DGUV Information 203-038 - Beurteilung magnetischer Felder von Widerstandsschwei...

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Abschnitt 4.4, Bewertung
Abschnitt 4.4
Beurteilung magnetischer Felder von Widerstandsschweißeinrichtungen (bisher: BGI 5011)
Titel: Beurteilung magnetischer Felder von Widerstandsschweißeinrichtungen (bisher: BGI 5011)
Normgeber: Bund
Amtliche Abkürzung: DGUV Information 203-038
Gliederungs-Nr.: [keine Angabe]
Normtyp: Satzung

Abschnitt 4.4 – Bewertung

4.4.1
Allgemeines

Mit Ausnahme der Unfallverhütungsvorschrift "Elektromagnetische Felder" (BGV B11) geben alle anderen Regelwerke für den Schutz von Personen in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern nur zulässige Werte für periodische, sinusförmige Vorgänge jeweils einer Frequenz an.

4.4.2
Physiologische Grundlagen

Die physiologischen Wirkungen elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Felder sind abhängig von der Frequenz. Im Frequenzbereich bis etwa 30 kHz treten bei genügend hohen Feldstärken bzw. Flussdichten überwiegend Reizwirkungen auf. Im Bereich von ca. 30 kHz bis 100 kHz ist eine stetige Abnahme der Reizwirkungen und eine Zunahme der Wärmewirkung zu beobachten. Letztere überwiegt für Frequenzen oberhalb von 100 kHz.

Grundlage dieser physiologischen Effekte ist die Veränderung der elektrischen Gewebefeldstärken, die sich auf Grund von Influenz und Induktion durch die äußeren elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Felder ergibt.

Während bei der Wärmewirkung (HF-Bereich) ein direkter Zusammenhang mit den äußeren Feldgrößen besteht, tritt eine Reizwirkung erst ab einer Schwelle auf, die überschritten werden muss, um eine Erregung auslösen zu können.

Gleichzeitig ist die Auslösung einer Erregung auch vom zeitlichen Verlauf der Änderung der elektrischen Gewebefeldstärke bzw. der Stromdichte im Gewebe abhängig: Zu geringe zeitliche Änderungen dieser Größen (zu niedrige Frequenzen) und zu kurze Reize (zu hohe Frequenzen) können auch bei hoher Reizstärke keine Erregung auslösen.

4.4.3
Zulässige Werte

Der Schutz von Personen vor unzulässigen Expositionen durch magnetische Felder wird durch die Festlegung von frequenzabhängigen Basiswerten sichergestellt. Als Basiswert im NF-Bereich wird international die elektrische Stromdichte oder Gewebefeldstärke im Körper festgelegt.

Die von den Basiswerten abgeleiteten Werte sind so festgelegt, dass selbst unter Zugrundelegung der ungünstigsten Expositionsbedingungen die Basiswerte nicht überschritten werden. Diese abgeleiteten Werte werden angegeben, da sie im Gegensatz zu den Basiswerten direkt gemessen oder berechnet werden können.

Um eine unzulässige Exposition unter allen Umständen zu vermeiden, sind in den Basiswerten und somit auch in den abgeleiteten Werten zum Teil erhebliche Sicherheitsfaktoren enthalten. Im Niederfrequenzbereich bedeutet dies, dass durch die äußeren magnetischen Felder bei Einhaltung der zulässigen Werte keine Stimulation ausgelöst werden kann.

Die Basiswerte gelten nur für Gewebe des zentralen Nervensystems in Kopf und Rumpf. In anderen Körperbereichen dürfen dabei höhere Gewebestromdichten auftreten.

Siehe "International Commission on Non-lonizing Radiation Protection: Response to questions and comments on ICNIRP Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 GHz)".

Insbesondere die Basiswerte, aber auch die meisten abgeleiteten Werte sind Effektivwerte und gelten nur für sinusförmige Vorgänge einer Frequenz.

4.4.4
Gepulste Felder

Das Induktionsgesetz stellt den Zusammenhang zwischen der Stromdichte im Gewebe und der magnetischen Flussdichte her:

   (1)

Dabei wird angenommen, dass der magnetische Fluss B eine kreisförmige Fläche mit Radius r gleichförmig durchsetzt.

Gemäß Gleichung (1) wird nur dann eine Stromdichte J im Gewebe induziert, wenn sich die magnetische Flussdichte ändert. Bleiben sowohl der Gewebeparameter K, als auch die Schleifengröße r konstant, so ist die Höhe der induzierten Gewebestromdichte unmittelbar mit der Stärke der zeitlichen Änderung der Flussdichte verknüpft. Hat die magnetische Flussdichte einen konstanten Wert oder ist sie nicht vorhanden, so wird durch sie auch keine Stromdichte im Gewebe verursacht. Dies bedeutet, dass solche Abschnitte im zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte für die Bewertung der Exposition im Wesentlichen ohne Belang sind.

Zur Beschreibung der Feldänderungen wird in der Unfallverhütungsvorschrift "Elektromagnetische Felder" (BGV B11) der Parameter τPi eingeführt. Sind im Zeitverlauf unterschiedliche Steilheiten und damit unterschiedliche Parameter τPi vorhanden, so kann es, speziell über mehrere Perioden, zu einer langsamen Verlagerung von Membranpotentialen kommen, wodurch sich der Sicherheitsfaktor verringern kann. Durch die Verwendung der kleinsten Zeitdauer aller Feldänderungen wird sichergestellt, dass der Sicherheitsfaktor nicht unzulässig reduziert wird, ohne diese Signale einer gesonderten Bewertung unterziehen zu müssen.

Da die zulässigen Werte im Allgemeinen über der Frequenz tabelliert sind, muss dem Vorgang noch eine Frequenz zugeordnet werden:

   (2)

Dadurch wird erreicht, dass die maximalen Steilheiten des den zulässigen Werten zugrunde liegenden sinusförmigen Vorgangs nicht überschritten werden. Durch diesen Rückgriff auf die zulässigen Werte wird gleichzeitig die Einhaltung fundamentaler physiologischer Parameter, z.B. die Frequenzabhängigkeit der zur Reizauslösung notwendigen Amplituden, und festgelegter Sicherheitsfaktoren gewährleistet, ohne neue Festlegungen treffen zu müssen. Außerdem wird sichergestellt, dass ein nahtloser Übergang zwischen der Bewertung gepulster Felder und dem Spezialfall der ungepulsten, sinusförmigen Vorgänge einer Frequenz existiert.

Es ist wichtig, sich in Erinnerung zu rufen, dass die Festlegung von Basiswerten und abgeleiteten zulässigen Werten im Niederfrequenzbereich in allen Regelwerken, die sich mit dem Schutz von Personen in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern befassen, so erfolgt, dass eine Reizwirkung mit Sicherheit vermieden wird. Felder im Niederfrequenzbereich, die die zulässigen Werte einhalten, sind also mit Sicherheit auch unter den ungünstigsten Randbedingungen nicht reizwirksam.

Gegenüber einem entsprechenden kontinuierlich einwirkenden Sinus-Signal einer Frequenz besitzen die induzierten Gewebestromdichten eines gepulsten Signals meist einen geringeren Effektivwert.

Da durch die obigen Festlegungen die maximal zulässigen Signalsteilheiten begrenzt sind, ist es auch unter physiologischen Gesichtspunkten möglich, für kürzere Zeiten höhere Steilheiten und damit höhere induzierte Stromdichten zuzulassen. Der Effektivwert bleibt unverändert, wenn der Gewichtungsfaktor V folgender Festlegung genügt:

   (3)

Hierbei bedeuten TI die Integrationszeit der Effektivwertbildung und τD die zeitliche Summe aller Feldänderungen im Zeitintervall TI.

Durch die zusätzliche Bedingung V ≤ Vmax wird die Sicherheit auch bei extrem kurzen Impulsen gewährleistet.

4.4.5.
Bewertung gepulster Felder

Der Anwender sieht sich bei der praktischen Umsetzung der Festlegungen der Unfallverhütungsvorschrift "Elektromagnetische Felder" (BGV B11) in Bezug auf gepulste Felder oftmals mit vielfältigen Schwierigkeiten konfrontiert.

Zum einen existieren auf dem Markt nur wenige Messgeräte, die eine einfache, sichere und praxisgerechte Erfassung und Aufzeichnung von einmaligen Vorgängen gestatten. Wenn die entsprechenden Messdaten vorliegen, ergeben sich weitere Fragen:

  • Wie bewertet man die Zeitverläufe der magnetischen Felder aus den 3 senkrecht aufeinander stehenden Raumachsen x, y und z.

  • Der zeitliche Signalverlauf stimmt nicht mit den Abbildungen der Unfallverhütungsvorschrift "Elektromagnetische Felder" (BGV B11) überein.

  • Das Signal ist sehr komplex.

Vorstehende Aufzählung stellt nur einen kleinen Ausschnitt von Fragestellungen dar, mit denen sich viele Anwender bei der Bewertung von gepulsten Feldern konfrontiert sehen.

Im Folgenden werden deshalb einige Hinweise zur korrekten Bewertung von gepulsten Feldern nach der Unfallverhütungsvorschrift "Elektromagnetische Felder" (BGV B11) gegeben.

Abbildung 3 in Abschnitt 4.3.1.3 zeigt beispielhaft die Zeitverläufe der magnetischen Flussdichte an einer Widerstandsschweißeinrichtung in den drei Raumachsen.

Für die weitere Bewertung wird ein eindimensionales Signal benötigt, dass die Expositionssituation möglichst exakt beschreibt. Dazu sind die Signale der Raumkomponenten des magnetischen Feldes auf ein eindimensionales Signal zurückzuführen.

Hierzu geeignet ist der zeitliche Verlauf

  • des Stromes in Verbindung mit dem Spitzenwert der magnetischen Flussdichte,

  • des Effektivwertes der magnetischen Flussdichte,

  • der Hauptkomponente des magnetischen Flussdichtevektors.

Zur Bestimmung der Hauptkomponente des magnetischen Flussdichtevektors ist es möglich, die Feldsonde im Messpunkt solange zu drehen und zu schwenken, bis das Signal in zwei Raumachsen minimal oder im günstigsten Fall zu Null wird. Bei nicht kontinuierlichen Vorgängen, z.B. dem Punktschweißen, würde dies jedoch einen nicht zu tolerierenden zeitlichen Aufwand bedeuten und ist somit nicht praktikabel. Es ist jedoch möglich diese mechanische Drehoperation durch eine entsprechende mathematische Drehoperation auf Basis der Originaldaten zu ersetzen. Auch hier ergibt sich eine Hauptkomponente und zwei senkrecht darauf stehende Nebenkomponenten, die im Idealfall verschwinden. Sollten diese jedoch noch nennenswerte Beträge aufweisen, so trägt mehr als eine räumliche Quelle zur Exposition bei. Diese sollte entweder messtechnisch oder gegebenenfalls auch mathematisch aus dem Datensatz entfernt werden.

Hierbei wird oftmals festgestellt, dass der zu bewertende Signalverlauf nicht mit den in der Unfallverhütungsvorschrift "Elektromagnetische Felder" (BGV B11) abgebildeten Verläufen übereinstimmt.

Diese Abbildungen sind nur angegeben, um zu zeigen welche Parameter für die weitere Bewertung notwendig sind und wie diese dem Signalverlauf entnommen werden können. Sie stellen keinen Katalog von Signalen dar, die ausschließlich bewertet werden können.

Für sinus-, dreieck- und trapezförmige Signalverläufe ist die Bestimmung der Flankensteilheiten wesentlich, die sich durch eine abschnittsweise, an den Extremwerten und Nulldurchgängen ausgerichtete Linearisierung des originären Signalverlaufs ermitteln lassen. Bei exponentiellen Verläufen ist die Bestimmung zweier Hilfsgrößen notwendig, um τP und τC zu ermitteln. Diese grundsätzlichen, elementaren Arbeitsschritte können auch auf komplexe Signale angewendet werden, die aus einer Überlagerung der verschiedenen Grundtypen bestehen können.

Zur korrekten Bewertung des Signalverlaufs ist eine genügende zeitliche Auflösung erforderlich. Dazu muss das Messsystem, eine ausreichende Anzahl von Datenpunkten speichern können und über an die Messaufgabe angepasste Grenzfrequenzen verfügen.

Ebenso wichtig ist es, dass der gesamte Signalverlauf erfasst wird. Speziell bei Impulszügen, die länger als die maximale Integrationszeit von einer Sekunde sind, darf die Messung und Aufzeichnung nicht bereits nach dieser Zeit beendet werden. Vielmehr ist der gesamte Impulszug aufzuzeichnen und derart zu bewerten, dass ein gleitendes Bewertungsfenster mit maximaler Integrationszeit (1 Sekunde) über das Signal geschoben wird. Hierbei dürfen bei keinem Signalabschnitt Überschreitungen der zulässigen Werte auftreten.

4.4.6
Vorgehensweise bei der Bewertung

Bei der Bewertung sollte wie folgt vorgegangen werden:

Aus dem zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte oder des Stromes sind die Frequenz der Feldänderung fP und der Gewichtungsfaktor V zu bestimmen. Diese Parameter können auch aus dem zeitlichen Verlauf des Stromes ermittelt werden.

Es ist der Expositionsbereich festzulegen. Grundsätzlich sind Arbeitsplätze an Widerstandsschweißmaschinen dem Expositionsbereich 1 zuzuordnen.

Es sind die zulässigen zeitlichen Änderungen der magnetischen Flussdichte aus den Tabellen 14 und 15 zu bestimmen. Der maximal zulässige Spitzenwert der magnetischen Flussdichte kann aus den Werten der Tabelle 15 ermittelt werden.

Es ist zu prüfen, ob im Signalverlauf die zulässigen zeitlichen Änderungen bzw. der Spitzenwert der magnetischen Flussdichte nicht überschritten werden.

Werden die zulässigen Werte des Expositionsbereich 1 überschritten, können die zulässigen Werte des Bereiches erhöhter Exposition angewendet werden, wenn die Summe der Expositionszeiten zwei Stunden am Tag nicht überschreiten. Die Expositionszeit ist das Produkt aus der Anzahl der Schweißvorgänge pro Tag und der Stromflusszeit pro Schweißvorgang.

Die prinzipielle Vorgehensweise bei der Bewertung der Exposition ist im Bild 14 zusammenfassend dargestellt.

Beispiele für die Vorgehensweise bei der Bewertung für 50-Hz-Wechselstrom- und Mittelfrequenz-Widerstandsschweißeinrichtungen siehe Anhang 1.

Bild 14: Flussdiagramm zum prinzipiellen Verlauf der Expositionsbeurteilung

4.4.6.1
Näherungsverfahren zur Bestimmung der zulässigen Werte

Im Folgenden werden Näherungsverfahren für

  • 50-Hz-Wechselstromschweißeinrichtungen,

  • konventionelle Gleichstromschweißeinrichtungen,

  • Mittelfrequenz-Inverterschweißeinrichtungen,

vorgestellt.

Sind die über die folgenden Näherungsverfahren ermittelten zulässigen Werte überschritten, so müssen diese anhand der Werte für τPmin und τD ermittelt werden.

50-Hz-Wechselstromschweißeinrichtungen

Bei einem nahezu sinusförmigen Schweißstrom (Stromeinstellung 70 bis 100 %) können für eine erste Abschätzung der Exposition die jeweiligen zulässigen Werte in Abhängigkeit von der Schweißzeit aus dem nachfolgenden Diagramm in Bild 15 entnommen werden.

Bild 15: Zulässige Spitzenwerte der Flussdichte Bpeak zulfür 50-Hz-Wechselstromschweißeinrichtungen bei sinusförmigem Strom

Werden die zulässigen Werte bei Stromeinstellungen von 70 bis 100 % eingehalten, ist die Überprüfung von kleineren Stromeinstellungen nicht notwendig.

Konventionelle Gleichstromschweißeinrichtungen

Bei konventionellen Gleichstromschweißeinrichtungen sind die aus den überlagerten Welligkeiten resultierenden Feldanteile für die Bewertung der Exposition relevant.

Bild 16: Zulässige Spitzenwerte der Flussdichte Bpeak zulfür die überlagerte 150-Hz-Welligkeit bei konventionellen Gleichstromschweißeinrichtungen

Für die überlagerte Welligkeit von je nach Ausführung des Leistungsteils 150 Hz oder 300 Hz können die zulässigen Spitzenwerte der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von der Schweißzeit Bild 16 bzw. Bild 17 entnommen werden.

Bild 17: Zulässige Spitzenwerte der Flussdichte Bpeak zulfür die überlagerte 300-Hz-Welligkeit bei konventionellen Gleichstromschweißeinrichtungen

Mittelfrequenz-Inverterschweißeinrichtungen

Die für die überlagerte 2-kHz-Welligkeit geltenden zulässigen Spitzenwerte der magnetischen Flussdichte können in Abhängigkeit von der Schweißzeit Bild 18 entnommen werden.

Bild 18: Zulässige Spitzenwerte der Flussdichte Bpeak zulfür die überlagerte 2-kHz-Welligkeit bei Inverter-Gleichstromschweißeinrichtungen

4.4.6.2
Näherungsverfahren für die Ermittlung eines Sicherheitsabstandes

Bei handgeführten Widerstandsschweißeinrichtungen kann der einzuhaltende Abstand für den Bereich erhöhter Exposition bei Ganzkörperexposition mittels folgender Formel abgeschätzt werden:

Für 50-Hz-Zangen:

  

Für Inverter-Zangen:

  

Dabei ist:

RSicherheitsabstand in cm
(Bereich erhöhter Exposition/Ganzkörperexposition).
DDiagonale des Zangenwerkzeuges in cm.
ISpitzenwert des Schweißstromes in kA.
IssSpitze/Spitze-Wert der Oberwelligkeit des Schweißstromes in kA
Die Oberwelligkeit kann gemessen oder vom Hersteller erfragt werden. Für Stromeinstellungen über 30 % kann für I näherungsweise 5 % vom Schweißstrom angenommen werden.
PAnzahl der Perioden (bei 50-Hz-Zangen). Bei P > 50 kann P = 50 gesetzt werden.
TStromflusszeit in ms (bei 1kHz-Inverter-Zangen). Bei T > 1000 ms kann T = 1000 ms gesetzt werden.

Der Abstand gilt für den Bereich seitlich der Zangenfenstermitte. In diesem Bereich treten die höchsten Werte der Flussdichte auf. Für andere Positionen, auch bei Kabelzangen im Bereich der Kabel, ist der Sicherheitsabstand in der Regel kleiner.

Für die Exposition der Extremitäten kann entsprechend den Bestimmungen der Unfallverhütungsvorschrift "Elektromagnetische Felder" (BGV B11), der Sicherheitsabstand um den Faktor √2,5 ≈ 1,6 verringert werden.

4.4.6.3
Bewertung der Exposition von Extremitäten

Nach der Unfallverhütungsvorschrift "Elektromagnetische Felder" (BGV B11) dürfen die zulässigen Werte der magnetischen Flussdichte für Extremitäten (Arme, Beine) um den Faktor 2,5 überschritten werden.

Bei Exposition nur der Hand oder der Finger dürfen die zulässigen Werte der magnetischen Flussdichte aufgrund der geringeren Wirkquerschnitte für die Induktion um den Faktor 20 überschritten werden.

Siehe - Winkler, Thoralf: "Magnetfeldemission von Widerstandsschweißeinrichtungen." Universität Magdeburg, Dissertation 2006 -

Dieser Faktor darf nur dann angewandt werden, wenn im Hand- und Fingerbereich keine metallischen Implantate oder andere metallischen Objekte, z.B. Ringe, Uhren, Ketten, vorhanden sind.

4.4.7
Herzschrittmacher

Besondere Maßnahmen sind für Personen mit Herzschrittmachern erforderlich, da diese Geräte in ihrer Funktion gestört werden können. Eine Bewertung entsprechend Abschnitt 3.10 der BG-Regel "Elektromagnetische Felder" (BGR B11) muss durch eine befähigte Person durchgeführt werden.

Hilfsweise können die Werte nach Tabelle B.2 nach E DIN VDE 0848-3-1 "Sicherheit in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern; Teil 3-1: Schutz von Personen mit aktiven Körperhilfsmitteln im Frequenzbereich 0 Hz bis 300 GHz" für Herzschrittmacher verwendet werden:

  • Beff = 65 µT bei 50 Hz,

  • Beff = 5 µT für Frequenzen von 650 Hz bis 25 kHz.

Sind im Einzelfall die relevanten Parameter des Herzschrittmachers bekannt, können sich höhere Werte ergeben.