
4) Diese Kontrolllampe leuchtet auf, wenn beim Lesen aus dem Puffer der seriellen
Schnittstelle ein Fehler auftritt.
5) Diese Kontrolllampe leuchtet auf, wenn das für die Messung eingestellte Zeitintervall
überschritten wird.
6) Diese Kontrolllampe leuchtet auf, wenn die serielle Übertragung einen Fehler
aufweist.
7) Programm beenden.
8) Wahlschalter zwischen magnetischer Flussdichte und elektrischer Feldstärke. Keine
automatische Erkennung der Sonde!
9) Eingabe: Zeitintervall der Messung in Values / Minute
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Vor allem ist es hier wichtig, die richtige serielle Schnittstelle (COM 1 oder COM 2) am PC
bzw. am Notebook auszuwählen.
Der eigentliche und wichtigste Teil ist der Bereich der Messwertbildung. Hier werden die
aufgezeichneten Messwerte in so genannten Textfiles abgespeichert, können jederzeit geladen werden, um eine Messung fortzusetzen oder fehlerhafte Messergebnisse zu korrigieren.
Im Kapitel „Messung magnetischer Felder“ wird auf den Vorgang der Messung genauer eingegangen.
In Abbildung (Abb. 2-27) werden die einzelnen Funktionen der Messwertbildung dargestellt.
1
2
3
4
5
6
1a
10
15
11
12
7
8
9
4
13
14
Abb.2-27 Messwertbildung
1)
„bilden“ – Startet die Aufnahme der im Eingabefeld „Basis“ festgelegten Anzahl von
Messwerten für die Bildung des Mittelwertes. Den Button „bilden“ solange drücken bis
das grüne Kontrolllicht darunter aufleuchtet (1a). Wichtig dabei ist, dass die Lage der
Sonde nicht verändert wird.
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2)
„löschen“ – Löscht den Messwertdatensatz, an dem sich der weiße Marker im Diagramm für die Verteilung der Flussdichte befindet (13). Vorsicht: Löschen kann nicht
mehr rückgängig gemacht werden.
3)
Wahl der Feld-Dimension der quadratischen Aufpunktsmatrix. Dieser Parameter wird
erst mit dem Feld „NEU“ (9) übernommen und muss daher vor der Messung festgelegt
werden.
4)
Koordinaten des beim Verteilungsdiagramm links unten gekennzeichneten Punktes.
Diese werden im Text-File mitabgespeichert.
5)
Abstand zu den nächstgelegenen Punkten der Aufpunktsmatrix (Räumliches Intervall
des Aufpunktgitters).
6)
Hauptachsen des kartesischen Koordinatensystems, die die Aufpunktsebene aufspannen.
7)
„Laden“ einer gespeicherten Messung der Flussdichte bzw. der Feldstärke.
8)
„Speichern“ der aktuell angezeigten Flussdichte bzw. der Feldstärke.
9)
„NEU“ löscht die aktuelle Anzeige und übernimmt die Aufpunkte – Anzahl neu.
10) Anzeige der Werte des Messwertdatensatzes, auf den der weiße Marker die Verteilung
der Flussdichte anzeigt (nach der Messwertaufnahme meist „0.000“, da der Marker automatisch an den nächstfolgenden Punkt verschoben wird. Durch verschieben des weißen Markers mit der „Computer-Maus“ kann jeder ermittelter Messwert zahlenmäßig
angezeigt werden).
11) „Basis“ – Eingabe der Anzahl der Messwerte, die für die zeitliche Mittelung verwendet
werden sollen.
12) Der in dieses Feld eingegebener Kommentar wird im Text-File mit den Messwerten abgespeichert.
13) Verteilung der magnetischen Flussdichte bzw. der elektrischen Feldstärke in Falschfarbendarstellung. Der weiße Marker / Cursor kann mit Drag und Drog positioniert werden.
Der nächste durch „bilden“ erzeugte Mittelwert wird an der Stelle des Markers eingetragen. Zuvor an dieser Stelle eingetragene Mittelwerte werden überschrieben.
14) Verteilungen der Vektorkomponenten der magnetischen Flussdichte bzw. der elektrische
Feldstärke.
15) Das „Profil“ zeigt die Verteilung der magnetischen Flussdichte bzw. der elektrischen
Feldstärke für die Punkte in der Spalte in der sich der weiße Marker befindet (4).
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Der Recorder Abb.2-28 ermöglicht es die aufgezeichneten Messwerte, die in Text-Files abgespeichert sind, wiederzugeben. Hier besteht die Möglichkeit den zeitlichen Verlauf der gemessenen Punkte der Ersatzflussdichte bzw. der Ersatzfeldstärke anzusehen.
2
1
10
3
4
5
6
7
8
9
Abb.2-28 Recorder
1)
Größenachse des Zeitdiagramms. Durch Doppelklick auf den Maximalwert kann
dieser direkt an der Achse eingegeben werden.
2)
Zeitverlauf der Messwerte der Ersatzflussdichte bzw. der Ersatzfeldstärke
3)
Wiedergabe aufgezeichneter Files. Beginnt mit dem Dialog „Datei öffnen“.
4)
Pause bei Wiedergabe einer aufgezeichneten Messung.
5)
Start der Aufzeichnung. Beginnt mit dem Dialog „Datei speichern“.
6)
Stop von Wiedergabe und Aufzeichnung.
7)
Vorlauf. Beschleunigte Wiedergabe einer Aufzeichnung.
8)
Rücklauf
9)
Manuelle Vorlaufgeschwindigkeit.
10) Wahlschalter für logarithmische bzw. lineare Skalierung der Größenachse.
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2.3 Messung der magnetischen Flussdichte
2.3.1 Planung der Aufpunktebene unter Berücksichtigung der im Alltag üblichen
Aufenthaltsbereiche exponierter Personen
Die Auswahl des Messortes sowie die Festlegung der Daten (z.B. Einstellungen an der Oberfläche des Programms FielView) erfolgen vor der eigentlichen Messung.
Beim Aufbau einer Messstelle ist zu beachten, dass nicht noch andere Quellen vorhanden
sind. Durch Messung des Umfeldes soll festgestellt werden, ob irgendwelche Störfelder vorhanden sind, die die eigentlichen Messergebnisse verfälschen können.
Als Musterbeispiel, wird der Messaufbau eines Elektro-Wärmespeichers herangezogen.
Laut Abbildung (Abb.2-29) umschließt das einbrennlackierte Stahlblechgehäuse den mit einer
Wärmedämmschicht versehenen Speicherkern.
Heizstäbe
Gebläse
Abb.2-29 Elektro-Wärmespeicher
Für die Wärmeabgabe an den Raum sorgt das Querstromgebläse (Wechselstrommotor), das
die angesaugte Raumluft zu einem Teil durch das Kanalsystem im Speicherkern führt und
erwärmt, zum anderen Teil direkt zum Ausblasbereich leitet.
Die Durchführungen der Messungen erfolgen sowohl bei ausgeschaltetem als auch bei eingeschaltetem Nachtbetriebsmodus, mit und ohne laufenden Gebläsemotor.
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Die Messungen der magnetischen Flussdichte werden in horizontaler als auch in vertikaler
Ebene durchgeführt.
In Abbildung 2-30 wird die Messung der magnetischen Flussdichte in horizontaler Ebene
(X/Z – Ebene) dargestellt.
K
Abb.2-30 Messungen der magnetischen Flussdichte in horizontaler Ebene
Die Messungen der magnetischen Flussdichte in horizontaler Ebene erfolgt auf einer quadratischen Messplatte aus Styropor (Permeabilitätszahl bei Styropor µ r ≈ 1 , siehe Kapitel 2.1.4).
Als Aufpunkte für die Messsonden werden die Kreuzungspunkte der eingezeichneten Linien
auf der Styroporplatte verwendet.
Diese Platte wird so nahe wie möglich an den Nachtspeicherofen geschoben, so dass die Mitte
der Platte mit der Mitte des Nachspeicherofens übereinstimmt, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Aufpunkten nach rechts und links zu erhalten. Als Fixpunkt (Blauer
Kreis in Abb.2-30 (K)) wird der äußerste linke Punkt gewählt.
Dabei ist zu beachten, dass der gekennzeichnete Punkt (K) in den Koordinaten des Verteilungsdiagramms (Abb.2-27 Messwertbildung, Punkt 4) richtig eingetragen wird. Dieser wird
im Text-File mit abgespeichert.
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Die folgende Abbildung 2-31 zeigt den Messaufbau in vertikaler Ebene (Y/Z – Ebene).
M
Abb.2-31 Messungen der magnetischen Flussdichte in vertikaler Ebene
Als Stütze für diese Messungen wird eine aus Holz angefertigte Messlatte verwendet um die
Positionierung der Messsensoren zu vereinfachen. Die einzelnen Rasterstufen sind
0,05 Meter voneinander entfernt. Auch hier ist es wichtig, die Messlatte ebenfalls so nahe wie
möglich an den Nachtspeicherofen zu stellen und mit Hilfe von Klebebänden am Boden die
Positionen festzulegen (Abb.2-31, (M)). In diesem konkreten Fall wird mit der Messung der
einzelnen Rasterstufen von unten nach oben durchgeführt. Anschließend wird die Messlatte
um 0,05 Meter weiter verschoben und die vorhin beschriebenen Messungen ausgeführt.
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2.3.2 Einstellung des Frequenzbereichs des zu messenden Feldes
Bereits im Kapitel 2.1.7 wurden die Einstellungen der Filterfrequenzen genannt.
Es besteht die Möglichkeit, das Magnetfeld sowohl breitbandig als auch selektiv zu messen.
Im Beispiel Nachtspeicherofen wird mit der externen B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser und
bei einer Breitbandeinstellung von 30 Hz bis 30 kHz gemessen.
Bei eingeschaltetem Nachtstrombetrieb und in einer Entfernung von 10 cm vor dem laufenden
Gebläse beträgt die maximale Feldstärke ca. 76 µT. Man wählt deshalb den Frequenzbereich
der Breitbandmessung von 30 Hz bis 30 kHz, da in diesem Bereich die maximal messbare
Feldstärke nach einer Einschwingzeit von 2 Sekunden 100 µT erreichen darf (siehe Abschnitt
2.1.8, Abb.2-16).
2.3.3 Festlegung der Parameter der Sonde EFA3 bei der Messung und Zuordnung der
Koordinaten in FieldView.
Auf den B-Feldsonden mit 3 cm Durchmesser und mit 100 cm 2 Spulenquerschnitt sind die
Achsenrichtungen X, Y und Z eingezeichnet. In Abb. 2-32 sind die Achsenausrichtungen der
B-Sonde mit 3 cm Durchmesser grafisch dargestellt.
Abb.2-32 Achsenausrichtung der B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
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Bei Durchführungen der Messungen in horizontaler Ebene sind die Achsen X und Z des
kartesischen Koordinatensystems, die die Aufpunktebene aufspannen, ausschlaggebend.
Die Messungen in vertikaler Ebene, entsprechen der aufgespannten Ebene des Y und Z
Koordinatensystems. Diese Einstellungen müssen durch anklicken an der Bedieneroberfläche
unter„Aufpunktebene“ des „FieldView“ vorgenommen werden (Abb.2-27, Markerpunkt 6).
Die Position des Koordinatensystems muss vor Begin der Messung festgelegt werden.
Bei der horizontalen Messung des Nachtspeicherofens ist dies einfach, da die Styroporplatte
an dem Messobjekt anliegt. Die Koordinateneinstellungen des links unten angebrachten blauen Punktes (Abb.2-30, (K)) können unverändert bleiben (Abb. 2-30, Markerpunkt 4, X= 0.00,
Y=0.00, Z=0.00).
2.3.4 Praktische Hinweise zur Positionierung des Sensors an den Aufpunkten
Die Entscheidung, wie viele Aufpunkte verwendet werden, beeinflusst den Aufwand und die
Genauigkeit der durchgeführten Messungen. Die Wahl der Dimension der Aufpunktmatrix
liegt im Bereich zwischen zehn und dreiundzwanzig Aufpunkten, die auf der Bedieneroberfläche laut Abbildung 2-27, Markerpunkt 3, eingestellt werden (Nachtspeicherofen 13 Aufpunkte). Der Abstand des nächst gelegenen Punktes der Aufpunktmatrix (Intervallbreite) bei
horizontaler Messung liegt in der Regel bei 0,05 Meter (Abb. 2-33).
Abb.2-33 Räumliche Intervalle des Aufpunktgitters
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Bei vielen Messungen ist es nicht notwendig die Intervallbreite von 0,05 m zu wählen. Im
Musterbeispiel „Elektro-Wärmespeicher“ beträgt die Intervallbreite 0,1 m, da eine relativ
große Fläche vermessen wurde. Der Versuch mit kleineren Intervallen zu messen, ergaben
kaum merkbar bessere Ergebnisse.
Die für vertikale Messung eingesetzte Holzlatte sind die Rasterstufen 0,05 Meter voneinander entfernt. (Abb.2-34)
Abb.2-34 Rastereinteilungen der Holzlatte
Schwierig ist die konstante Positionierung der Sensoren auf verschiedenen Unterlagen, da sie
rechtwinkelig zur Unterlage positioniert werden müssen. Es ist nicht leicht bei Verschieben
zu den nächsten Aufpunkten die gleiche Höhe und rechtwinkelige Lage zu erhalten.
Aufgrund fehlender Informationen des Herstellers wurde als Mittelpunkt des Sensors der
schwarze Gummiring angenommen und als Aufpunkt auf der Messplatte wird der Kreuzungspunkt der einzelnen Rasterlinien gewählt. In der Abbildung 2-35 ist es ersichtlich, wie
ungenau der Messsensor aufliegt. Dieses Problem geht in die Messergebnisse ein und kann
nur durch wiederholte Messdurchführung und genauere Positionierung korrigiert werden.
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Die Korrektur erfolgt durch löschen und überschreiben des Messwertdatensatzes (Abb.2-27,
Punkt 1 und 2), an dem sich der weiße Marker im Diagramm für die Verteilung der magnetischen Flussdichte befindet (Abb.2-27, Punkt 13).
Offensichtlich wurde bei der Herstellung der Sensoren auf diese Problematik nicht eingegangen und es ist zu wünschen, dies bei den nächsten Produktionen zu ändern.
Abb.2-35 Positionierungen des Messsensors
Analog gilt dasselbe bei der Durchführung von magnetischen Flussdichtemessungen in vertikaler Richtung (Abb.2-36).
Steht ein Messobjekt auf einer schiefen Ebene, oder im freien Gelände, dann sind sowohl horizontale als auch vertikale Messdurchführungen ungenau. Für diese Bedingungen wurden
keine Messversuche durchgeführt.
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Abb.2-36 Positionierungen des Messsensors auf Holzlatte
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2.3.5 Grafische Ausarbeitung der Messdaten mit Hilfe des Microsoft Excel Programms
„Datahelp 2000“
Das vom Institut für Elektrische Anlagen zur Verfügung gestellte Programm „Datahelp 2000“
ermöglicht die in Textfiles abgespeicherten Messdaten grafisch auszuwerten.
Durch anklicken „Messdaten auswerten“ erscheint ein Feld mit einzelnen Ordnern der Messungen. Nach Auswahl der zur Ausarbeitung gewünschten Textfiles folgt eine Vorlage zur
Auswertung magnetischer und elektrischer Felder oder der Leistungsflussdichte einer
Elektromagnetischen-Welle.
Abb.2-37 Benutzeroberfläche zur graphischen Messdatenauswertung
Im folgenden Beispiel Elektro-Wärmespeicher werden Messungen in horizontaler Ebene, bei
Nachtstrombetrieb und eingeschaltetem Querstromgebläse ausgewertet.
Nach öffnen der abgespeicherten Textfiles wird die Vorlage „magnetisches Feld mit 50 Hz“
gewählt und die Auswertung erfolgt wie in Abbildung 2-38 dargestellt.
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
X [m]
0.6
0.4
0.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Y-Komponente
0.6
X [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Z-Komponente
0.4
0.2
0.0
0.4
0.2
1.2
X [m]
0.6
1.2
1.2
X-Komponente
z [m]
X [m]
0.8
0.8
0.0
z [m]
1.2
1.0
0.8
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2
1.0
Betrag
1.2
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Z [m]
z [m]
Horizontale Messung bei eingeschaltetem
Gebläse und bei Nachtstrombetrieb
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 53
Methode
Abb.2-38 Darstellungen der magnetischen Flussdichte eines Elektro-Wärmespeichers in
horizontaler Ebene
Harald Holzmann
1.0
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Seite 54
Methode
Das magnetische Feld eines Elektro-Wärmespeichers bei Nachtstrombetrieb und eingeschaltetem Querstromgebläses entspricht dem Verhalten eines magnetischen Dipols.
Die hier verwendeten Skalierungen sind zur besseren Erkennbarkeit der schwachen magnetischen Felder logarithmisch gewählt. Wie diese Bilder zeigen, liegt der Maximalwert der magnetischen Ersatzflussdichte direkt am Elektro-Wärmespeicher im Bereich des Gebläses um
die 100 µT. (Der genaue Wert in Cursorposition X=10.5 und Z=12.5 in „FieldView“ beträgt
76,64 µT.) In 30 cm Entfernung liegt sie nunmehr im Bereich zwischen 3,2 und 5,6 µT.
Typische Werte der magnetischen Flussdichte von Haushaltsgeräten im Abstand von 30 cm
liegen bei 1 µT bis 20µT (Quelle [12] und [13], Abb. 2-40 und Tab.2-6).
Der ermittelte Wert der Messung des Elektro-Wärmespeichers bei Nachtstrombetrieb und
eingeschaltetem Querstromgebläses in 30 cm Entfernung beträgt 5,31 µT.
Die graphische Ausarbeitung der Messdaten dient nur zur Darstellung des Betrages und der
Verteilung der Vektorkomponenten der magnetischen Flussdichte. Die genauen ermittelten
Messwerte in den einzelnen Aufpunkten können durch Laden der gespeicherten Messung der
magnetischen Flussdichte in der Bedieneroberfläche des „LabView“ (Abb. 2-27, Markerpunkt
7) und durch verschieben des weißen Markers mit der „Computer-Maus“ zahlenmäßig angezeigt werden (Abb. 2-27, Markerpunkt 10).
Wie bereits den grafischen Auswertungen des Elektro-Wärmespeichers in horizontaler Ebene
zu entnehmen ist, zeigen die Bilder in vertikaler Ebene einen ähnlichen Verlauf (Abb. 2-39).
Auffallend ist, dass der Wert der Ersatzflussdichte in einer Entfernung von 0,1 Meter zwischen 56 und 100 µT liegt. Ursache dürfte der Einfluss des einbrennlackierten Stahlblechgehäuses mit den inneren Verstrebungen aus Eisen auf das magnetische Feld sein. Denn durch
Einbringen eines Werkstoffes in ein magnetisches Feld ändert sich die Dichte der magnetischen Feldlinien. Da Eisen ein ferromagnetischer Stoff ist, ist die Dichte der magnetischen
Feldlinien im Inneren des Eisens größer ist als in der Luft.
Es wird bei µr ››1 (gilt bei ferromagnetische Stoffe) eine verstärkende und verzerrende Wirkung auf magnetische Felder ausgeübt (siehe Kapitel 2.1.4).
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Harald Holzmann
0.6
y [m]
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
Y-Komponente
0.6
y [m]
1.2
0.8
0.4
0.2
0.8
0.4
0.2
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
Z-Komponente
y [m]
y [m]
0.6
0.4
0.2
0.0
X-Komponente
z [m]
1.0
0.0
z [m]
1.2
1.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
Z [m]
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
0.8
Betrag
1.0
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1.2
Vertikale Messung bei eingeschaltetem
Gebläse und bei Nachtstrombetrieb
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Abb.2-39 Darstellungen der magnetischen Flussdichte des Elektro-Wärmespeichers in
vertikaler Ebene
Harald Holzmann
z [m]
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Seite 56
Methode
2.3.6 Grenzwerte und Tabellen
Die gemessenen Werte der Ersatzflussdichten liegen nach ÖNORM S 1119 / ÖVE EMV 1119
[5] gemäß innerhalb des Grenzwertes von 100 µT.
Es stellt sich die Frage, ob Personen im Wohnbereich, die auf Dauer solchen niederfrequenten magnetischen Feldern ausgesetzt sind, gesundheitlich beeinträchtigt werden. Auf diese
Frage gibt es bis heute keine eindeutige Antwort. Es wurde für die Allgemeinbevölkerung in
Übereinstimmung mit den Richtlinien der IRPA / WHO und ICNIRP der Grenzwert für die
magnetische 50 Hz – Feldstärke mit 100 µT für Dauerexposition vorgeschlagen [12].
In der folgenden Tabelle sind die von Grenzwerte für die magnetische Flussdichte festgelegt.
Im Bereich der niederfrequenten Felder gelten für ortsfeste Stromversorgungsanlagen und
Bahnstromanlagen folgende Grenzwerte (die Frequenz der normalen Stromversorgung beträgt
50 Hz, das elektrifizierte Netz der Bahn wird aus historischen Gründen mit Wechselstrom der
Frequenz 16,7 Hertz (16 2/3 Hz) betrieben) [13]:
Frequenz f
Magnetische Flussdichte*)
[Hz]
[Mikrotesla µT]
50
100
16 2/3
300
*) Effektivwerte
Tabelle 2-5 Grenzwerte für magnetische Flussdichte für 50 Hz und 16 2/3 Hz
Starke magnetische Felder entstehen vor allem bei folgenden Geräten:
•
Geräte mit hoher Leistung (Elektroheizung, Elektroherd, Bügeleisen, Haarfön)
•
Geräte, die einen Transformator oder Magnetspulen enthalten (Fernseher, Stereoanlagen, Halogenleuchte)
•
Geräte die von einem Elektromotor angetrieben werden (Staubsauger, Bohrmaschine,
Gebläse)
In der Tabelle 2-6 und der folgenden Abbildung 2-40 sind die Werte der magnetischen
Flussdichte von Haushaltsgeräten in verschiedenen Abständen dargestellt.
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Methode
Gerät
Magnetische Flussdichte [µT]
Elektrogeräte mit Motor
< 20
(z.B. Staubsauger, Bohrmaschine)
Elektrogeräte mit hohem Stromverbrauch
< 10
(z.B. Elektroheizung)
Elektrogeräte mit Transformatoren
<5
(Fernseher, Halogenleuchte usw.)
Sonstige Elektrogeräte
<1
Tabelle 2-6 Magnetische Flussdichten in 30 cm Abstand von elektrischen Haushaltsgeräten
[13]
Abb.2-40 Magnetische Flussdichten in der Nähe von elektrischen Haushaltsgeräten [12]
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Seite 58
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2.3.7 Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Im Kapitel 2.1.4 wurde beschrieben wie die magnetische Flussdichte mit der magnetischen
Feldstärke über eine Materialkonstante, die Permeabilität µ, verknüpft ist.
Das Magnetfeld hat die Eigenschaft, im Gegensatz zum elektrischen Feld, dass es die meisten
Materialien nahezu unvermindert durchdringt. Eine Abschirmung ist, wenn überhaupt, nur
mit großen und sehr teurem Aufwand zu erreichen. [13]
Die Aufgabe in der vorliegenden Diplomarbeit ist es zu untersuchen, wie die magnetische
Flussdichte in Abhängigkeit des jeweiligen Stromkreises mit zunehmender Entfernung von
verschiedenen Quellen abnimmt.
Die Abbildung 2.41 zeigt den typischen Verlauf der Intensitätsabnahme eines geraden stromdurchflossenen Leiters, zweier Leiter mit hin- und rückfließendem Strom und einer Spule.
Feldstärkeintensität in Prozent
90
80
70
60
1/r
50
1/r²
40
1/r³
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Entfernung in relativen Einheiten
1/r:
1/r2:
1/r3:
Feld eines langen stromdurchflossenen Leiters ( z.B. Bahnstromleitung)
Feld durch Überlagerung zweier Leiter mit hin- und rückfließendem Strom
Feld einer Zylinderspule (z.B. Elektromotor einer Bohrmaschine)
Abb.2-41 Abnahme des magnetischen Feldes in Abhängigkeit von der Entfernung für
verschiedene Quellen [13]
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Seite 59
Methode
Im gesamten Niederfrequenzbereich, besonders bei den in der elektrischen Energieversorgung
eingesetzten Frequenzen, ist eine Vernachlässigung der Kopplung zwischen elektrischem und
magnetischem Feld zulässig, sodass elektrische Felder und magnetische Felder getrennt modelliert werden können. Dabei sind das elektrische Feld mit der Spannung und das magnetische Feld mit dem Strom verknüpft. Mit zunehmender Frequenz (f > 30 kHz) ist diese Betrachtungsweise immer weniger zulässig, da jede Änderung elektrischer Felder ein Magnetfeld bedingt und gleichzeitig jede Änderung des Magnetfeldes elektrische Felder erzeugt.
Im Frequenzbereich bis 30 kHz verhalten sich die Feldstärken je nach Art der Quelle mindestens umgekehrt proportional zur Entfernung. (Abbildung 2-41) [14]
2.3.8 Messungen
Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die in Textfile abgespeicherten Messdaten des
Elektro-Wärmespeichers bei Nachtstrombetrieb und bei eingeschaltetem Querstromgebläse in
horizontaler Richtung mit Hilfe des „Microsoft Excel Programms“ in eine Tabelle eingefügt.
(Tabelle 2-7).
X
61469.7
69184.2
84350.89
94452.44
107205.1
124792.6
148961.7
177376
214673.9
265679
325204.7
425243.5
622332.8
66697.9
74166.96
85324.33
101578.7
120460.2
147500.8
180057.5
221513
273437.6
344073.5
429351
574448.4
970814.9
72336.92
82603.26
93397.79
109193.8
134620.3
167532.5
214468.7
267908.3
346967.1
447780.8
587271.5
787509.6
1326482
75086.96
93370.72
107253.5
128852.6
154440.8
200454
255311
332997.3
443341.4
600082.7
809379.8
1102934
1836777
82661.84
95401.18
116213.5
140680.6
176907.8
230444.2
302915
409835.3
567042.3
799135.9
1143637
1615695
2801564
87519.47
103733
126488.5
153241.1
195116.5
259132.3
352961.5
490540
714641.4
1070473
1629597
2551765
4912632
81163.04
100066.2
123416.1
155368.9
205243.5
277945.1
389878.6
560929.2
871729.9
1382959
2326992
4289940
9382479
84950.88
103872
129764.9
162357.3
219622.3
303679.3
434101.8
662283.4
1055025
1798132
3460746
7110948
19165080
82872.87
106128
132141.1
168760.8
226270.2
316871.7
464316.4
725636.5
1193982
2190206
4631346
11798660
39160800
84893.19
102684.9
128580.9
163539.1
224467.6
318925.4
468468
722682.3
1239867
2346155
5318178
15932270
76641530
79734.38
97754.53
124518.5
162473.6
219730.9
302859.2
442310.4
690006.6
1154008
2096293
4502734
11106360
31937810
82982.37
95747.68
119368.3
153798.5
204864
282724.1
397952.9
592573.3
914852.4
1509432
2695633
5093613
8477705
Z
Tabelle 2-7 Messdaten des Nachtspeicherofens in horizontaler Messung (X-Z)
Es wird der Maximalwert der magnetischen
Ersatzflussdichte mit roter Farbe markiert
(76641530) und von hier aus jeweils Diagonalwerte mit anderen Farben gekennzeichnet.
In der folgenden Tabelle werden die blau markierten Messwerte eingetragen und
anschließend die Charakteristik berechnet (Tabelle 2-8).
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Methode
r [m]
0,134
0,124
0,114
0,104
0,094
0,084
0,074
0,064
0,054
0,044
0,034
0,024
0,014
Eingefügte
Werte
84893,19
102684,90
128580,90
163539,10
224467,60
318925,40
468468,00
722682,30
1239867,00
2346155,00
5318178,00
15932270,00
76641530,00
B [µT]
1/r
1/r²
1/r3
0,085
0,103
0,129
0,164
0,224
0,319
0,468
0,723
1,240
2,346
5,318
15,932
76,642
7,750
8,378
9,116
9,997
11,066
12,391
14,077
16,294
19,339
23,785
30,885
44,028
76,642
0,784
0,916
1,084
1,304
1,598
2,003
2,586
3,464
4,880
7,382
12,446
25,293
76,642
0,079
0,100
0,129
0,170
0,231
0,324
0,475
0,736
1,231
2,291
5,016
14,530
76,642
Tabelle 2-8 Berechnungstabelle in „Microsoft Excel“
Die eingefügten Werte müssen durch Multiplikation mit 10-6 korrigiert werden um den richtigen Wert für B[µT] zu erhalten.
Für die Berechnung der Charakteristika 1/r, 1/r2 und 1/r3 werden folgende Gleichungen verwendet:
Für den Verlauf 1/r:
Br =
B0
(r )
r0
(Gl.21)
Br ….. Berechneter Wert in einem
Aufpunkt r
B0 ….. Maximalwert der Ersatzflussdichte
r …… Wert des nächsten Aufpunktes
r0 …... Wert des Aufpunktes von B0
weiters gilt für 1/r2:
Br =
B0
( r )2
r0
(GL.22)
und für 1/r3:
Br =
B0
( r )3
r0
(GL.23)
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Methode
Die Abbildung 2.42 zeigt den typischen Verlauf der Intensitätsabnahme des Nachtspeicherofens im Nachtstrombetrieb und bei eingeschaltetem Querstromgebläse. Durch Überlagerung
der magnetischen Felder der Heizstäbe mit dem Feld des laufenden Wechselstrommotors ist
der Verlauf der Intensitätsabnahme einer Zylinderspule umgekehrt proportional zur dritten
Potenz der Entfernung.
Die Abbildung (2.42) zeigt, dass der Verlauf des B[µT] mit dem Verlauf 1/r3 übereinstimmt.
Nachtspeicherofen horizontal
B [µT]
90
B [µT]
1/r
1/r²
1/r³
80
70
60
50
40
30
20
10
0
r [m]
0
0.5
1.0
1.5
Abb.2-42 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Elektro-Wärmespeichers im
Nachtstrombetrieb und bei eingeschaltetem Querstromgebläse
Zur besseren Erkennbarkeit der Kurvenverläufe wurde in Abbildung 2.43 die Größenachse
von B [µT] logarithmisch skaliert.
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Methode
Nachtspeicherofen horizontal
B [µT]
B [µT]
1/r
1/r²
1/r³
B0= 76.641 µT
100
10
1
5.318 µT
r [m]
0.1
0
0.335 0.5
1
1.5
0.01
Abb. 2-43 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Elektro-Wärmespeichers in
horizontaler Ebene und B [µT] mit logarithmischer Skalierung
Durch Herauslesen eines Messdatenpunktes z.B. in der Entfernung 0,335 Meter erkennt man,
dass die magnetische Flussdichte B = 5.318 µT beträgt und unterhalb des oberen Grenzwert
von 100 µT liegt.
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Seite 63
Messungen
3
Messungen an Geräten des täglichen Gebrauchs
Im Kapitel 2.3.6 sind in der Tabelle 2-6 und Abb.2-40 Richtwerte für magnetische Flussdichten in der Nähe von handelsüblichen Haushaltsgeräten angegeben.
Im Haushalt können in unmittelbarer Nähe von elektrischen Geräten Flussdichten bis zu 1 mT
auftreten. Auf Grund der Inhomogenität der Felder nehmen die Feldstärken mit den Abständen so stark ab, sodass sie in ca. 30 cm Entfernung zwischen 10 µT und 20 µT und in einem
Meter Entfernung bei 0,01 und 0,3 µT liegen.
Die elektrischen Hausinstallationen bestehen aus Leitungen, bei denen die Hin- und Rückleitung dicht nebeneinander liegen. Da sich entgegengesetzt gerichtete Felder überlagern,
kommt es durch die eng beieinander liegenden Hin- und Rückleiter in den Stromleitungen
nahezu zu einer Aufhebung der magnetischen Felder.
Die folgenden Messungen wurden mit der beschriebenen Software „FieldView“ aufgezeichnet und mit „Datahelp 2000“ ausgewertet. Anschließend werden die Messergebnisse mit bestehenden Messwerten aus Tabelle 2-6 und Abbildung 2-40 verglichen.
3.1 Handbohrmaschine 500W
3.1.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Vermessen wird eine Bohrmaschine der Marke Atlas Copco SB2E mit 680 Watt Leistung.
Um gleiche Verhältnisse für horizontale und vertikale Messungen zu erreichen, wird die
Bohrmaschine auf die Geschwindigkeitsstufe 2 eingestellt.
Als Sensor dient die externe B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser.
Das Messgerät EFA-3 wird auf einen Frequenzbereich von 5 Hz bis 2 kHz (breitbandig) eingestellt. Als Unterlage für die Positionierung der Sonde wird die Styroporplatte eingesetzt, die
bereits im Kapitel 2.3 „Messung magnetischer Felder“ beschrieben wurde. Die Anzahl der
Aufpunkte in der Bedienoberfläche des „FieldView“ (Abb.2-27) wird auf 25 eingestellt.
Um den Messvorgang in vertikaler Richtung zu erleichtern, wird an Stelle der üblichen
„Holzlatte“ die Styroporplatte als Messauflage eingesetzt und die Bohrmaschine um 90 Grad
gedreht. In der Bedienoberfläche des „FieldView“ wird die Intervallbreite auf 0.05 m und
die Position der Koordinaten auf X= 1.2, Y= 0 und Z= 0.6 eingestellt
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Messungen
3.1.2 Grafische Auswertungen der Messungen an der Handbohrmaschine mit
„Datahelp 2000“
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Z [m]
1.2
1.2
1.1
z [m]
1.2
1.1
1.1
0.9
1.0
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.9
0.8
0.7
X [m]
Z-Komponente
0.8
0.6
0.5
0.4
0.3
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0.2
1.2
1.2
0.6
z [m]
0.1
X [m]
Y-Komponente
0.8
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
z [m]
1.1
X [m]
0.8
0.6
0.5
0.3
0.2
X-Komponente
0.9
Bohrmaschine horizontal
0.9
Betrag
0.0
1.1
0.0
Abb.3-1 Darstellungen der magnetischen Flussdichte einer Bohrmaschine im Leerlauf in
horizontaler Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
0.6
X [m]
0.8
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Y-Komponente
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
1.2
1.2
X-Komponente
0.8
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.6
0.5
Z-Komponente
X [m]
0.7
0.5
0.3
0.2
0.4
0.0
0.9
0.0
z [m]
1.1
0.9
Betrag
0.0
1.1
0.8
X [m]
0.6
0.1
1.2
0.2
z [m]
0.9
0.8
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
Bohrmaschine vertikal
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Seite 65
Messungen
Abb.3-2 Darstellungen der magnetischen Flussdichte einer Bohrmaschine im Leerlauf in
vertikaler Ebene
Harald Holzmann
z [m]
1.1
1.2
0.9
1.1
1.0
0.3
0.0
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Seite 66
Messungen
Das magnetische Feld dieser Bohrmaschine entspricht wiederum dem Verhalten des magnetischen Dipols (siehe Abschnitt 2.1.4). Zur besseren Erkennbarkeit der schwachen magnetischen Felder wurde die Skalierung auch hier logarithmisch gewählt.
In Abbildung 3-2 sind in der Verteilung der Y-Komponenten „Fransen“ erkennbar, die durch
äußere, während der Messung zusätzlich auftretende Störfelder verursacht werden.
3.1.3 Handbohrmaschine: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Die Größenachsen von B [µT] werden zur besseren Erkennbarkeit alle logarithmisch gewählt.
In den folgenden Darstellungen der Charakteristik wird die Bohrmaschine in horizontaler und
in vertikaler Lage dargestellt.
Bohrmaschine horizontal
B [µT]
100
B0= 55.09 µT
26.633 µT
B[µT]
1/r
10
1/r²
1/³
r [m]
1
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0.1
0.452 µT
0.425 µT
0.01
Abb. 3-3 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte der Bohrmaschine in horizontaler
Ebene
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Messungen
Bohrmaschine vertikal
B[µT]
1000
B [µT]
B0= 302.65 µT
1/r
1/r²
100
1/r³
10
r[m]
1
-1
-0.5
0
0.1
0.5
1
1.333 µT
0.713 µT
0.01
Abb. 3-4 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte der Bohrmaschine in vertikaler
Ebene
In unmittelbarere Nähe der Bohrmaschine liegen die Werte der magnetischen Flussdichte in
horizontaler Lage zwischen 55.06 µT (6 cm) und 26.6 µT (8 cm). Der Maximalwert liegt bei
302.65 µT, der nur in vertikaler Lage angezeigt wird.
In einer Entfernung von ca. 30 cm liegen die Werte um die 1 bis 0.4 µT, also weit unter den
Werten die in den Tabellen im Kapitel 2.3.6 angegeben sind.
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Messungen
3.2 Monitor Philips 107 S
3.2.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Messung der magnetischen Flussdichte des Monitors Philips 107 S hervorgerufen durch
•
Zeilenablenkung (Messung 1 mit NOT60 Hz Filter)
•
Vertikalablenkung (Messung 2 mit 60 Hz Filter)
mit folgenden Bildschirmeinstellungen:
Auflösung : 640x480
Frequenz: vertikal: 60Hz
horizontal: 31,39 kHz
Das Messgerät EFA-3 wird auf eine selektive Filterfrequenz von 60 Hz eingestellt. (siehe
Kapitel 2.1.5)
Gemessen wird mit der externen B-Feldsonde mit 100 cm 2 Spulenquerschnitt
Das Feld wird in vertikaler mit Unterstützung der „Holzlatte“ und in horizontaler Ebene auf
„Styroporplatte“ gemessen. Anzahl der Aufpunkte: 22.
Die Intervallbreite wird auf der Bedieneroberfläche des „FieldView“ auf 0.10 m eingestellt.
Um Messfehler, die durch Bewegungsinduktion hervorgerufen werden, zu verhindern, muss
die Sonde absolut ruhig gehalten werden.
Messaufbau in horizontaler Ebene wird in vier Abschnitte unterteilt. (Abb. 3-5 und Abb.3-6)
Abb. 3-5 Messung der magnetischen Flussdichte in horizontaler Ebene,
rechte und linke Frontseite des Monitors
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Seite 69
Messungen
Abb. 3-6 Messung der magnetischen Flussdichte in horizontaler Ebene,
rechte und linke Rückseite des Monitors
Die Ausrichtung des Monitors orientierte sich nach der Fußhalterung, die vorderen Ecken
decken sich mit den Rasterkanten und weiteres wurde darauf geachtet, dass sich die Frontseite
des Monitors im Lot befindet. Der Bezugspunkt A dient der Orientierung. (Abb. 3-7a)
A
Abb. 3-7a Ausrichtung des Monitors
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Seite 70
Messungen
Abbildung 3-7b zeigt den Messaufbau zur Messung des Feldes in der vertikalen Ebene für
Front und Rückseite.
Abb. 3-7b Messung der magnetischen Flussdichte in vertikaler Ebene
3.2.2 Grafische Auswertungen der Messungen des Monitors Philips 107 S mit
„Datahelp 2000“
Nach Durchführung der einzelnen Messabschnitte für die horizontale Messung, werden die
einzelnen Messergebnisse in einem Textfile zusammengefügt.
Im Rahmen der vertikalen Messungen werden die magnetischen Flussdichten jeweils an Aufpunktsgeraden an der Vorder- und Rückseite aufgezeichnet.
Die grafische Ausarbeitung der Messergebnisse erfolgt so, wie in Kapitel 2.3.5 beschrieben
wurde.
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Harald Holzmann
X [m]
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Y-Komponente
1.0
X [m]
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.8
Z-Komponente
1.2
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2
2.0
1.0
X [m]
0.8
Bildschirmseite
0.0
2.0
1.4
X [m]
1.0
X-Komponente
1.2
0.4
z [m]
1.6
1.2
1.4
Rückseite
1.8
1.6
Frequenzbereich: 60 Hz
2.0
1.8
1.8
1.6
1.4
0.0
Betrag
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.1
2.0
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
2.0
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
z [m]
1.6
0.0
z [m]
2.0
Phillips 107s Monitor - Horizontale Ebene
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 71
Messungen
Abb. 3-8a Darstellungen der magnetischen Flussdichte des Monitors Philips 107 S in
horizontaler Ebene und im eingestellten 60 Hz Frequenzbereich
Harald Holzmann
1.4
0.6
1.8
X [m]
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Y-Komponente
1.0
X [m]
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.8
Z-Komponente
1.2
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2
2.0
1.0
X [m]
0.8
X-Komponente
0.0
1.8
1.4
X [m]
1.0
Phillips 107s Front
Frequenzbereich: Notch 60 Hz
1.2
0.4
z [m]
1.6
1.2
z [m]
2.0
1.8
30-115 kHz (je nach Systemeinstellung)
1.8
1.6
Betrag
2.0
1.8
Diplomarbeit IfeA 2004
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.1
2.0
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
Z [m]
z [m]
1.6
1.4
0.0
Magnetisches Feld: Zeilenablenkung
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 72
Messungen
Abb. 3-8b Darstellungen der magnetischen Flussdichte des Monitors Philips 107 S in
horizontaler Ebene und mit eingestelltem 60 Hz Frequenzbereich
Harald Holzmann
2.0
1.4
0.6
2.0
1.6
1.4
0.0
Y [m]
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
X-Komponente
1,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Y-Komponente
1,2
1,0
Y [m]
0,0
1,8
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
1,0
1,2
0,8
Z-Komponente
Y [m]
1,4
Y [m]
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0,2
2,0
0,4
Z [m]
1,6
1,2
1,4
1,8
1,6
1,4
0,0
Frequenzbereich: 60 Hz
1,8
1,6
Betrag
2,0
1,8
Diplomarbeit IfeA 2004
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,1
2,0
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Z [m]
Z [m]
0,0
Z [m]
2,0
Phillips 107s vertikal vor dem Bildschirm
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 73
Messungen
Abb. 3-8c Darstellungen der magnetischen Flussdichte des Monitors Philips 107 S vertikal
vor dem Bildschirm
Harald Holzmann
2,0
1,4
0,6
2,0
1,6
y [m]
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
X-Komponente
1.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Y-Komponente
1.2
1.0
y [m]
0.0
2.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
1.0
1.2
0.8
Z-Komponente
y [m]
1.4
y [m]
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2
2.0
0.4
z [m]
1.6
1.2
z [m]
2.0
1.8
1.6
1.4
0.0
BasisXXX
2Messgeraet60
EFA01271EC100000066
Frequenzbereich:
Hz
1.8
1.6
Betrag
2.0
1.8
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.1
2.0
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
2.0
1.6
1.4
Philips 107s Vertikal Rückseite
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 74
Messungen
Abb. 3-8d Darstellungen der magnetischen Flussdichte des Monitors Philips 107 S vertikal
an der Rückseite des Bildschirmes
Harald Holzmann
z [m]
1.4
0.6
1.8
0.0
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 75
Messungen
Der Maximalwert liegt im Bereich unter 1 µT in unmittelbarer Umgebung des Bildschirmes.
Wichtig sind die Messwerte in 30 cm Entfernung des Monitors, die nach den Richtlinien
MPR II oder TOC entsprechen. Das schwedische Mess- und Prüfamt (MPR, heute SWEDAC)
hat 1990 überarbeitete Grenzwerte MPR II empfohlen, die nicht auf biologischen und medizinischen Aspekten beruhen, sondern als Kompromiss aus technisch Machbarem und wirtschaftlich Vertretbarem zu verstehen sind. Nach der schwedischen Norm MPR II (Norm für
strahlungsarme Bildschirme), heute ein Standard, gelten Bildschirme als strahlungsarm, wenn
in 30 cm Abstand von der Bildschirmoberfläche, sowie rund um den Bildschirm in drei verschiedenen Positionen, das magnetische Feld unter 250 nT für Band I und 25 nT für Band II
liegt. Die schwedische Angestellten- und Beamtengewerkschaft (TCO, Abkürzung für Total
Cost oft Ownership) empfiehlt in TCO 92 noch niedrigere Grenzwerte als MPR II [16], [17],
Tabelle 2-9
Frequenzband
Band I
Niederfrequentes
( 5 Hz bis 2 kHz)
magnetisches
Band II
Wechselfeld
(2 kHz bis 400 kHz )
MPR I
MPR II
TCO 91/92
-
250 nT
200 nT
50 nT
25 nT
25 nT
Tabelle 2-9 Richtlinien für strahlenreduzierte Monitore
TCO 95 und TCO 99 sind nur eine Erweiterung bezüglich Umwelteigenschaften mit unveränderten Strahlungsgrenzwerten.
Seit Dezember 1995 gibt es eine neue schwedische Norm (SS 436 14 90), die auf den
SWEDAC guideliness MPR II beruht und TCO, sowie internationale Empfehlungen (JEIDA,
IEEE, ECMA) berücksichtigt. Sie wird manchmal kurzerhand als MPR III bezeichnet.
Die schwedischen Empfehlungen sind keine gesetzlichen Vorschriften, sondern stellen eine
freiwillige Prüfung dar, denen sich die Monitorhersteller mit ihren Produkten unterziehen
können. Insbesondere sind sie nicht als Interpretation der Forderung der Bildschirmarbeitsplatzverordnung anzusehen, die sich nicht auf das Bildschirmgerät allein, sondern auf die Arbeitsumgebung bezieht.
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 76
Messungen
Im Vergleich mit der Tabelle 2-9 liegen die gemessenen Werte der magnetischen Flussdichte
in 30 cm Abstand rund um den Bildschirm im Band I weit unter den festgelegten Werten von
72.7 nT
140 nT
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
68.3 nT
2.0
2.1
2.0
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
141 nT 1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
1.8
Betrag
Z [m]
MPR II und TCO 91/92.
X [m]
Abb.3-9 Darstellung der magnetischen Flussdichte des Monitor Philips 107 S in horizontaler
Ebene und im eingestellten 60 Hz Frequenzbereich
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 77
Messungen
3.2.3 Monitor Philips 107 S: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
In den folgenden Abbildungen 3-10 und 3-11 werden die Verläufe der Intensitätsabnahme
der magnetischen Flussdichte jeweils die Entfernung von der Mitte des Monitors dargestellt.
Durch die Ablenkspulen an der Bildröhre nimmt die magnetische Flussdichte 1/r³ ab.
Monitor S 107 60 horizontal, Diagonal von der
linken Seitenwand zur rechten Seitenwand
B [µT]
Links
0.4537 µT
B [µT]
Rechts
0.4527 µT
0.5
1/r
0.45
1/r²
0.4
1/r³
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0.140 µT
-1.5
-1
-0.5
0.141 µT
r [m]
0
0
0.5
1
1.5
Mitte des Monitors
Abb.3-10 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte an den Seitenwänden des
Monitors in horizontaler Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 78
Messungen
Monitor S 107 horizontal, Diagonal von
Bildschirmseite zur Rückseite
B [µT]
B [µT]
0.3
Rückseite
0.2409 µT
1/r
1/r²
Bildschirmfläche
0.2162 µT
0.25
1/r³
0.2
0.15
0.1
0.05
0.0727 µT 0.0683 µT
0
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
r [m]
1
1.5
Mitte des Monitors
Abb.3-11 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte an der Bildschirm- und
Rückseite des Monitors in horizontaler Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 79
Messungen
3.3
Wofi Halogen- Leuchte
3.3.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Messung der magnetischen Flussdichte einer Halogen Leuchte mit 16 cm Trafo- Durchmesser
im angeschlossenen und ausgeschaltetem Zustand. Im Trafokern wird durch den sich ständig
ändernden Wechselstrom in der Primärspule ein Magnetfeld auf- und abgebaut, welches in
der Sekundärspule eine entsprechend kleine Spannung induziert.
Halogenbirne: 12V / 35 W
Externe B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
Frequenzbereich auf selektiv 50 Hz eingestellt
Einstellung auf der Bedienoberfläche des „FieldView“: Intervallbreite für horizontale Ebene
auf 0.10 m und für vertikale Ebene auf 0.60 m eingestellt.
Position der Koordinaten: Horizontale Ebene:
Vertikale Ebene:
X= -0.60, Y= 0.0,
X= 0.0,
Z= 0.60
Y= -0.60, Z= -60
Messauflage für horizontale Ebene „Styroporplatte“
Vertikale Messungen mit Hilfe der „Holzlatte“
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
X [m]
0.6
0.4
0.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Y-Komponente
1.2
0.6
X [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
X-Komponente
z [m]
1.0
0.4
0.2
z [m]
1.0
0.8
0.0
0.8
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Z-Komponente
X [m]
0.6
X [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2
0.8
0.4
0.2
0.0
230 Volt~
Trafo Durchmesser 16 cm
Halogenbirne 12 V / 35 W,
Lampe im ausgeschalteten Zustand gemessen,
Messung: Horizontal
Lage der Lampe :
BasisXXX 2Messgeraet EFA - 3
01271EC100000066
EFA - 3 Software
3.18 97-12-15 11:25:53
Messung niederfrequentes, magnetisches Feld [µT]
Uhrzeit
10:34:00
Datum
0-02-07
FREQUENZBEREICH:
50 Hz
1.0
Betrag
1.2
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
z [m]
Wofi Halogen- Leuchte horizontal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 80
Messungen
3.3.2 Grafische Auswertungen der Messungen an der Halogen-Leuchte mit
„Datahelp 2000“
Abb.3-12 Darstellungen der magnetischen Flussdichte der Halogenleuchte in horizontaler
Ebene
Harald Holzmann
0.0
Y [m]
3.6
2.4
1.2
0.0
0.6
1.2
1.8
2.4
3.0
3.6
4.2
4.8
5.4
6.0
6.6
7.2
Y-Komponente
7.2
3.6
Y [m]
0.0
0.6
1.2
1.8
2.4
3.0
3.6
4.2
4.8
5.4
6.0
6.6
7.2
7.2
X-Komponente
z [m]
2.4
1.2
z [m]
6.0
4.8
0.0
4.8
0.6
1.2
1.8
2.4
3.0
3.6
4.2
4.8
5.4
6.0
6.6
7.2
Z-Komponente
Y [m]
2.4
1.2
0.0
Y [m]
Z [m]
0.0
0.6
1.2
1.8
2.4
3.0
3.6
4.2
4.8
5.4
6.0
6.6
7.2
0.0
0.0 0.6 1.2 1.8 2.4 3.0 3.6 4.2 4.8 5.4 6.0 6.6 7.2
3.6
230 Volt~
Trafo Durchmesser 16 cm
Halogenbirne 12 V / 35 W,
Lampe im ausgeschalteten Zustand gemessen,
Messung: Vertikal
Lage der Lampe :
x=0 cm, y= 0 cm, z= 0 cm,
BasisXXX 2Messgeraet EFA - 3
01271EC100000066
EFA - 3 Software
3.18 97-12-15 11:25:53
Messung niederfrequentes, magnetisches Feld [µT]
Uhrzeit
13:43:38
Datum
0-02-09
FREQUENZBEREICH:
50 Hz
4.8
Betrag
6.0
Diplomarbeit IfeA 2004
7.2
Wofi Halogen- Leuchte vertikal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 81
Messungen
Abb.3-13 Darstellungen der magnetischen Flussdichte der Halogenleuchte in vertikaler
Ebene
Harald Holzmann
z [m]
6.0
0.0
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 82
Messungen
3.3.3 Wofi Halogen-Leuchte: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Halogen- Leuchte horizontal
B [µT ]
B [µT]
100
1/r
B 0a=26.229 µT
B 0b=26.961 µT
1/r²
1/r³
10
r [m]
1
-0.8
-0.4
-0.6
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0.1
0.741 µT
0.775 µT
0.01
Abb. 3-14 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte der Halogen- Leuchte in
horizontaler Ebene
Halogen- Leuchte vertikal
B [µT]
100
B [µT]
B 0a=15.497 µT
1/r
B 0b=14.631 µT
1/r²
10
1/r³
r [m]
1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.1
0.7567 µT
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0.7231 µT
0.01
Abb. 3-15 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte der Halogen Leuchte in
vertikaler Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 83
Messungen
3.4
Steckernetzteil
3.4.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Messung der magnetischen Flussdichte eines Steckernetzteiles vom Typ „FW 6798“
Input 23.5 VA, Output 16 VA, 18 V
Externe B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
Frequenzbereich auf Breitband 5 Hz – 3 kHz eingestellt
Einstellung auf der Bedienoberfläche des „FieldView“: Intervallbreite auf 0.05 m eingestellt.
Position der Koordinaten:
Horizontale Ebene: X= 1.20 Y= 0.00
Z= 0.60
Vertikale Ebene:
Z= 0.60
X= 1.20 Y= 0.00
Messauflage für horizontale und vertikale Ebene „Styroporplatte“
Anzahl der Aufpunkte für horizontale und vertikale Messungen: 25
Gleicher Aufbau wie in Kapitel 3.1 (Bohrmaschine )
Gemessene Leistungsdaten: 230 V, 0.061 A, cosphi = 0 0.17, 2.47 W, 1.43 Va,
Diplomarbeit IfeA 2004
14.1 Var
Harald Holzmann
0.6
X [m]
0.8
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
X-Komponente
Y-Komponente
0.6
X [m]
0.0
1.1
0.9
0.8
0.5
0.3
0.2
0.0
z [m]
1.1
0.9
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.6
0.7
0.5
Z-Komponente
X [m]
0.8
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.4
0.0
0.1
1.2
0.2
z [m]
0.9
0.8
Betrag
1.0
0.9
Versuchsaufbau: Adapter nicht exakt in der Mitte, sondern ca. 2cm nach
links zur Nulllinie verschoben
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
z [m]
Adapter horizontal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 84
Messungen
3.4.2 Grafische Auswertungen der Messungen am Steckernetzteil mit
„Datahelp 2000“
Abb.3-16 Darstellungen der magnetischen Flussdichte des Steckernetzteils in horizontaler
Ebene
Harald Holzmann
1.1
1.2
1.1
0.3
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
X-Komponente
Y-Komponente
0.6
X [m]
0.0
1.1
0.9
0.8
0.5
0.3
0.2
0.0
z [m]
1.1
0.9
0.8
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.6
0.7
0.5
Z-Komponente
X [m]
0.8
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.4
0.0
0.1
1.2
0.2
z [m]
0.9
0.8
Versuchsaufbau: Adapter nicht exakt in der Mitte, sondern ca. 2cm
nach links zur Nulllinie verschoben
1.0
0.9
Betrag
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
z [m]
Adapter vertikal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 85
Messungen
Abb.3-17 Darstellungen der magnetischen Flussdichte des Steckernetzteils in vertikaler
Ebene
Harald Holzmann
1.1
1.2
1.1
0.3
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 86
Messungen
3.4.3 Steckernetzteil: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Steckernetzteil horizontal
B [µT]
100
B [µT]
B0=56.746 µT
1/r
1/r²
1/r³
10
r [m]
1
0.1
0
0.5
1
1.5
2.275 µT
0.01
Abb.3-18 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Steckernetzteiles in
horizontaler Lage
Steckernetzteil vertikal
B [µT]
1000
B [µT]
1/r
1/r²
B0=234.281 µT
100
1/r³
10
1
r [m]
0.1
0
0.5
1
1.5
1.553 µT
0.01
Abb.3-19 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Steckernetzteils in
vertikaler Lage
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 87
Messungen
3.5
Haarföhn
3.5.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Messung der magnetischen Flussdichte eines Haarföhns Marke „Braun“, Leistung 1000 W
Föhn im Messbetrieb auf Stufe 2 geschaltet
Externe B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
Frequenzbereich auf Breitband 30 Hz – 2 kHz eingestellt
Einstellung auf der Bedienoberfläche des „FieldView“: Intervallbreite für horizontale Ebene
auf 0.05 m und für vertikale Ebene auf 0.10 m eingestellt.
Position der Koordinaten:
Horizontale Ebene: X= -0.30 Y= 0.07 Z= 0.30
Vertikale Ebene:
X= 0.00 Y= -1.00 Z= -1.00
Messauflage für horizontale und vertikale Ebene „Styroporplatte“
Für horizontale Messung: 13 Aufpunkte
Für vertikale Messung:
21 Aufpunkte
Horizontaler Messaufbau: Föhn befindet sich 0.2 m (Dicke der Styroporplatte) unterhalb und
in der Mitte der Messplatte.
Vertikaler Messaufbau: Föhn liegt auf und in der Mitte der Messplatte
Messung ohne Betrieb des Föhns, nur PC und Monitor eingeschaltet:
Die B-Feldsonde liegt auf und in der Mitte der Messplatte
Ergebnisse: Betrag: B= 0.0542 µT, X-Komponente: B= 0.0382 µT,
Y-Komponente: B= 0.0214 µT, Z-Komponente: B= 0.0317 µT
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
X [m]
0.3
0.2
0.1
0.0
0.00
0.05
0.10
0.20
0.15
0.25
0.30
0.40
0.35
0.45
0.50
0.60
0.55
Y-Komponente
0.6
0.3
X [m]
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.6
0.2
0.1
z [m]
0.5
0.4
Z-Komponente
X [m]
X [m]
0.3
0.2
0.1
0.0
X-Komponente
z [m]
0.4
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.00
0.0 0.1 0.1 0.2 0.2 0.3 0.3 0.4 0.4 0.5 0.5 0.6 0.6
0.4
Spannung. ~250 V
Messung:
Föhn befindet sich 2 cm (2cm Platte) unterhalb
und in der Mitte der Messplatte.
Föhn auf Stufe 2 geschaltet.
Aufpunkte: 13 *13; x=-0.30m, y=0,07m, z=0,30m.
Intervallbreite: 0,05 m
BasisXXX 2Messgeraet EFA - 3
01271EC100000066
EFA - 3 Software
3.18 97-12-15 11:25:53
Messung niederfrequentes, magnetisches Feld [µT]
Uhrzeit
11:01:51
Datum
0-02-03
FREQUENZBEREICH: 30Hz.. 2kHz
0.5
Betrag
0.6
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
z [m]
Föhn Marke Braun horizontal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 88
Messungen
3.5.2 Grafische Auswertungen der Messungen am Haarföhn mit „Datahelp 2000“
Abb. 3-20 Darstellungen der magnetischen Flussdichte des Föhns in horizontaler Ebene
Harald Holzmann
0.5
0.0
1.0
X [m]
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
Y-Komponente
1.0
X [m]
0.0
1.8
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
z [m]
2.0
1.8
1.6
1.4
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.8
Z-Komponente
0.6
0.4
0.2
0.0
0.2
2.0
1.0
X [m]
1.2
0.8
X-Komponente
2.0
0.4
z [m]
1.4
X [m]
1.0
Spannung. ~250 V
Messung:
Föhn liegt auf und in der Mitte der Messplatte.
Föhn auf Stufe 2 geschaltet.
Aufpunkte: 21
; x=0.00m, y=-1,00m, z=-0,30m.
Intervallbreite: 0,10 m
BasisXXX 2Messgeraet EFA - 3
01271EC100000066
EFA - 3 Software
3.18 97-12-15 11:25:53
Messung niederfrequentes, magnetisches Feld [µT]
Uhrzeit
10:28:52
Datum
0-02-14
FREQUENZBEREICH: 5Hz.. 30kHz
1.6
1.2
BasisXXX 2Messgeraet EFA01271EC100000066
1.8
1.6
Betrag
2.0
1.8
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.0
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
2.0
1.4
0.0
Föhn Marke Braun erweitert vertikal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 89
Messungen
Abb.3-21 Darstellungen der magnetischen Flussdichte des Föhns in vertikaler Ebene
Harald Holzmann
z [m]
1.4
0.6
1.6
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 90
Messungen
3.5.3 Haarföhn: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Föhn horizontal
B [ µt ]
B[µT]
100
B 0a=26.47 µT
1/r
B 0=30.777 µT
1/r²
1/r³
10
r[m]
1
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
1.296 µT
1.157 µT
0.1
Abb.3-22 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Föhns in horizontaler Ebene
Föhn vertikal
B [µT]
B [µT]
1/r
100
B 0a= 24.89 µT
1/r²
1/r³
B 0b= 14.06 µT
10
1
r [m]
0.1
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0.939 µT
0.01
0.535 µT
Abb.3-23 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Föhns in vertikaler Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 91
Messungen
3.6
Stichsäge
3.6.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Messung der magnetischen Flussdichte eine Stichsäge Marke „Bosch PST 65 PE“,
Leistung 450 W
Stichsäge im Leerlaufbetrieb auf höchste Geschwindigkeitsstufe geschaltet
Externe B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
Frequenzbereich auf Breitband 5 Hz – 2 kHz eingestellt
Einstellung auf der Bedienoberfläche des „FieldView“: Intervallbreite für horizontale und
vertikale Ebene auf 0.05 m eingestellt.
Position der Koordinaten :
Horizontale Ebene: X= 1.20 Y= 0.00
Z= 0.60
Vertikale Ebene:
Z= 0.60
X= 1.20 Y= 0.00
Messauflage für horizontale und vertikale Ebene: “Styroporplatte“
Für horizontale Messung:
25 Aufpunkte
Für vertikale Messung:
25 Aufpunkte
Horizontaler und vertikaler Messaufbau: Stichsäge steht und liegt in der Mitte und am Rand
der Messplatte
Messung Hintergrund (Ohne Betrieb der Stichsäge): 40 – 50 nT
Gemessene Leistungsdaten: 230 V, 0.75 A, cosphi = 0.98; 171 W, 175 VA
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 92
Messungen
3.6.2 Grafische Auswertungen der Messungen an der Stichsäge mit „Datahelp 2000“
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Z [m]
1.2
1.2
1.1
z [m]
1.2
1.1
1.1
0.9
1.0
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.9
0.8
0.7
X [m]
Z-Komponente
0.8
0.6
0.5
0.4
0.3
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0.2
1.2
1.2
0.6
z [m]
0.1
0.0
1.1
Betrag
0.9
X [m]
Y-Komponente
0.8
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
1.1
X [m]
0.8
0.6
0.5
0.3
0.2
X-Komponente
0.9
0.0
BasisXXX 2Messgeraet EFA01271EC100000066
z [m]
Stichsäge, horizontal
0.0
Abb.3-24 Darstellungen der magnetischen Flussdichte der Stichsäge in horizontaler
Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Y-Komponente
0.6
X [m]
0.8
0.5
0.3
0.2
1.2
0.9
0.8
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.5
0.4
Z-Komponente
X [m]
0.6
0.3
0.2
0.0
X-Komponente
0.9
0.7
0.5
Betrag
0.0
1.1
0.8
X [m]
0.6
0.1
1.2
0.2
z [m]
0.9
0.8
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
Stichsäge, vertikal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 93
Messungen
Abb.3-25 Darstellungen der magnetischen Flussdichte der Stichsäge in vertikaler Ebene
Harald Holzmann
z [m]
1.1
1.2
0.9
1.1
1.0
0.3
0.0
z [m]
1.1
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 94
Messungen
3.6.3 Stichsäge: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Stichsäge horizontal
B [µT]
100
B0=74.257 µT
B [µT]
1/r
1/r²
10
1/r³
1
r [m]
0.1
0
0.5
1
1.5
0.70 µT
0.01
Abb.3-26 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte der Stichsäge in horizontaler
Ebene
Stichsäge vertikal
B [µT]
100
B [µT]
1/r
B0= 18.977 µT
1/r²
10
1/r³
1
r [m]
0.1
0
0.01
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0.522 µT
Abb.3-27 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte der Stichsäge in vertikaler Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 95
Messungen
3.7
Haarschneider
3.7.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Messung der magnetischen Flussdichte eines Haarschneiders der Marke „Ba Byliss, Type 724
F “, Leistung 13 W
Externe B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
Frequenzbereich auf Breitband 5 Hz – 2 kHz eingestellt
Einstellung auf der Bedienoberfläche des „FieldView“: Intervallbreite für horizontale und
vertikale Ebene auf 0.05 m eingestellt.
Position der Koordinaten :
Horizontale Ebene: X= 1.20 Y= 0.00
Z= 0.60
Vertikale Ebene:
Z= 0.60
X= 1.20 Y= 0.00
Messauflage für horizontale und vertikale Ebene: “Styroporplatte“
Für horizontale Messung:
25 Aufpunkte
Für vertikale Messung:
25 Aufpunkte
Horizontaler und vertikaler Messaufbau: Haarschneider liegt in der Mitte und am Rand der
Messplatte
Vibrationen in Y- Richtung
Gemessene Leistungsdaten: 230 V, 0.12 A, cosphi = 0.28, 8 W, 28.6 VA, 27.3 VAr
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 96
Messungen
3.7.2 Grafische Auswertungen der Messungen am Haarschneider mit
„Datahelp 2000“
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Z [m]
1.2
1.2
1.1
z [m]
1.2
1.1
1.1
0.9
1.0
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.9
0.8
0.7
X [m]
Z-Komponente
0.8
0.6
0.5
0.4
0.3
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0.2
1.2
1.2
0.6
z [m]
0.1
0.9
X [m]
Y-Komponente
0.8
0.6
0.5
0.3
0.2
Betrag
0.0
1.1
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
1.1
X [m]
0.8
0.6
0.5
0.3
0.2
X-Komponente
0.9
0.0
Haarschneider horizontal
z [m]
Abb. 3-28 Darstellung der magnetischen Flussdichte des Haarschneiders in horizontaler
Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
0.6
X [m]
0.8
0.5
0.3
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Y-Komponente
0.6
X [m]
0.9
0.8
0.5
0.3
0.2
1.2
1.1
0.9
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.5
0.4
Z-Komponente
0.7
0.5
0.3
0.2
0.0
X-Komponente
0.0
1.1
0.8
X [m]
0.6
0.1
1.2
0.2
z [m]
0.9
0.8
0.6
X [m]
1.0
0.9
Betrag
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
z [m]
Haarschneider vertikal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 97
Messungen
Abb. 3-29 Darstellung der magnetischen Flussdichte des Haarschneiders in vertikaler Ebene
Harald Holzmann
1.1
1.2
1.1
0.3
0.0
z [m]
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 98
Messungen
3.7.3 Haarschneider: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Haarschneider horizontal
B [µT]
B 0= 854.171 µT
1000
B [µT]
1/r
1/r²
100
1/r³
10
r [m]
1
0
0.5
1
1.5
7.638 µT
0.1
Abb. 3-30 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Haarschneiders in
horizontaler Ebene
Haarschneider vertikal
B [µT]
B0= 77.395 µT
100
B [µT]
1/r
1/r²
10
1/r³
r [m]
1
0
0.5
1
1.5
2.676 µT
0.1
0.01
Abb. 3-31 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Haarschneiders in vertikaler
Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 99
Messungen
3.8
Kaffeemaschine
3.8.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Messung der magnetischen Flussdichte einer Kaffeemaschine der Marke „Tefal, Typ 8921-10
“, Leistung 1200 W
Externe B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
Frequenzbereich auf selektiv 50 Hz eingestellt
Einstellung auf der Bedienoberfläche des „FieldView“: Intervallbreite für horizontale und
vertikale Ebene auf 0.05 m eingestellt.
Position der Koordinaten :
Horizontale Ebene: X= 1.20 Y= 0.00
Z= 0.60
Vertikale Ebene:
Z= 0.60
X= 1.20 Y= 0.00
Messauflage für horizontale und vertikale Ebene: “Styroporplatte“
Für horizontale Messung:
25 Aufpunkte
Für vertikale Messung:
25 Aufpunkte
Horizontaler und vertikaler Messaufbau: Kaffeemaschine steht in der Mitte und am Rand der
Messplatte
Gemessene Leistungsdaten: 27.7 V, 4.73 A, cosphi = 0.99, 1070 W, 1080 VA
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 100
Messungen
3.8.2 Grafische Auswertungen der Messungen an der Kaffeemaschine mit
„Datahelp 2000“
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Z [m]
1.2
1.2
0.6
z [m]
1.2
1.1
1.1
0.9
1.0
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.9
0.8
0.7
X [m]
Z-Komponente
0.8
0.6
0.5
0.4
0.3
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0.2
1.2
1.2
0.6
z [m]
0.1
X [m]
Y-Komponente
0.8
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
z [m]
1.1
X [m]
0.8
0.6
0.5
0.3
0.2
X-Komponente
0.9
0.0
Kaffeemaschine Tefal, Brühphase
0.9
Betrag
0.0
1.1
Abb. 3-32 Darstellung der magnetischen Flussdichte der Kaffeemaschine in der Brühphase
horizontal an der Vorderseite
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
X-Komponente
Y-Komponente
0.6
X [m]
0.0
1.1
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.7
0.5
0.4
Z-Komponente
0.8
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
1.2
0.2
z [m]
0.9
0.8
0.6
X [m]
1.0
0.9
0.9
0.8
0.0
z [m]
1.1
0.9
0.8
Betrag
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
z [m]
Kaffeemaschine (Hinteransicht), Brühphase
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 101
Messungen
Abb. 3-33 Darstellung der magnetischen Flussdichte der Kaffeemaschine in der Brühphase
horizontal an der Rückseite
Harald Holzmann
1.1
1.2
1.1
0.3
0.6
Y [m]
0.8
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
X-Komponente
Y-Komponente
0.6
Y [m]
0.0
1.1
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.7
0.5
0.4
Z-Komponente
0.8
Y [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
1.2
0.2
z [m]
0.9
0.8
0.6
Y [m]
1.0
0.9
0.9
0.8
0.0
z [m]
1.1
0.9
0.0
in Spalten 10 bis 14 hinter Gerät (also ca. 2 cm versetzt) gemessenBetrag
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
z [m]
Kaffeemaschine, vertikal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 102
Messungen
Abb. 3-34 Darstellung der magnetischen Flussdichte der Kaffeemaschine in der Brühphase in
der vertikalen Ebene
Harald Holzmann
1.1
1.2
1.1
0.3
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 103
Messungen
3.8.3 Kaffeemaschine: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Kaffeemaschine horizontal Brühphase
B [µT]
B [µT]
10
17r
B 0= 5.551 µT
1/r²
1/r³
1
0.1
r [m]
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.060 µT
0.01
Abb. 3-35 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte der Kaffeemaschine in
horizontaler Ebene (Brühphase)
Kaffeemaschine vertikal Brühphase
B [µT]
B [µT]
1/r
1/r²
10
B0= 4.478 µT
1/r³
1
r [m]
0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.34
0.083 µT
0.01
Abb. 3-36 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte der Kaffeemaschine in vertikaler
Ebene (Brühphase)
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 104
Messungen
3.9
Wasserkocher
3.9.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Messung der magnetischen Flussdichte eines Wasserkochers der Marke „Siemens, Typ WK
10 E-Nr TW 2201/02 “, Leistung 1800 W
Externe B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
Frequenzbereich auf Breitband 5 Hz – 2 kHz eingestellt
Einstellung auf der Bedienoberfläche des „FieldView“: Intervallbreite für horizontale und
vertikale Ebene auf 0.05 m eingestellt.
Position der Koordinaten :
Horizontale Ebene: X= 1.20 Y= 0.00
Z= 0.60
Vertikale Ebene:
Z= 0.60
X= 1.20 Y= 0.00
Messauflage für horizontale und vertikale Ebene: “Styroporplatte“
Für horizontale Messung:
25 Aufpunkte
Für vertikale Messung:
25 Aufpunkte
Horizontaler und vertikaler Messaufbau: Wasserkocher steht in der Mitte und am Rand der
Messplatte
Messung Hintergrund (Ohne Betrieb): 14 – 45 nT
Gemessene Leistungsdaten: 229.4 V, 7.4 A, cosphi = 0.99, 1660 W, 1673 VA
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
X-Komponente
Y-Komponente
0.6
X [m]
0.0
1.1
0.9
0.8
0.5
0.3
0.2
0.0
z [m]
1.1
0.9
0.8
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.6
0.7
0.5
0.4
Z-Komponente
X [m]
0.8
X [m]
0.6
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
1.2
0.2
z [m]
0.9
0.8
Betrag
1.0
0.9
Typ WK 10 E-Nr TW 2201/02, Typ WK 9-A, 1800 W
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
z [m]
Wasserkocher Siemens horizontal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 105
Messungen
3.9.2 Grafische Auswertungen der Messungen am Wasserkocher mit „Datahelp 2000“
Abb. 3-37 Darstellung der magnetischen Flussdichte des Wasserkochers in horizontaler
Ebene
Harald Holzmann
1.1
1.2
1.1
0.3
0.6
Y [m]
0.8
0.5
0.3
0.2
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
Y-Komponente
0.6
Y [m]
0.8
0.5
0.3
0.2
z [m]
1.2
1.1
0.9
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.5
Z-Komponente
Y [m]
0.6
0.3
0.2
0.4
0.0
X-Komponente
0.9
0.7
0.5
Betrag
0.0
1.1
0.8
Y [m]
0.6
0.1
1.2
0.2
z [m]
0.9
0.8
Diplomarbeit IfeA 2004
Z [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.2
Wasserkocher Siemens vertikal
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 106
Messungen
Abb. 3-38 Darstellung der magnetischen Flussdichte des Wasserkochers in vertikaler Ebene
Harald Holzmann
z [m]
1.1
1.2
0.9
1.1
1.0
0.3
0.0
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 107
Messungen
3.9.3 Wasserkocher: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Wasserkocher horizontal
B [µT]
B0= 9.903 µT
10
B [µT]
1/r
1/r²
1/r³
1
r [m]
0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0.191 µT
0.01
Abb. 3-39 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Wasserkochers in
horizontaler Ebene
Wasserkocher vertikal
B [µT]
10
B [µT]
B0= 4.795 µT
1/r
1/r²
1/r³
1
r [m]
0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.163 µT
0.01
Abb. 3-40 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Wasserkochers in vertikaler
Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 108
Messungen
3.10 Radiowecker
3.10.1 Messaufbau und Durchführung der Messung
Messung der magnetischen Flussdichte eines Radioweckers der Marke „Audioton E 333 “,
Leistung 6 W
Externe B-Feldsonde mit 3 cm Durchmesser
Frequenzbereich auf Breitband 5 Hz – 2 kHz eingestellt
Einstellung auf der Bedienoberfläche des „FieldView“: Intervallbreite für horizontale und
vertikale Ebene auf 0.05 m eingestellt.
Position der Koordinaten :
Horizontale Ebene: X= 1.20 Y= 0.00
Z= 0.60
Vertikale Ebene:
Z= 0.60
X= 1.20 Y= 0.00
Messauflage für horizontale und vertikale Ebene: “Styroporplatte“
Für horizontale Messung:
24 Aufpunkte
Für vertikale Messung:
24 Aufpunkte
Horizontaler und vertikaler Messaufbau: Radiowecker steht in der Mitte und am Rand der
Messplatte
Gemessene Leistungsdaten: 230 V, 0.015 A, cosphi = 0.5, 1.5 W, 3.5 VA, 3.1 Var
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
0.5
0.3
0.2
0.0
X-Komponente
X [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Y-Komponente
0.2
z [m]
1.1
0.9
0.8
50.000000E-3
0.000000E+0 600.000000E-3
0.3
X [m]
0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
X [m]
Z-Komponente
0.4
0.0
X/Z-Ebene
24.000000E+0
1.200000E+0
0.5
0.5
0.2
0.0
5Hz.. 2kHz
0.6
0.6
0.3
1,5W; 3,5VA; 3,1VAr
BasisXXX 2Messgeraet EFA - 3
EFA - 3 Software
Messung niederfrequentes, magnetisches Feld [µT]
Uhrzeit
Datum
FREQUENZBEREICH:
0.0
1.1
0.7
0.5
5Hz.. 2kHz
0.6
0.2
z [m]
0.8
X [m]
0.6
5Hz-2kHz
1,72uT
x=74%, y=2%, z=24%
BasisXXX 2Messgeraet EFA - 3
EFA - 3 Software
Messung niederfrequentes, magnetisches Feld [µT]
Uhrzeit
Datum
FREQUENZBEREICH:
0.9
0.8
Betrag
1.0
0.9
Diplomarbeit IfeA 2004
1.1
1.1
0.8
Radiowecker horizontal
Z [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 109
Messungen
3.10.2 Grafische Auswertungen der Messungen am Radiowecker mit „Datahelp 2000“
Abb. 3-41 Darstellung der magnetischen Flussdichte des Radioweckers in horizontaler Ebene
Harald Holzmann
z [m]
0.3
0.9
0.5
0.3
0.2
0.0
X [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Y-Komponente
0.6
X [m]
0.0
1.1
0.8
0.5
0.3
0.2
0.0
z [m]
1.1
0.9
0.8
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.5
0.4
Z-Komponente
0.7
0.5
0.3
0.2
0.0
0.1
1.1
0.8
X [m]
0.6
X-Komponente
0.6
0.2
z [m]
0.6
X [m]
0.9
0.8
Betrag
1.0
0.9
Diplomarbeit IfeA 2004
1.1
1.1
Radiowecker vertikal (seitenverkehrt)
Z [m]
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 110
Messungen
Abb. 3-42 Darstellung der magnetischen Flussdichte des Radioweckers in vertikaler Ebene
Harald Holzmann
z [m]
0.3
0.9
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 111
Messungen
3.10.3 Radiowecker: Charakteristik 1/r, 1/r2, 1/r3
Radiowecker horizontal
B [µT]
10
B [µT]
B0= 2.650 µT
1/r
1/r²
1/r³
1
r [m]
0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0.103 µT
0.01
Abb. 3-43 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Radioweckers in
horizontaler Ebene
Radiowecker vertikal
B [µT]
B0= 9.062 µT
10
B [µT]
1/r
1/r²
1/r³
1
0.1
r [m]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0.269 µT
0.01
Abb.3-44 Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte des Radioweckers in vertikaler
Ebene
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 112
Messungen
3.11 Vergleich gemessene magnetische Flussdichten von diversen
Geräten mit bekannten Werten aus Literaturangaben
Tabelle 2-10 gibt einen Überblick über die auftretenden Flussdichten bei gemessenen elektrischen Geräten des täglichen Gebrauchs.
Gerät
Nachtspeicherofen
Bohrmaschine
Monitor Philips 107
Halogen Leuchte
Steckernetzteil
Haarfön
Stichsäge
Haarschneider
Kaffeemaschine
Wasserkocher
Radiowecker
Entfernung
gemessene magnetische
Flussdichten [µT]
Horizontal Vertikal
Maß für
magnetische Flussdichten [µT]
(siehe Kapitel
2.3.6,[12],[13])
10 cm
76.64
20.71
-
30 cm
6 cm
5.31
55.09
12.40
302.65
< 10
-
30 cm
0.42
1.33
2 - 3.5
10 cm
0.45
0.24
-
30 cm
0.14
0.06
0.25
10 cm
26.96
15.49
-
30 cm
0.74
0.75
<5
10 cm
56.74
234.28
-
30 cm
2.27
1.55
<5
10 cm
30.77
24.89
-
30 cm
1.29
0.93
0.01 - 7
8 cm
74.25
18.97
-
30 cm
0.70
0.52
2 - 3.5
6 cm
854.17
77.39
-
30 cm
7.63
2.66
0.08 - 9
7 cm
5.55
4.47
-
30 cm
0.06
0.083
< 20
9 cm
9.90
4.79
-
30 cm
0.19
0.16
< 20
5 cm
2.65
9.06
-
30 cm
1.03
0.26
1
Tabelle 2-10 Vergleich gemessene magnetische Flussdichte mit Flussdichten aus Tabellen
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 113
Zusammenfassung
4
Zusammenfassung
Wachsendes Umweltbewusstsein und die immer wieder berichteten möglichen negative Effekte auf den menschlichen Organismus durch elektromagnetische Felder, umgangsprachlich
Elektrosmog genannt, führen vermehrt zu einer Auseinandersetzung mit dem Thema in der
Öffentlichkeit.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit stand die Messtechnik und die Durchführung von Messungen der magnetischen Flussdichte im Vordergrund. In der aktuellen Literatur wird viel über
die Physik solcher Felder geschrieben. Dabei kommen allerdings verschiedene Problemansätze bezüglich der genauen Erfassung der Feldgrößen, d.h. der Messtechnik, etwas zu kurz.
Deshalb wird hier basierend auf den theoretischen Grundlagen elektromagnetischer Felder auf
mögliche Messfehler und Unzulänglichkeiten der Feldsensoren eingegangen. So sind z.B. als
Einflüsse bei der Messung magnetischer Flussdichten besonders die Bewegungsinduktion,
sowie auch die Feldverzerrung durch ferromagnetische Körper zu beachten.
Von der Firma Wandel & Goltermann wurde ein Messgerät „EFA-3“ entwickelt, das speziell
für die Erfassung niederfrequenter elektrischer Felder und magnetischer Flussdichten dient.
Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Bedienung des Feldanalysators EFA-3, einschließlich mit der Messgenauigkeit der eingebauten dreidimensionalen Magnetfeldsonde und den
beiden externen Präzisions- H-Feldsonden nach VDE und IEC Standard (A=100 cm2) und der
kleinen Sonde (Ø= 3 cm).
Mit Hilfe der am Institut für Elektrische Anlagen entwickelten Software „FieldView“ (grafische Programmiersprache LabVIEW 5.1) ist es möglich, über eine serielle Schnittstelle (RS232) die gemessenen Daten vom Feldanalysator EFA-3 auf einen Personalcomputer oder Laptop zu übertragen. Mit dieser anwenderspezifischen Benutzeroberfläche des Programms
„FieldView“ ist es einfacher und übersichtlicher Messungen niederfrequenter magnetischer
Flussdichten und elektrischer Felder durchzuführen.
An Hand eines Messbeispiels wurde der genaue Ablauf einer Messung magnetischer Flussdichte mit Unterstützung des Programms „FieldView“ detailliert beschrieben. Die praktischen
Einsatzmöglichkeiten wurden in weiteren Messungen verschiedener Haushaltsgeräte aufgezeigt.
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung niederfrequenter magnetischer Felder
Seite 114
Zusammenfassung
Die in Textfile abgespeicherten Messdaten werden im Programm „Datahelp 2000“ (MS Excel, Visual Basic) grafisch ausgewertet, welche 2-dimensionale Darstellungen der magnetischen Flussdichten ermöglicht.
In einem weiteren „Microsoft Excel Programm“ wird die Charakteristik der Intensitätsabnahme der magnetischen Flussdichte von verschiedenen Quellen in Abhängigkeit von den
Entfernungen berechnet. Die in verschiedenen Entfernungen ermittelten magnetischen Flussdichten von diversen Haushaltsgeräten werden mit bekannten Werten aus der Literatur verglichen und in einer Tabelle zusammengefasst.
Hieraus ergibt sich die Möglichkeit z.B.exponierte Stellen oder Arbeitsplätze in öffentlich
zugänglichen Bereichen zu überprüfen, ob die jeweils gültigen Richtlinien der IRPA / WHO
und ICNIRP eingehalten werden.
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung
Seite 115
Literatur
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Literatur
[1]
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[3]
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Larch Johannes: Niederfrequente magnetische Drehfelder in der elektrischen Energietechnik, 1998
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Gebrauchsanweisung bzw. Bedienungsanleitung des EFA-1 / EFA-2 / EFA-3 EMFeldanalysator B-Feld; BN 2245/01/02/03, Serie C…; Autor: D. Tandler; BestellNr.:2245/98.01, Ausgabe: 04/96.09, C…, Wandel & Goltermann GmbH & Co.,1996
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Prof. Dr. -Ing. Andreas Neyer: Fakultät für Elektrotechnik, Arbeitsgebiet Mikrostrukturtechnik, Vorlesung: „ Werkstoffe der Elektrotechnik“
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Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Norbert Vana, Atominstitut der österreichischen
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[13]
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[14]
Elektromagnetische Felder: „Einwirkungen auf den Menschen “
Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann
Computerunterstützte Messung
Seite 116
Literatur
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[15]
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[16]
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an der Technischen Universität Graz
[19]
Datenblatt Feldanalysatorsystem EFA-3 unter: www.safety-test-solutions.de/
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Diplomarbeit IfeA 2004
Harald Holzmann