Dipl.-Ing. Rainer Elschenbroich, Böblingen
[Februar 1999]
Dieser Beitrag beschreibt und vergleicht die gängigen Verfahren zur Messung niederfrequenter elektrischer Felder. Es wird ein weiteres Verfahren vorgestellt, welches bei personenbeeinflußten Feldern einige Vorteile aufweist und mit bereits vorhandenen Meßgeräten praktiziert werden kann.
1. Die potentialfreie Messung
2. Die Messung gegen Erde
3. Die Körperspannungsmessung
4. Die "körperbezogene" Feldstärkemessung
als Alternative
5. Ein konkretes Fallbeispiel
6. Fazit
Literatur
Das in der Elektrotechnik und Physik gängige Verfahren zur Messung elektrischer Felder ist das Einbringen eines Kondensators - also zweier sich gegenüber stehender Platten mit definierter Größe und Abstand - in das Feld. Gemessen wird der Strom, der sich ergibt, wenn die Platten kurzgeschlossen werden. Dieser Strom ist proportional zur Frequenz und zur Feldstärke. Die Frequenzabhängigkeit läßt sich durch eine elektronische Schaltung (Integrator) kompensieren, sodaß eine frequenzunabhängige Feldstärkemessung möglich wird.
Dieser Kondensator als eigentliches Meßgerät und die Ableseeinheit sind in der Regel einige Meter voneinander entfernt und kommunizieren über einen Lichtwellenleiter miteinander, um die Feldverzerrung durch die Anwesenheit von Personen oder Leitungen so gering wie möglich zu halten.
Problematisch an dieser Meßmethode ist vor allem, daß auch die vom Feld betroffenen Personen sich während der Messung nicht im Feld aufhalten dürfen - so schreiben es zumindest die einschlägigen DIN/VDE-Normen vor. Dies führt in der Regel zu Meßergebnissen, die deutlich geringer sein können als die mit einem Körper im Feld tatsächlich vorhandenen Feldstärken. Ein Beispiel hierfür sei in Bild 1 angeführt.
Bild 1 : Potentialfreie Messung eines Feldes zwischen einer spannungsführenden
Fläche und einer geerdeten Fläche
Gegeben ist hier ein elektrisches Feld, was zwischen einer Feldquelle (z.B. eine unter Spannung stehende Wand) und einer Feldsenke (z.B. ein geerdeter Heizkörper) entsteht.
Bei einer Netzspannung von 230 V und einem Abstand von 2 m zwischen Wand und Heizung entsteht ein maximales elektrisches Feld der Größe E = U/d = 230 V / 2 m = 115 V/m.
Dies ist auch die Feldstärke, die sich mittels potentialfreier Messung im ungestörten Feld ermitteln läßt.
Wenn nun eine Person zwischen Wand und Heizung schläft, sehen die Verhältnisse auf einmal völlig anders aus (Bild 2).
Bild 2 : Person im Feld zwischen einer spannungsführenden Fläche
und einer geerdeten Fläche
Diese Person stellt für das angelegte Feld einen leitfähigen Gegenstand dar, sodaß sich das Feld auf zwei gleichgroße Einzelfelder aufteilt und dort konzentriert. Bei einer Personengröße von 1.6 m ergeben sich 2 Abstände zu jeweils 20 cm von Wand und Heizkörper. Bei Vernachlässigung der Feldverzerrungen durch die Rundungen des Kopfes und der Füße ergibt sich das maximale elektrische Feld zu E = U/d = 230 V / 0.4 m = 575 V/m! Die tatsächlich auf den Körper wirkenden Felder sind also in diesem Fall um den Faktor 5 größer als im ungestörten Feld.
Aus diesem Grunde ist eine normgerechte potentialfreie Messung nach DIN/VDE für den Baubiologen so nicht anwendbar, da die Meßergebnisse im Regelfall zu klein ausfallen.
Die in der Baubiologie üblicherweise angewandte Messung ist die Messung des Feldes gegen Erde ("erdbezogene Messung"). Hier wird von der Annahme ausgegangen, daß der schlechtestmögliche Fall derjenige ist, wenn sich ein Körper im Feld befindet und dieser Körper obendrein geerdet ist. In diesem Fall zieht er nämlich das elektrische Feld bestmöglich an. Statt eines geerdeten Körpers plaziert man nun einfach das geerdete Meßgerät an seiner Stelle, was nahezu dieselben Feldstärken ergibt. Die Werte sollen also eine "Worst-Case"-Situation widerspiegeln, was in den meisten Fällen auch zutreffend ist. Verwendet wird diese Art der Messung auch z.B. für Messungen bei strahlungsarmen Bildschirmen (schwedische MPR2-Norm). Vorteilhaft ist auch die technisch einfache Handhabung sowie die Unempfindlichkeit der Messung gegenüber weiteren Personen in der Nähe, was eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zur Folge hat.
Wenn man also regelmäßig davon ausgehen könnte, daß die ermittelte Feldstärke gegenüber der tatsächlichen eher zu hoch ist, könnte man also gut mit dieser Meßmethode leben. Das Hauptproblem der geerdeten Messung ist jedoch, daß ausschließlich nur Felder, die sich zwischen Feldquelle und Körper ausbilden, erfaßt werden !
Nicht erfaßt werden Felder, die sich zwischen Körper und Feldsenke (also geerdeten Flächen) ausbilden.
Dies liegt einfach daran, daß das Meßgerät dieses Feld kurzschließt, da es selbst geerdet ist.
Bild 3 verdeutlicht diesen Sachverhalt nochmals.
Bild 3 : Erdbezogene Feldstärkemessung im Kopfbereich
Die in Bild 2 sichtbare Feldkomponente zwischen Kopf und Heizkörper ist bei einer erdbezogenen Messung nicht feststellbar ! Es ist nur der (im Vergleich dazu relativ schwache) Feldanteil meßbar, der von der unter Spannung stehenden Fläche ausgeht. Vor allem bei der Anwendung von Abschirmmaßnahmen kann dieser Meßfehler zu falschen Schlüssen führen; dieser Sachverhalt wird in den folgenden Abschnitten noch weiter verdeutlicht werden.
Eine vereinfachte Art, die Feldstärke auf den geerdeten menschlichen Körper zu erfassen, ist die Körperspannungsmessung. Hier wird die Spannung des Körpers im Feld gegen Erde gemessen; verwendet wird üblicherweise ein Voltmeter mit einem Eingangswiderstand von 10 MOhm und niedriger Eingangskapazität. Eigentlich müßte es Körperstrommessung heißen, denn auch hier wird analog zur erdbezogenen Feldstärkemessung quasi der Kurzschlußstrom gemessen, der nach Erde fließt. Der kapazitive Koppelwiderstand zu den Feldquellen ist nämlich im Regelfall so hoch, daß selbst der an sich hohe Innenwiderstand des Meßinstruments relativ dazu fast vernachlässigbar klein ist. Damit fließt ein vom Innenwiderstand weitgehend unabhängiger konstanter Strom durch das Instrument (entsprechend einer Konstantstromquelle zwischen Körper und Erde), welcher an diesem Innenwiderstand jedoch gemäß Ohmschen Gesetz wiederum einen Spannungsabfall verursacht, der dann auch proportional zur Feldstärke ist. Der übliche Eingangswiderstand von 10 MOhm ist ein guter Kompromiß, um zum einen noch näherungsweise eine Kurzschlußstrommessung zu erhalten (und damit proportional zur Feldstärke zu sein) und andererseits soviel Spannungsabfall am Meßgeräte-Innenwiderstand zu verursachen, um eine noch ausreichende Anzeigespannung zu erzeugen. Diese ist dann ebenfalls proportional zur Feldstärke.
Der Unterschied zur erdbezogenen Feldstärkemessung liegt zum einen darin, daß der ganze Körper als Meßelektrode verwendet wird und sich somit nur ein Mittelwert der auf den Körper wirkenden Feldstärke ergibt. Zum anderen wird im Gegensatz zum Feldstärkemesser die Frequenzabhängigkeit des Stromes nicht kompensiert, d.h. Oberwellen gehen proportional zu ihrer Frequenz stärker in den Meßwert ein. Bei der Betrachtung der biologischen Wirksamkeit kann dies bis zu einem gewissen Grad durchaus sinnvoll sein, da höhere Frequenzen bei gleicher Feldstärke ja auch die höheren Ströme innerhalb des Körpers erzeugen. Aus diesem Grunde sind auch die offiziellen Grenzwerte für niederfrequente Felder stark frequenzabhängig.
Bei oberwellenarmen Verhältnissen gilt die Faustregel, daß eine mittlere Feldstärke von 50 V/m (erdbezogene Messung) beim Erwachsenen eine Körperspannung von etwa 1 V an 10 MOhm ergibt. Bei hohem Oberwellengehalt des Feldes kann die Körperspannung deutlich höher liegen, als dies die Messung mit dem Feldstärkemeßgerät eigentlich erwarten ließe.
Die Problematik der Körperspannungsmessung ist ansonsten dieselbe wie bei der erdbezogenen Feldstärkemessung, nämlich die Nichterfassung von Feldern zwischen Körper und einer Feldsenke. Der Meßgeräteinnenwiderstand zieht den Körper auch hier auf Erdpotential, womit sich an diesen Stellen kein Feld mehr ausbildet (Bild 4).
Bild 4 : Körperspannungsmessung
Wir haben jetzt gesehen, daß es im Prinzip zwei Probleme gibt, die den Meßwert stark beeinflussen :
Zum einen ist es der menschliche Körper selbst, der die Feldstärke so stark beeinflußt, daß eine Messung immer entweder mit Körper stattfinden muß oder zumindest derart gestaltet sein muß, daß sich ein ähnliches Meßergebnis ergibt.
Zum anderen verlieren wir durch die Erdung wertvolle Informationen, nämlich die Felder zwischen Körper und geerdeten Flächen (Feldsenken) werden nicht erfaßt.
Eine Abhilfe ist sowohl bei der potentialfreien als auch der erdbezogenen Meßmethode möglich !
Bei der potentialfreien Messung wird die Feldstärkeermittlung entgegen der Norm einfach mit Körper im Feld durchgeführt. Die Messung erfolgt direkt an der Körperoberfläche, damit werden alle Feldanteile korrekt erfaßt.
Bei der erdbezogenen Messung liegt die Lösung darin, nicht gegen Erde, sondern gegen den sich im Feld befindenden Körper zu messen. Auch hier ist das Meßinstrument (und ggf. die Ableseeinheit) direkt an der Körperoberfläche zu plazieren; die Erdungsleitung wird (z.B. mittels Handelektrode) mit dem Körper verbunden. Diese hat auf das Meßergebnis keinen Einfluß, solange sie nahe genug am Körper entlanggeführt wird, da der Körper aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit überall das gleiche Potential wie die Erdleitung aufweist. Bild 5 zeigt die prinzipielle Meßanordnung.
Bild 5 : Körperbezogene Messung elektrischer Felder
Ein äquivalentes Verfahren - allerdings mit dem Anspruch der Körperstromdichtemessung statt der Feldstärkemessung und größerer Exaktheit der Meßergebnisse - wurde bereits in [1] erörtert.
Bei der potentialfreien Messung und bei der körperbezogenen Messung sollte sich bei Verwendung geeigneter Meßgeräte auf diese Art und Weise dieselbe Feldstärke - nämlich die richtige und damit tatsächlich wirksame - ergeben.
Das Hauptproblem bei der körperbezogenen Messung besteht darin, daß die meisten gängigen Feldstärkemeßgeräte eine Feldsonde verwenden, die stabförmig oder fast punktförmig ist. Die dadurch bei erdbezogener Messung zwangsläufig entstehende Feldlinienkonzentration an der Sonde ist gleichbedeutend mit einer lokalen Feldstärkeerhöhung und kann bei der Kalibration des Meßgeräts berücksichtigt sein oder auch nicht. Bei körpernaher Messung zieht der Körper das Feld jedoch genauso an wie die Feldsonde selbst
- das Feld ist dadurch näherungsweise homogen und verhindert eine Feldlinienkonzentration an der Feldsonde, was in der Folge Meßwerte verursachen kann, die zu niedrig ausfallen.
(Dies ist übrigens auch die Ursache dafür, daß Feldstärkemeßwerte bei erdbezogener Messung in der Nähe von geerdeten Flächen wie z.B. Heizkörpern überproportional schnell abnehmen - die Erde zieht das Feld an, die Feldlinienkonzentration an der Feldsonde selbst sinkt.)
Besser geeignet sind Feldstärkemeßverfahren, die flächenförmige Feldsonden in der Art verwenden, wie sie in der schwedischen MPR2-Norm für strahlungsarme Bildschirme beschrieben sind [2]. Hier besteht die Feldsonde aus einer kreisförmigen Fläche, welche von einem leitenden Kreisring umrahmt ist, der mit der Gerätemasse direkt verbunden wird. Feldlinienkonzentrationen an den Rändern der Sonde gehen dadurch nicht in den Meßwert ein.
Aus diesem Grund sollte man sich bei Verwendung vorhandener Meßgeräte auf reine Vergleichsmessungen beschränken (je eine Messung mit und ohne Abschirmmaßnahme), wobei der Abstand der Meßsonde vom Körper immer gleich gehalten werden muß.
Ein weiterer Nachteil ist die umständlichere Handhabung der Messung sowie die Tatsache, daß entsprechende baubiologische Richtwerte geschaffen werden müßten, da die so gemessenen Feldstärken oft deutlich kleiner sind als bei der erdbezogenen Messung. Ferner sind mehrere Messungen über verschiedenen Körperregionen erforderlich, um ein umfassendes Bild der Feldsituation zu gewinnen.
Trotzdem sollten solche Vergleichsmessungen (im Kopf-, Fuß- und Bauch/Rücken-Bereich) unbedingt durchgeführt werden, wenn Sanierungsmaßnahmen mit Hilfe von geerdeten Abschirmungen in Körpernähe in Erwägung gezogen werden. Das nachfolgende Beispiel zeigt mit Deutlichkeit die Gründe hierfür.
Anhand dieses konkreten Beispiels soll geschildert werden, zu welchen Fehlschlüssen die erdbezogene Messung - egal, ob Körperspannung oder mittels Feldstärkemeßgerät - unter Umständen führen kann.
In diesem Fall, einer Doppelhaushälfte aus den fünfziger Jahren, standen alle Wände mehr oder weniger unter Spannung und verursachten Felder von ca. 10-40 V/m je nach Wandabstand (erdbezogene Messung) bzw. eine Körperspannung von 400 mV im Bett. Ein geerdeter Heizkörper befand sich in einigem Abstand vom Bett (Bild 6).
Bild 6 : Feldverhältnisse vor Anbringung der Abschirmfolie
In der Installation wurden ausschließlich abgeschirmte Leitungen verwendet - die alleinige Ursache für diese Felder lag in der Altinstallation der benachbarten Doppelhaushälfte, deren Felder kapazitiv in den Stahlbeton der durchgehenden Decken eingekoppelt wurden und somit im ganzen Haus wirksam wurden. Eine Abhilfe durch Spannungsfreischaltung war aus diesem Grund nicht möglich.
Am stärksten war die Feldstärke im Bett an der Stelle, wo sich normalerweise der Kopf befindet, da der Abstand zur Wand hier am geringsten ist und damit die kapazitive Kopplung am größten; es wurden erdbezogen 40 V/m in 20 cm Abstand von der Wand gemessen. Als Sofortmaßnahme wurde deshalb ein NF-Abschirmvlies zwischen Bett und Wand angebracht und geerdet.
Daraufhin sank die Körperspannung von 400 mV auf 230 mV, die Feldstärke am Kopf sank von 40 auf 3 V/m bei erdbezogener Messung. Dies sieht auf den ersten Blick aus wie eine signifikante Verbesserung -- leider hat man in Wirklichkeit genau das Gegenteil erreicht ! Warum ?
Die realen Meßwerte bei körperbezogener Messung ergaben ohne Abschirmung 5.5 V/m am Kopf; mit Abschirmung stieg die Feldstärke auf 18 V/m an ! Im Bauchbereich waren es vorher 0.5 V/m - mit Abschirmung ergab sich ein Anstieg auf 1.5 V/m ! Also erhalten wir bei den realen Feldstärken Verschlechterungen um über Faktor 3, obwohl die Körperspannung auf fast die Hälfte bzw. die Feldstärke gegen Erde im Kopfbereich um mehr als den Faktor 10 gesunken ist ! Bild 7 verdeutlicht diese Situation.
Bild 7 : Feldverhältnisse nach Anbringen der Abschirmfolie
Wirkt auf den Körper vorher ein Feld von allen Seiten bei einer sehr schlechten kapazitiven Erdverbindung, so wird durch die geerdete Abschirmfläche in Kopfnähe jetzt eine hohe Kapazität zwischen Körper und Erde verursacht. Dadurch sinkt der kapazitive (Wechselstrom-)widerstand des Körpers nach Erde deutlich ab - der Körper ist durch die kopfnahe Erde viel besser geerdet als vorher.
Der Körper zieht dadurch das elektrische Feld aus den anderen Feldquellen viel stärker an wie vorher; am Kopf entsteht ein noch stärkeres Feld zur Abschirmung hin. Diese Feldverstärkung wird bei einer erdbezogenen Messung nicht erfaßt, da der Körper bzw. das Meßinstrument mit Erde verbunden wird und die Feldlinien dadurch sowieso maximal anzieht. Das Feld zwischen Kopf und Erde wird vom Instrument kurzgeschlossen und geht nicht in die Messung ein. Und die Wand am Kopf stellt wegen der Abschirmung keine Feldquelle mehr dar, sondern eine Feldsenke - und deshalb sind die Verhältnisse scheinbar wesentlich besser !
Tabelle 1 faßt die Meßergebnisse für diesen Fall nochmals zusammen.
|
Körper- spannung |
erdbezogene Feldstärke |
körperbezogene Feldstärke |
|||
|
am Kopf |
am Bauch |
am Kopf |
am Bauch |
||
|
Ohne Ab- schirmung |
400 mV |
40 V/m |
10 V/m |
5.5 V/m |
0.6 V/m |
|
Mit Ab- schirmung |
230 mV |
3 V/m |
7 V/m |
18 V/m |
1.5 V/m |
Tabelle 1 : Feldstärkevergleich von erdbezogenen mit körperbezogenen
Meßverfahren
Wenn man bei einer Sanierung elektrischer Felder ohne Veränderung der Erdungsverhältnisse auskommt (z.B. durch Einsatz eines Netzfreischalters), dann genügt eine erdbezogene Meßmethode zumeist, um Referenzmessungen durchzuführen und damit den Grad der Verbesserung zu erfassen. Wenn geerdete Flächen wie z.B. Heizkörper in der Nähe sind, kann eine körperbezogene Messung bzw. eine potentialfreie Messung mit Körper im Feld eine sinnvolle Ergänzung darstellen.
In jedem Falle sollte eine solche Messung dann durchgeführt werden, wenn irgendwelche Abschirmungsmaßnahmen in Erwägung gezogen werden. Denn dann kann es passieren, daß die Körperspannung oder die Feldstärke am geerdeten Meßgerät eine deutliche Verbesserung vorgaukelt, während sich die tatsächlichen Feldverhältnisse durch das starke Feld zwischen Körper und Abschirmung in Wirklichkeit dramatisch verschlechtert haben.
Es wäre wünschenswert, wenn diese zu den gängigen Verfahren ergänzende Meßmethode zu einem tragfähigen Kompromiß zwischen den Anhängern der potentialfreien Messung und denen der erdbezogenen Messung führen würde.
Mit der vorgeschlagenen Methode sollte man bei Verwendung geeigneter und korrekt kalibrierter Meßgeräte zu weitgehend übereinstimmenden und vor allem realistischeren Meßergebnissen in beiden Interessengruppen gelangen.
[1] Zeisel : Ein Meßverfahren zur Bestimmung der Körperbelastung durch das elektrische Wechselfeld bei tiefen Frequenzen; Wohnung+Gesundheit 12/93, S. 20-21
[2] Test Methods for Visual Display Units; MPR 1990:8 1990-12-01, S. 51-56
Die oben beschriebene körperbezogene Messung hat in den letzten zehn Jahren unter der exakteren Bezeichnung "Körperpotentialbezogene E-Feldmessung" Einzug in die baubiologische Messtechnik gehalten, da sie den großen Vorteil hat, realistische Ergebnisse mit den Messgeräten anzeigen zu können, die üblicherweise bereits Verwendung finden.
Ein objektiver Vergleich zu anderen Messmethoden findet sich in [3].
[3] Schauer/Virnich: Baubiologische Elektrotechnik. Grundlagen, Feldmesstechnik, und Praxis der Feldreduzierung; Hüthig & Pflaum Verlag, 2. Auflage 2008, S. 136-164