Wachsende Ansprüche an die

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1 de-1-2/03-gt10-y-as :10 Uhr Seite 30 Elektrische Feldstärkemessungen für den Niederfrequenzbereich in Gebäuden und an Körpern Martin Schauer Vor der Umsetzung einer baubiologischen Elektroinstallation muss man die vorhandenen elektromagnetischen Felder messtechnisch erfassen. Doch diese Messungen können sich als überaus schwierig erweisen teilweise haben die gemessenen Werte aufgrund von Messfehlern nichts mit der Realität zu tun. Wir zeigen, wie man die Messungen korrekt durchführt. Wachsende Ansprüche an die elektrotechnische Ausstattung in Wohngebäuden und die zunehmende Thematisierung von gesundheitlichen Risiken, auch durch schwache Felder, haben zur steigenden Nachfrage nach entsprechenden Maßnahmen zur Reduzierung der Felder geführt. Bei Um- und Neubauten kann dies durch den Einsatz geschirmter Installationen realisiert werden (siehe»de«12/2000, S.43 f.;»de«24/2002, S.46). Bei bereits vorhandenen Anlagen in bestehenden Gebäuden müssen die Immissionen zunächst messtechnisch erfasst werden, um die Notwendigkeit von Eingriffen in die elektrische Anlage, bzw. von aufwendigen Abschirmmaßnahmen festzustellen. Elektrische Felder im Niederfrequenzbereich sind jedoch verhältnismäßig schwer zu erfassen, weil jeder elektrisch leitfähige Gegenstand, die Messeinrichtung selbst und auch die messende Person das elektrische Feld verändert. In einer vom Autor beauftragten Untersuchung 1) wurden Messgeräte und Messverfahren aus der baubiologischen Messtechnik und der EMVU- Messtechnik (EMVU = Elektro-Magne- 1) Messungen an E-Feldstärkemessgeräten für den Niederfrequenzbereich von Dr.- Ing. G. Bahmeier und Dr.-Ing. M. H. Virnich/ Das Projekt wurde dankenswerter Weise von der LGA Bayern gefördert Elektromeister Martin Schauer, Würzburg tische-verträglichkeit-umwelt) auf ihre Messgenauigkeit und Handhabung untersucht. Dieser Beitrag stellt wesentliche Ergebnisse der Untersuchung und weitere Aspekte der Feldmesstechnik vor. Es ist wissenschaftlich gesichert, dass starke niederfrequente elektrische Felder zu Gesundheitsschäden führen. Schwache niederfrequente elektrische Felder stehen im begründeten Verdacht, gesundheitliche Beschwerden auszulösen. Im Sinne der Gesundheitsvorsorge entscheiden sich daher immer mehr Menschen für Reduzierungsmaßnahmen. Diese werden beispielsweise durch Abschalten, Abkoppeln (siehe»de«9/2002, S.52) und Abschirmen erreicht. Durch möglichst genaue Feldmessungen lässt sich feststellen, ob Maßnahmen zur Feldstärkereduzierung erforderlich sind und ob sie Erfolg bringen. Anders als bei der Messung von niederfrequenten magnetischen Wechselfeldern, bei der es durch das Einbringen von Messgerät und messender Person zu keiner Veränderung der Feldsituation kommt, muss man bei der Erfassung von niederfrequenten elektrischen Wechselfeldern die Tatsache berücksichtigen, dass jedes in das elektrische Feld eingebrachte leitfähige Objekt das Feld stört auch der menschliche Körper (Bild 1). Deshalb bestehen hohe Anforderungen an die einzusetzenden Messgeräte und Messverfahren. In der Praxis unterscheidet man heute zwei unterschiedliche Feldmessverfahren: Das»erdbezogene«Messverfahren Das»potentialfreie«Messverfahren Erdbezogenes Messverfahren Bild 1: Leitfähige Objekte im elektrischen Feld, welches durch Leitungen, Verbindungs- und Steckdosen in den Wänden verursacht wird In den 80er Jahren entwickelten das schwedische MPR-Gremium (»National Board for Measurement and Testing«) und die schwedische Organisation TCO (Zentralorganisation der Angestellten und Beamten) zusammen mit vielen Verbänden, u.a. auch dem schwedischen Elektroverband Semko (Svenska Elektriska Materielkontrollanstalten) einen Standard, der neben Ergonomie- und Energiesparaspekten nicht nur sehr niedrige Bildschirmemissionen festlegt, sondern auch das entsprechende Messverfahren dazu definiert: Ein kreisförmiger Sensor (Bild 2), bestehend aus innerer Messsonde und einem äußeren, über eine Messleitung an das Potential»Erde«kontaktierten Schirmring, wird nach einer detaillierten Spezifikation (zum Messumfeld) 30 cm vor dem Bildschirm positioniert. Die dabei registrierte Feldstärke darf nach derzeitig angewendetem Standard»TCO 99«10 V/m im Frequenzband 5 Hz bis 2 khz und 1 V/m im Frequenzband 2 khz bis 400 khz nicht überschreiten. Die Feldlinien werden bei diesem Messverfahren durch den äußeren, auf Erdpotential liegenden Schirm bewusst auf das Messgerät hin orientiert. Das Feld entspricht nicht mehr dem Ursprungsfeld im Raum. Mit dieser Messkonstellation kann man somit verglei- 30 de 1-2/2003

2 de-1-2/03-gt10-y-as :10 Uhr Seite 31 Bild 2: TCO-Sonde chende Emissionsmessungen an den zu untersuchenden Objekten (Bildschirmen) vornehmen. Die Messergebnisse geben jedoch keine Auskunft darüber, wie sich die Feldsituation des Bildschirmes an seinem späteren Einsatzort verhält. Dieses Messverfahren schafft definierte Randbedingungen zur Umgebungssituation, die in das Messergebnis mit eingehen. Die tatsächlich emittierten Felder (beispielsweise der Bildschirme) im praktischen Einsatz können nicht größer sein, sondern nur kleiner. In der baubiologischen Messtechnik kommen die gleichen Sonden bzw. abgewandelte Kleinsonden (Bild 3) für Schlafplatzuntersuchungen zum Einsatz. Die zu erdende Messleitung wird dann entweder am Schutzkontakt einer Steckdose, an einem metallischen Heizungsoder Wasserrohr oder an einem Hilfserder angeschlossen. Die dabei im Umfeld eines Schlafplatzes festgestellten Werte sollen nach dem Standard der Baubiologischen Messtechnik (SBM) und den dafür geltenden Richtwerten unter 1 V/m bzw. 5 V/m liegen (»de«5/2001, S.35 f.). zwischen den Sensorplatten angeordneten Auswerteelektronik und einer Messwertübertragung über Lichtwellenleiter an die Anzeigeeinheit, das zu messende Feld möglichst nicht zu verändern. LWL haben praktisch keinen Einfluss auf das elektrische Feld. Anwendung findet diese Messmethode bisher bei der Beurteilung von Aufenthaltsorten im Sinne der Bundesimmissionsschutzverordnung. Entsprechende Messvorschriften sehen die Messanordnung ohne den Einfluss von Personen im zu messenden Feld vor: die DIN VDE (VDE 0848 Teil 1): , Sicherheit in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern, Teil 1: Definitionen, Mess- und Berechnungsverfahren. Der Grenzwert der Immissionsschutzverordnung für Niederspannungsanlagen (über 1000 V) für das niederfrequente elektrische Wechselfeld (50 Hz) beträgt 5000 V/m. Unabhängig von der Betrachtung der Messverfahren unterscheiden sich die Werte der TCO und die Richtwerte des SBM erheblich von denen der Bundesimmissionsschutzverordnung. Die Unterschiede spiegeln einmal das Streben nach Gesundheitsvorsorge wider (bei TCO und SBM). Dem gegenüber steht die Sichtweise gesetzlich anerkannter Grenzwertregelungen, die sich im wesentlichen auf den thermischen Eintrag und Nervenreizungen beim Menschen im elektrischen Feld beschränkt. Potentialfreie Messung Die heute verwendeten Feldsonden für das potentialfreie Messverfahren (Bild 4a, 4b und 5) wurden auf Basis der Untersuchungen (1994) von Dr.-Ing. Georg Bahmeier 2) entwickelt. Grundlage dieser Messmethodik ist es, mit einer 2) Feldsonden für Kalibrierzwecke und zur Bestimmung von Betrag und Richtung der elektrischen Feldstärke, Georg Bahmeier 1994 Bild 3: Kleinsonde de 1-2/

3 de-1-2/03-gt10-y-as :10 Uhr Seite 32 Bild 4a: Würfelsonde (3D) narda Safety Test Solutions Bild 4b: Würfelsonde (3D) ROM Elektronik In der Untersuchung wurden die beiden Messverfahren getestet im Hinblick auf Immissionsmessungen in Gebäuden, speziell am Schlafplatz, in Anoder Abwesenheit des menschlichen Körpers, auf ihre Messgenauigkeit, Handhabung und ihre Möglichkeit zu Messungen direkt an der Körperoberfläche des Menschen. Zusätzlich wurden die Verfahren auf ihre Eignung zu realistischen Vergleichsmessungen im Sinne KONGRESS ZUM THEMA Vom Februar 2003 findet in Würzburg (Festung Marienberg) der ELQ-Fachkongress»Mehr Lebensqualität mit Baubiologischer Elektrotechnik«statt. Behandelt werden auf dem Fachkongress u.a. folgende Themen: Wohnen, Bauen und Renovieren im 21. Jahrhundert Biologische Wirkungen schwacher elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder Baubiologische Maßnahmen aus Sicht der Fachverbände und des Elektrohandwerks Fallbeispiele aus 20 Jahren baubiologischer Messtechnik Bild 5: Flachsonde (1-D, Dr. Bahmeier) einer Sanierungskontrolle betrachtet, nachdem die Feldsituation durch das Einbringen großflächiger, geerdeter Abschirmungen verändert worden ist. Dies sollte insbesondere die Frage klären, ob das potentialfreie Messverfahren zusätzlich zu der Möglichkeit der Erfassung des ungestörten Feldes sich auch dazu eignet, in direkter Nähe zu Körpern und Objekten zu messen. Auf der anderen Seite sollte das erdbezogene Messverfahren auf seine Aussagekraft hin untersucht werden: Bisher ging man davon aus, dass durch das Einbringen der Sonde und des Erdpotentials in das Feld eine ähnliche oder gleiche»worst-case«-konstellation entsteht wie bei der Schlafsituation (in Anwesenheit einer Person im Bett), bei der durch die Leitfähigkeit des Menschen es ebenfalls zu einer Feldlinienkonzentration kommt. Untersuchung im Plattenkondensator Grenzen der drahtlosen Übertragungstechnik Reduzierung elektrischer und elektromagnetischer Felder durch Einsatz von Abschirmmateralien Einsatz von EIB und Logikbausteinen zur Reduzierung elektrischer Wechselfelder Praxislösungen aus der baubiologischen Elektrotechnik Der Kongress richtet sich an Elektroinstallationsbetriebe, Planungsbüros, Architekten, Baubiologen, Berufsgenossenschaften, Behörden und Büroeinrichter. Nähere Auskünfte gibt es unter: Der erste Test der verschiedenen Messgeräte fand im homogenen Feld in einem Messaufbau mit bekannter Feldsituation statt (Bild 6). Bei den ersten Versuchsreihen wurden die Platten bei einem Abstand von 0,4 m über einen Trenn- und Regeltransformator an eine Spannung von 40 V gelegt. Somit ergibt sich eine Feldstärke von 100 V/m zwischen den Platten, unabhängig von der Messhöhe. Zusätzlich wurde das Verhalten der Messgeräte bei Verbinden der unteren bzw. oberen Platte mit dem Erdpotential untersucht (entspricht dem Verhalten der Messgeräte in der Umgebung von großflächigen, geerdeten Flächen). Im Zentrum der Horizontalebene (hier ist das Feld sehr homogen) wurden unter Zuhilfenahme von Styroporunterlagen die Messungen in verschiedenen Höhen vorgenommen. Styropor verändert das elektrische Feld nur unwesentlich. Messergebnisse beim potentialfreien Messverfahren Die Grafik zu den potentialfrei messenden Sonden (Bild 7) zeigt, dass sowohl der 1-D-Flachsensor (eignet sich mit nur einem Plattenpaar nur für eindimensionale Messungen) als auch der 3-D-Würfelsensor (dieser hat drei orthogonal angeordnete Plattenpaare und eignet sich deshalb für dreidimensionale Messungen) unabhängig von der Messhöhe und unabhängig von der Erdung der geerdeten oberen bzw. unteren Platte genaue Messwerte liefern. Erst bei einer Messhöhe von wenigen cm tritt ein Näherungseffekt ein: Bei geringem Abstand zu Feld erzeugenden Körpern kommt es zu einer überhöhten Feldstärkeanzeige. Der Flachsensor dient als Kalibriersensor, da es durch die niedrige Bauform in Feldlinienrichtung nur zu geringen Wechselwirkungen mit leitenden Objekten kommt. Der Näherungseffekt tritt deshalb nicht so deutlich auf wie beim großvolumigen Würfelsensor. Da die Feldlinien immer senkrecht auf leitfähigen Körpern auftreffen, kann man mit dem eindimensional messenden Flachsensor an Objektoberflächen messen. Der Würfelsensor zeigt bei geringem Abstand zu leitenden Objekten eine deutlich überhöhte Feldstärkeanzeige. Der Näherungsfaktor lässt sich für jede Würfelsonde in einem Versuchsaufbau ermitteln. Mit diesem Faktor kann man den überhöhten Feldstärkewert korrigieren. Somit eignen sich potentialfreie Messsysteme für Immissionsmessungen in Gebäuden, insbesondere auch am Schlafplatz, in Anwesenheit oder in Abwesenheit des menschlichen Körpers. 32 de 1-2/2003

4 de-1-2/03-gt10-y-as :10 Uhr Seite 33 Messergebnisse beim erdbezogenen Messverfahren Die Grafiken (Bild 8) und (Bild 9) stellen die Messwerte der erdpotentialbezogenen Messverfahren denen des Würfelsensors und dem Idealwert von 100 V/m gegenüber. Zunächst wurde für die erste Messreihe (Bild 8) die obere Platte des Versuchsaufbaus geerdet. Die TCO-Sonden bzw. Kleinsonden befinden sich mit nach unten gehaltener Sensorfläche im Kondensatoraufbau (Bild 10). Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Messwerte sehr stark vom Abstand zur Feldquelle abhängen. Je nach Abstand ergeben sich drastische Unterschiede, die bis zum Vielfachen der Feldstärke des eingestellten Feldes (100 V/m) reichen. Bei der zweiten Messreihe (Bild 9) wurde die untere Platte geerdet, die Sondenflächen der erdbezogenen Messgeräte wurden wieder nach unten gerichtet. Auch hier zeigen sich sehr vom Abstand abhängige Messergebnisse. Jedoch kommt es jetzt bei der Näherung zur unteren geerdeten Kondensatorplatte zu sehr niedrigen Messwerten. Da die Gegenelektroden der erdbezogenen Feldsensoren auf dem gleichen Potential liegen wie die untere (geerdete) Kondensatorplatte, zeigen die Geräte eine wesentlich zu geringe Feldstärke an. Mit erdbezogenen Messgeräten kann man daher nur korrekt messen, wenn die Feldsituation bekannt ist, bzw. durch das Messverfahren selbst definiert werden soll (z.b. Bildschirmfeldstärkemessung): d.h. Emissionsmessung unter raumunabhängigen Parametern. In unbekannten Feldsituationen können durch die auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Leitungen und Körper entweder zu hohe oder auch zu niedrige Messergebnisse angezeigt werden. Es besteht somit bei allen Untersuchungen in Gebäuden hier ist die Feldsituation grundsätzlich unbekannt das Risiko der Fehlmessung und der Ableitung falscher Sanierungsmaßnahmen. Die Gefahr der Unterschätzung von Feldsituationen besteht insbesondere dann, wenn sich großflächige, geerdete Flächen im Umfeld eines zu untersuchenden Ortes befinden. Dies ist im Sinne der beabsichtigten Gesundheitsvorsorge kaum zu tolerieren. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden weitere Messungen an einem Schlafplatz-Laboraufbau, bzw. am realen Schlafplatz durchgeführt. Die im homogenen Feld (Versuchsaufbau) gewon- Bild 6: Messaufbau Plattenkondensator Bild 7: Potentialfreie Messgeräte im Plattenkondensator Bild 8: Obere Kondensatorplatte geerdet, Sensorfläche zeigt nach unten Bild 9: Untere Kondensatorplatte geerdet, Sensorfläche zeigt nach unten de 1-2/

5 de-1-2/03-gt10-y-as :10 Uhr Seite 34 nenen Ergebnisse fanden sich hier bestätigt. Das Problem des»sauberen«erdpotentials Eine weitere Problematik der erdbezogenen Messverfahren liegt in der Beurteilung des Erdbezugspunktes. Da in der baubiologischen Messtechnik schwache Felder im Bereich von 1 V/m noch erfasst und bewertet werden sollen, muss man die Erdungsmessleitung der Feldsonden an einem geeigneten Bezugspunkt mit Erdpotential kontaktieren. Denn das Messergebnis hängt nicht nur ab vom Abstand zur Feldquelle und dem Potential der Feldquelle ab, sondern auch vom Potential des Messbezugspunktes. Folgende Beispiele verdeutlichen diese Problematik: Misst man beispielsweise mit einer TCO-Sonde (Bild 11) im Abstand von 0,3 m zu einer Feldquelle, deren Potential U Feldquelle = 6 V gegenüber einem Hilfserder U Bezug = 0 V liegt, ergibt sich eine Feldstärkeanzeige von E = 20 V/m. Wird jetzt nicht gegen das Bezugspotential»Hilfserde«, sondern gegen das Bild 11: Messung TCO-Sonde gegen Hilfserder (Potential Erde=0) Bild 10: Kleinsonde, Sensorfläche zeigt nach unten Bild 12: Messung TCO-Sonde gegen Schutzkontakt mit»unsauberer«erde (Potential auf 3 V»angehoben«) Bezugspotential»Schutzkontakt«einer Steckdose gemessen (Bild 12), dessen Potential durch Potentialausgleichsströme und Geräteableitströme auf 3 V angehoben ist, ergibt sich eine Feldstärkeanzeige von nur 10 V/m. Noch drastischere Fehlmessungen können entstehen, wenn in einem TN-C- System der PEN-Leiter als Bezugspotential zu einer Feldstärkemessung herangezogen wird. Da je nach Anzahl und Leistung der zugeschalteten Geräte und Anlagenteile jetzt der gesamte Betriebsstrom über den PEN-Leiter fließt, kann das Messbezugspotential deutlich angehoben werden. Die Betriebsstromstärke auf dem PEN-Leiter und somit das Messbezugspotential verändert sich zeitlich je nach Energiebedarf im betreffenden Anlagenteil. Im Verlauf einer messtechnischen Analyse kommt es dann zu sich ständig verändernden Feldstärkeanzeigen. Die Überprüfung von Erdungsanlagen und Potentialausgleich erfordert geeignete Messgeräte nach DIN VDE 0413 Teil 5: mit ausreichend großer Messspannung und Messstrom. Zusätzlich müssen sich die Messverfahren dazu eignen, die Qualität der Hilfserde zu kontrollieren, und der Messstrom darf nicht durch vagabundierende Ströme beeinflusst werden. Sind diese Messgeräte nicht vorhanden bzw. werden sie nicht eingesetzt, ist eine Beurteilung des Messbezugspunktes kaum möglich. Zusammenfassung Aus den Ergebnissen der Untersuchungen an Feldstärkemessgeräten und der Problematik der auszuwählenden Messbezugserde lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: Mit dem potentialfreien Messverfahren kann man auch in unbekannten Feldsituationen sicher messen. In der Nähe von Körpern (auch am Menschen) lässt sich mit dieser Messmethode die elektrische Feldstärke sicher erfassen. Bei den Würfelsensoren ergibt sich in nahem Abstand zu leitfähigen Objekten ein Näherungseffekt mit überhöhter Feldstärkeanzeige. Diesen kann man mit einem Korrekturfaktor ausgleichen, der für jede einzelne Sonde in einem einfachen Versuchsaufbau zu ermitteln ist. Mit diesem Messverfahren eröffnen sich aus der Sicht des Autors für die baubiologische Messtechnik interessante Möglichkeiten zur Erfassung von elektrischen Feldstärken im Niederfrequenzbereich. Bei dieser Messmethode entfällt eine aufwendige Beurteilung des Erdbezugspunktes. Die Messungen können je nach Fragestellung der Untersuchung in Anwesenheit bzw. Abwesenheit des Menschen durchgeführt werden. Auch schwierige Messsituationen mit großflächigen, geerdeten Flächen kann man sicher erfassen. Somit haben Sanierungsempfehlungen bzw. deren Kontrollmessungen eine sichere Grundlage im Sinne der Qualitätssicherung. 34 de 1-2/2003