AKTUELLES ZUR MESSGENAUIGKEIT VON FELDSTÄRKEMESSGERÄTEN
Einleitung
Der Artikel "Die schwierige Suche nach geeigneten Messgeräten"
in der Zeitschrift "Wohnung+Gesundheit" Heft Nr. 93 und die darauf folgende
Diskussion über die Genauigkeit von Messgeräten hat uns veranlasst,
eine Untersuchung über die Messgenauigkeit von Feldstärkemessgeräten
zu veröffentlichen.
Die interessanten Ergebnisse über den Einfluss von Messgleichrichtern
auf die Messgenauigkeit haben wir für Sie auf dieser Seite zusammengestellt.
Theorie zur Gleichrichtung von Messsignalen
Bei den als Elektrosmog bezeichneten elektrischen und magnetischen Feldern
handelt es sich um Wechselfelder. Dies bedeutet, daß sie periodisch ihre
Polarität ändern. So wechselt das Feld einer Leitung unseres
50 Hz-Versorgungsnetzes 100mal in der Sekunde seine Polarität.
In einem Feldstärkemessgerät werden diese Wechselfelder von
den Feldsensoren in eine Wechselspannung umgewandelt. Zur Darstellung
des Messwertes in der Anzeige des Messgerätes ist jedoch eine Gleichspannung
erforderlich, die aus der Wechselspannung erzeugt wird. Dabei muß die
gleichgerichtete Spannung dem Wert der Wechselspannung direkt proprotional
entsprechen. Hierzu ist messtechnisch eine Effektivwertgleichrichtung
(TRMS), Mittelwertgleichrichtung sowie Spitzenwertgleichrichtung möglich.
Die untere Grafik zeigt die Umwandlung eines Wechsel- in ein Gleichspannungssignal.
Da je nach Signalform zwischen diesen Umwandlungen sehr grosse Differenzen
entstehen können, ist für ein Messgerät die Art der Gleichrichtung sehr
wichtig.
Die für die Messung an Bildschirmen entwickelten und nun auch in der Baubiologie
nicht zuletzt wegen den diesen Richtlinien entsprechenden Elektrofeldsonden
(auch "Pizzateller" genannt) bekannten MPRII- und TCO-Richtlinen schreiben
hierzu eine Anzeige des Effektivwertes vor. Die deutsche Norm VDE 0484-4
zum Schutz von Personen im Frequenzbereich von 0 Hz-30 kHz enthält die
Grenzwerte als Effektiv- und Spitzenwert. Es liegt also nahe in einem
Feldstärkemessgerät die Effektivwertgleichrichtung einzusetzten.
Was aber bedeutet dieser Effektivwert? Wird an einem Widerstand die Wechsel-
oder die Gleichspannung anlegt, so muß am Widerstand stets die identische
Leistung abfallen, d.h. die gleiche Erwärmung auftreten.
Die Effektivwertumwandlung ist elektronisch schwierig und nur über
spezielle Effektivwertwandler, d.h. aufwendige integrierte Schaltungen,
möglich.
Oft wird in der Messtechnik dennoch die sogenannte Mittelwertgleichrichtung
eingesetzt, welche meist einfach und preiswert zu verwirklichen ist, jedoch
den Mittelwert der Wechselspannung abbildet. Dieser Mittelwert wird generell
auf den Effektivwert eines sinusförmigen Signals abgeglichen. Diese
sind gleich solange das Eingangssignal sinusförmig ist. Bei jeder
anderen Signalform ändert sich das Verhältnis von Mittelwert
zum Effektivwert, und es entstehen Differenzen zu dem in den Normen/Richtlinen
geforderten Effektivwert.
Signalformen niederfrequenter elektrischer und magnetischer Wechselfelder
Annähernd sinusförmige Signale:
- elektrisches Feld von Leitungen
- magnetisches Feld von ohmschen Verbrauchern (Glühlampe; Elektroheizung)
Nicht sinusförmige Signale:
- Magnetisches Feld von Hochspannungsleitungen und Bahnstrecken
- Magnetisches Feld von induktiven Verbrauchern (Transformatoren in Steckernetzteilen, Radioweckern, Trafostationen,..; Elektromotoren in Kühlschränken, Staubsaugern,..)
- elektrisches und magnetisches Feld von Neonlampen
- elektrisches und magnetisches Feld von Stromsparlampen und elektronischen Vorschaltgeräten
- elektrisches und magnetisches Feld von Bildschirmen und Fernsehgeräten
- elektrisches und magnetisches Feld von Schaltnetzteilen (PC, Notebook,...)
- elektrisches und magnetisches Feld von Dimmern und Drehzahlregelungen und die damit betriebenen Geräte
Messdifferenz bei Effektivwertgleichrichtung
Bei dieser von der Signalform unabhängigen Art der Umwandlung können
Fehler auftreten die durch die technischen Grenzen der Effektivwertwandler-ICs
bedingt sind. Sie äussern sich in einem Empfindlichkeitsverlust bei
kleinen Signalen hoher Frequenz.
Im oberen Diagramm wird der durch den im Feldmeter FM6 eingesetzten
Effektivwertwandler AD737 verursachte Wandlerfehler aufgezeigt. Der Anzeigenumfang
des FM6 erstreckt sich von 1 bis 199 Digit, dies entspricht einer Eingangsspannung
am Wandler von 1 bis 199 mV. Bei hohen Frequenzen können Fehler auftreten,
wenn ein Signal eine geringere Amplitude als ca. ein Zehntel des Messbereichs
aufweist.
Dies wird an der roten Kurve deutlich; sie entspricht 5 % des Messbereichs,
also 10 nT bei 200 nT oder 1,0 V/m bei 20,0 V/m. Bei einer Frequenz von
10 kHz tritt ein Fehler von -1% auf, bei 20 kHz von -10% und bei 40 kHz
wird die -3 dB-Schwelle unterschritten.
Messdifferenz bei Mittelwertgleichrichtung
Die Messdifferenz zu dem, in Normen und Richtlinien beschriebenen, Effektivwert
basiert auf der Abweichung des Mittelwertes zum Effektivwert bei unterschiedlichen
Signalformen, der vom Sensor erzeugten Wechselspannung.
Zum Aufzeigen dieser Abweichung wird am Wechselspannungsausgang eines
mit Mittelwertgleichrichtung arbeitenden Feldstärkemessgerätes
(Gigahertz Solutions ME3951A) ein Effektivwert-Multimeter (Fluke 45) angeschlossen.
Die, bei diesem Versuch erzeugten Felder wurden so gewählt, dass die Ausgangsspannung
des ME3915A stets kleiner ca. 1V ist um eine Übersteuerung auszuschließen.
Bei einem sinusförmigen Magnetfeld (50 Hz, 1µT) wird der Faktor vom
angezeigten Messwert zur Ausgangsspannung ermittelt. Bei den von Sinus
abweichenden Signalformen wird aus der am Multimeter angezeigten Spannung
der Sollwert errechnet. Die Differenz zwischen Sollwert und den vom Feldstärkemessgeräte
angezeigten Messwert ist die durch die Mittelwertgleichrichtung resultierende
Abweichung.
Wird bei diesen Versuch das Feldmeter FM6 hinzugezogen, so zeigt sich
stets eine Übereinstimmung mit dem Fluke 45.
Diese Messung kann bei allen Feldstärkemessgeräten mit AC-Ausgang
und einem Effektivwertmultimeter einfach nachvollzogen werden.
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Magnetisches Feld
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Magnetisches Feld
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Magnetisches Feld
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Elektrisches Feld
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Kenndaten von Gleichrichtern
Merkmale der Effektivwertgleichrichtung:
- aufwendige Schaltung erforderlich
- hoher Preis ca. 10-100 DM
- Begrenzung des Frequenzbereichs nach oben
- Unterbewertung kleiner Eingangssignale bei hohen Frequenzen
- Korrekte Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung nach TCO/MPRII
- eingesetzt im Feldstärkemessgerät Fauser FM6/E, Multimeter ab ca. 300 DM
Merkmale der Mittelwertgleichrichtung
- geringer Schaltungsaufwand
- niedriger Preis ca. 1-10 DM
- größerer Frequenzbereich als bei Effektivwertgleichrichtung möglich
- Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung nach TCO/MPRII nur bei einer Signalform möglich, sonst schwerwiegende Messfehler
- eingesetzt in Feldstärkemessgeräten wie Gigahertz Solution
ME3XXX, Merkel Messtechnik E1/M1/EM1, einfachen Multimetern
Fazit
Die Richtlinien TCO und MPRII schreiben zwingend die Anzeige des Effektivwertes
vor. Dabei werden Abweichungen bei kleinen Signalen hoher Frequenz, wie
sie auch bei dem Feldmeter FM6 auftreten können, z.B. bei Werten <1 V/m
bedingt durch die schwierige elektronische Umsetzung in Kauf genommen.
Mit aufwendiger Mittelwertgleichrichtung kann man zwar bei Sonderfällen,
wie dem Vermessen einer Stromsparlampe vor einer starken 50Hz-Hintergrundbelastung,
noch das letzte Promill dieser Lampe am Gesamtfeld ermitteln, aber im
allgegenwärtigen Bereich der 50Hz-Versorgungsnetze und des Bahnstroms
ist in der Praxis keine Messung nach den oben erwähnten Richtlinienen
möglich. Daher sind solche Messgeräte für Messungen nach TCO/MPRII im
Allgemeinen nicht geeignet.