Mit der Messung, Berechnung und Beurteilung von magnetischen Feldern sind befähigte Personen (früher Sachkundige) zu beauftragen.
Die befähigte Person soll durch eine sachgerechte Ermittlung der Exposition die Grundlage für eine fachlich begründete Bewertung dieser Exposition liefern und diese angemessen erläutern können.
Die befähigte Person muss fachlich und organisatorisch in der Lage sein,
Die Exposition kann durch Messung, Berechnung, Herstellerangaben oder Vergleich mit anderen Anlagen ermittelt werden.
Ein Vergleich ist nur bei gleichem Anlagentyp, gleichen geometrischen Anordnungen und gleichen betrieblichen Einstellungen statthaft. Abweichungen selbst nur eines Parameters können erhebliche Auswirkungen auf die Größe der Exposition haben. Die Methode Vergleich ist daher mit äußerster Sorgfalt anzuwenden und sollte im Zweifelsfall durch Stichprobenmessungen oder Berechnungen abgesichert werden.
Berechnungen liefern meist nur punktuelle Werte im Raum. Die physiologischen Effekte von magnetischen Feldern setzen jedoch Flächen oder Volumina voraus, in denen die Verteilung des Feldes bekannt ist. Es ist daher sicherzustellen, dass eine Information über die Feldverteilung im Raum durch eine ausreichende Anzahl von berechneten Punkten sichergestellt ist. Um eine einfache Vergleichbarkeit von Berechnungen, Messungen und zulässigen Werten zu gewährleisten, sollten annähernd gleiche Integrationsflächen gewählt werden.
Die Geometrie des Schweißstrompfades bestimmt im Wesentlichen die räumliche Feldverteilung. Durch ferromagnetische Stoffe, z. B. Maschinenkörper, in unmittelbarer Umgebung kann diese Verteilung im Raum erheblich beeinflusst werden.
Betriebliche Einstellungen, insbesondere die Schweißstromparameter Amplitude und Schweißzeit, aber auch die elektrischen Komponenten des Schweißstromkreises, z. B. Art und Länge der Kabel sowie Typ der Schweißzange, bestimmen maßgeblich den zeitlichen Verlauf der auftretenden magnetischen Felder. Im Sinne einer Expositionsermittlung für den ungünstigsten Fall sind dabei nur Messwerte bzw. berechnete Werte mit zulässigen Werten zu vergleichen, die für den maximalen Schweißstrom gelten. Wie aus Untersuchungen an verschiedenen Schweißeinrichtungen bekannt ist, erfüllen Schweißstromeinstellungen von 70 bis 100 % bei 50-Hz-Anlagen und 60 bis 90 % bei Mittelfrequenzanlagen diese Forderung im Allgemeinen, da in diesem Einstellbereich nur noch geringe Veränderungen der expositionsrelevanten Parameter auftreten. Insbesondere bei Mittelfrequenzanlagen sollten keine zu hohen Einstellwerte gewählt werden, um ein Eingreifen der Strombegrenzung während der Messung unter allen Umständen zu vermeiden.
Wird eine Anlage betrieblich dauerhaft unterhalb ihrer Maximalparameter betrieben, so ist eine alternative Bewertung dieses Arbeitspunktes nur dann zulässig, wenn durch entsprechende Maßnahmen (dauerhafte Einschränkung des Stellbereichs) ein Verlassen dieses Arbeitspunktes hin zu höheren Expositionen nicht ohne weiteres möglich ist. Die Parameter, für die die Bewertung durchgeführt wurde, sind zu dokumentieren und im Bereich der Schweißeinrichtung bzw. des Bedienplatzes zu hinterlegen. Bei betrieblichen Veränderungen, die Auswirkungen auf die Exposition haben können, ist die Bewertung zu wiederholen.
Kann (z. B. aus betrieblichen Gründen) die Messung der magnetischen Flussdichte (Grundsignal ohne Oberschwingungen) nicht bei dem höchstmöglichen Betriebsstrom durchgeführt werden, so sind die Messwerte nach der Formel
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(1) |
auf diesen Strom hochzurechnen.
Die Flussdichten der durch Widerstandsschweißeinrichtungen emittierten magnetischen Felder können nach zwei grundsätzlich unterschiedlichen Verfahren ermittelt werden:
Dieses Verfahren hat bei Verfügbarkeit geeigneter Messgeräte den Vorteil, sofort Werte zu liefern, die eine erste Einschätzung der Expositionssituation vor Ort zulassen.
Dieses Verfahren lässt eine weitgehend automatisierte Bewertung zu und verringert damit den messtechnischen Aufwand und gleichzeitig die Möglichkeit von Fehlern. Nachteil hierbei ist, dass diese Messung keine direkte Einschätzung der Exposition vor Ort zulässt.
4.3.1.1 Anforderungen an Magnetfeldmessgeräte
Marktübliche Magnetfeldmessgeräte bestehen aus einer – zum Teil auch auswechselbaren – Magnetfeldsonde und einer Auswerteeinheit. Als Messsonden werden entweder Spulen oder Hall-Sensoren genutzt.
Messgeräte mit Spulensystemen basieren auf der Induktion von Spannungen in den Spulen durch die zu messenden zeitveränderlichen Magnetfelder. Daher können derartige Messgeräte prinzipbedingt keine Gleichfelder messen. Spulensysteme zum Messen von Feldern haben eine untere und eine obere Grenzfrequenz fu und fo.
Nähere Ausführungen siehe Abschnitt 4.3.1.5.
Als Spulensysteme sind isotrope (dreidimensionale) Spulenanordnungen mit einer Spulenfläche von 100 cm² je Raumachse nach DIN VDE 0848 Teil 1 „Sicherheit in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern; Teil 1: Definitionen, Mess- und Berechnungsverfahren“ gebräuchlich.
Das Prinzip von Hallsonden beruht auf der Erzeugung von Spannungen in Halbleitern beim Anliegen äußerer Felder. Dem so genannten Halleffekt liegt die Ablenkung von Elektronen im Halbleiter durch das äußere Magnetfeld zugrunde. Durch die zur Messung notwendige Elektronenbewegung besitzen Hallsonden eine obere Grenzfrequenz, aber keine untere. Daher sind Hallsensoren vor allem zur Messung von Gleichfeldern geeignet.
Die nachfolgenden Hinweise sollen die Auswahl eines geeigneten Magnetfeldmesssystems erleichtern. Je nach Anwendungsfall müssen nicht alle Kriterien erfüllt werden. Angesichts des kleinen Marktes für derartige Messgeräte wird man möglicherweise keines finden, das alle Kriterien optimal erfüllt.
Handlichkeit der Geräte
Bei Messungen an Widerstandsschweißmaschinen sind oft nicht alle Bereiche im Maschinenumfeld leicht zugänglich. Dazu sollte die Messsonde separat vom Anzeigegerät handhabbar sein. Die Einstellung von Messparametern soll mit wenig Bedienaufwand möglich sein.
Messwertanzeige
Zur Beurteilung der Exposition ist die Erfassung des zeitlichen Verlaufs der gepulsten Felder notwendig. Geräte, die nur eine Ziffernanzeige zur Ausgabe der Messwerte haben, sind daher nicht geeignet.
Auswechselbare Sonden
Für Widerstandsschweißeinrichtungen mit Wechselstrom ist die Messung mit einer Wechselfeldsonde ausreichend. Für Messungen an Widerstandsschweißeinrichtungen mit Gleichstrom ist es erforderlich, auch andere Sonden, z. B. Hallsonden, zu nutzen.
Isotrope Messsonden
Bei Messungen von nur kurzzeitig vorliegenden Feldgrößen ist die Verwendung von isotropen Messsonden unbedingt notwendig. Diese Sonden messen die Feldstärke in allen drei Raumachsen gleichzeitig.
Trigger- und Speichermöglichkeit
Für die Messung der hier betrachteten gepulsten Felder ist eine Triggerung auf das Messsignal und eine Speicherung des zeitlichen Verlaufes der Messsignale aller drei Raumachsen unbedingt erforderlich. Die Speicherung kann auch auf einem externen Gerät erfolgen, wenn das Magnetfeldmessgerät die unbewerteten Signale an einem Ausgang ausgibt.
Abtastrate
Die Abtastrate des Messgerätes muss deutlich höher sein als das Doppelte der höchsten auftretenden Signalfrequenz. Folgende Abtastraten werden empfohlen:
Bewertungsmöglichkeit im Messgerät
Es ist vorteilhaft und zeitsparend, wenn bereits vor Ort eine orientierende Aussage über die Einhaltung der zulässigen Werte für gepulste Felder erfolgen kann. Derzeit erhältliche Messgeräte erfüllen diese Forderung jedoch noch nicht in vollem Umfang.
4.3.1.2 Vorbereitung und Durchführung von Messungen
Feldstärkemessungen an Widerstandsschweißeinrichtungen können sehr zeitaufwändig sein, erfordern besondere Messtechnik und stellen erhöhte Anforderungen an das Messpersonal. Um diese Messungen möglichst effizient durchzuführen, sind vor Beginn der eigentlichen Messungen möglichst viele Informationen von dem Betreiber oder Hersteller der Schweißeinrichtungen einzuholen und die Messungen sorgfältig vorzubereiten. Dazu gehört:
Während der Flussdichtemessungen sind die Messpunkte so zu wählen, dass sie dem realen Abstand zwischen den Feld erzeugenden Komponenten der Widerstandsschweißeinrichtungen und dem Körper der Bedienperson bei normaler Arbeitshaltung entsprechen. Die Messungen sollen durch Fotos dokumentiert werden, die die typischen Arbeitshaltungen bei der Bedienung der Widerstandsschweißeinrichtung festhalten.
Der Messabstand ist der Abstand von der Sondenmitte (Mittelpunkt des Messwertaufnehmers) zur Oberfläche des Messobjekts. In der Nähe der Oberfläche ist der minimale Messabstand häufig durch die Abmessungen der Sonde vorgegeben. Beispielsweise kann der Abstand vom Mittelpunkt einer Sonde mit 100 cm² Spulenfläche zur Oberfläche des Messobjektes nicht kleiner als 5,7 cm sein.
Die von Widerstandsschweißanlagen ausgehenden magnetischen Felder und die eingesetzten Magnetfeldmessgeräte werden durch Personen nicht beeinflusst. Falls erforderlich, können die Messsonden unmittelbar in Körpernähe des Bedienpersonals positioniert werden.
4.3.1.3 50-Hz-Wechselstrom-Schweißeinrichtungen
Magnetfelder von 50-Hz-Wechselstrom-Schweißeinrichtungen werden üblicherweise mittels isotroper Wechselfeldsonden auf Spulenbasis gemessen. Die magnetische Flussdichte ist eine Vektorgröße, die durch die isotrope Sonde in drei Richtungskomponenten getrennt gemessen wird. Als Ergebnis der Messung erhält man somit drei Zeitverläufe in x-, y- und z-Richtungen wie in Bild 3 abgebildet, die in einem festen Verhältnis zueinander stehen.
Bild 3: Idealisierter Zeitverlauf der Komponenten der magnetischen Flussdichte an 50-Hz-Wechselstrom-Schweißeinrichtungen
Der in Bild 3 dargestellte Zeitverlauf zeigt die für 50-Hz-Wechselstromquellen typischen sinusähnlichen Feldverläufe mit Pausenanteilen, die sich durch den Phasenanschnitt ergeben.
Aus den Anteilen der einzelnen Feldkomponenten ergibt sich, dass der resultierende Vektor der magnetischen Flussdichte im oberen Beispiel hauptsächlich in Richtung der x-Achse zeigt. Der Anteil in y-Richtung ist etwa halb so groß, während der Anteil der z-Achse vernachlässigbar klein ist. Für die spätere Bewertung ist der Betrag der Flussdichte maßgeblich, der sich nach folgender Formel berechnet:
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(2) |
Durch die Betragsbildung ergeben sich ausschließlich positive Werte; der ursprüngliche zeitliche Verlauf des Feldes wird somit nicht korrekt abgebildet (Bild 4).
Bild 4: Idealisierter Zeitverlauf der Komponenten der magnetischen Flussdichte und des Flussdichtebetrages an 50-Hz-Wechselstrom-Schweißeinrichtungen
Der Zeitverlauf der resultierenden Magnetflussdichte kann berechnet werden, indem aus den Spitzenwerten der Magnetflussdichten der drei Achsen der resultierende Spitzenwert errechnet wird
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(2a) |
und der Zeitverlauf der Magnetflussdichte in der Raumachse mit den höchsten Magnetflussdichtewerten Bmax(t) auf den resultierenden Spitzenwert skaliert wird:
Dabei bezeichnet 
max den Spitzenwert und Bmax(t) den zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte derjenigen Raumkomponente mit der größten Amplitude.
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(2b) |
Bild 5: Messung in drei Raumachsen
Ein Messfehler kann auftreten, wenn in den einzelnen Raumachsen stark unterschiedliche Flussdichtewerte gemessen werden. Dabei wird in einzelnen Achsen (in Bild 5 x, y) in einem zu großen Messbereich gemessen, in dem das Gerät unter Umständen keine korrekten – nicht mehr verwertbare – Werte liefert.
Dies resultiert daraus, dass die Messbereichseinstellung meist nur für alle Achsen einheitlich möglich ist und demzufolge entsprechend der Raumachse mit den höchsten Messwerten vorgenommen wird.
Bei Berechnung der resultierenden Magnetflussdichte (Gleichung (2)) wird durch das Quadrieren der Magnetflussdichtewerte der Einfluss dieses Messfehlers gering bleiben.
Deutlich sichtbar ist auch ein häufiger systematischer Messfehler: Aus der unteren Grenzfrequenz der auf Spulenbasis wirkenden Wechselfeldsonde resultiert ein scheinbarer Versatz der Nulllinie. Real ist das Feld zwischen den Stromflusszeiten gleich Null.
4.3.1.4 Gleichstrom-Schweißeinrichtungen
Konventionelle Gleichstrom-Schweißeinrichtungen besitzen einen dreiphasigen Schweißtransformator. Der Ausgangsstrom des Schweißtransformators wird gleichgerichtet. Daraus resultiert ein Gleichstrom mit je nach Schaltgruppe des Schweißtransformators überlagerter 300-Hz- oder 150-Hz-Welligkeit.
Die dabei zu beachtenden Anforderungen an die Messtechnik werden gleichbedeutend im nachfolgenden Kapitel zur Invertertechnik benannt.
4.3.1.5 Inverter-Schweißeinrichtungen
Widerstandsschweißeinrichtungen mit Inverterleistungsteilen liefern als Schweißstrom einen Gleichstrom. Intern arbeiten sie mit einem mittelfrequenten Wechselstrom im Frequenzbereich von 1 bis 20 kHz. Durch den Ausgangsgleichrichter des Schweißtransformators wird der Wechselstrom gleichgerichtet. Aus dieser Gleichrichtung resultiert ein Gleichstrom, dem eine Welligkeit mit der doppelten Wechselrichtertaktfrequenz überlagert ist.
Die häufig verwendeten Wechselfeldsonden auf Spulenbasis können keine Gleichfelder erfassen. Werden sie dennoch zum Messen genutzt, so resultiert daraus ein Abfall des Messsignals, mit nachfolgendem Überschwingen des Messsignals in die Gegenrichtung bei Abschalten des Schweißstromes (siehe Bild 6). Ursache ist die untere Grenzfrequenz fu der Wechselfeldsonde.
Bild 6: Messung des Magnetfeldes einer Mittelfrequenz-Inverter-Maschine mit einer Wechselfeldsonde, fu ca. 5 Hz
Allerdings können unter Berücksichtigung der messtechnischen Besonderheiten auch die mit einer Wechselfeldsonde gemessenen Daten verwendet werden. Dabei muss bei der Bewertung die durch den Schweißstrom bestimmte reale Form des Zeitverlaufes zugrunde gelegt werden. Richtig abgebildet von der Wechselfeldsonde sind die überlagerten Welligkeiten. Der Anstieg des Schweißstromes wird im Allgemeinen noch genau genug erfasst.
Alternativ bietet sich die Messung des Feldes mit Hallsensoren an. Diese sind in der Lage Gleichfelder richtig zu messen.
Im Folgenden werden einige Beispiele von Messungen unter Nutzung von Gleichfeldsonden mit Hallsensoren dargestellt. Dabei wird auf die zu beachtenden Besonderheiten hingewiesen.
Bild 7: Strom- und Feldverlauf an einer Handschweißzange mit Inverterstromversorgung
| oben: | Stromverlauf, gemessen mit Schweißstrommessgerät (1 kA/Div) |
| unten: | Signal des Analogausganges eines Magnetfeldmesssystems mit Hallsensoren, fo = 500 Hz (Skalierung der Flussdichte hier nicht angegeben) |
Für die Messung der überlagerten 2-kHz-Welligkeit liegt die obere Grenzfrequenz einiger Meßsysteme mit Hallsensoren unter Umständen zu niedrig (siehe Bild 7). Ist dies der Fall so ist eine korrekte Messung nicht möglich.
In Bild 7 sind die Zeitverläufe von Strom und Magnetfeld so skaliert, dass sie gleiche Amplituden aufweisen. Auf Grund der Proportionalität von Strom und Magnetfeld müsste auch die überlagerte 2-kHz-Welligkeit beider Verläufe gleich sein, in der grafischen Darstellung erkennbar an einem gleichen Verhältnis von überlagerter Welligkeit und Gleichstrom. Da dies nicht der Fall ist, wird auf Grund der Überschreitung der oberen Grenzfrequenz die überlagerte 2-kHz-Welligkeit nicht mehr wiedergegeben. Deutlicher wird das in der gezoomten Darstellung der beiden Verläufe (siehe Bild 8).
Bild 8: Gezoomter Verlauf aus Bild 7
Bei einer Taktfrequenz des Inverters von 1 kHz ist die sich daraus ergebende 2-kHz-Welligkeit im Signal des Hallsensors gerade noch zu erkennen. Bei noch höheren Taktfrequenzen (siehe Bild 9) ist im Signal des Hallsensors keine Welligkeit mehr erkennbar.
Bild 9: Schweißstrom und Signal des Hallsensors bei einer Invertertaktfrequenz von 2 kHz
| oben: | Stromverlauf, gemessen mit Schweißstrommessgerät (1 kA/Div) |
| unten: | Signal des Analogausganges eines Magnetfeldmesssystems mit Hallsensoren (Skalierung hier nicht angegeben) |
Fazit:
Hallsensoren sind geeignet zur Messung von Gleichfeldern und niederfrequenten (50 Hz) Wechselfeldern. Für die Messung der überlagerten Welligkeit üblicher Widerstandsschweißinverter sind sie nur bei genügend hoher oberer Grenzfrequenz geeignet (Herstellerangabe der oberen Grenzfrequenz beachten). Auf Grund von Messungen mit Gleichfeldsonden mit niedriger Grenzfrequenz kann keine Bewertung der überlagerten Welligkeit vorgenommen werden. Alternativ ist entweder die überlagerte Welligkeit getrennt mit einer Wechselfeldsonde zu messen oder auf mit dem Strommesssystem gemessenen Zeitverläufe zurückzugreifen, die die überlagerte Welligkeit richtig wiedergeben.
4.3.1.6 Kondensatorentladungs-Schweißtechnik
Strom- und Magnetfeldverläufe an Kondensatorentladungs-Schweißmaschinen sehen prinzipiell so wie in Bild 10 dargestellt aus. Die Stellung der Schweißparameter (Schweißstrom und -zeit) erfolgt über die Einstellung der Ladespannung der Kondensatoren und (seltener, weil aufwendiger) über die Veränderung der Kapazität der Kondensatoren. Wird nur die Ladespannung geändert, so ändert sich nur die Höhe des Schweißstromes, die Zeitparameter ändern sich nicht. Daher braucht die Ermittlung der zulässigen Werte für jede genutzte Kapazität der Energiespeicherkondensatoren nur einmal durchgeführt werden.
Bild 10: Prinzipieller Zeitverlauf des Magnetfeldes (und des Schweißstromes) an Kondensatorentladungsschweißeinrichtungen oben – ohne, unten – mit Durchschwingen
In Abhängigkeit vom internen elektrischen Aufbau der jeweiligen Maschine kann es einen unipolaren Schweißstrom geben oder ein (einmaliges) Durchschwingen des Stromes auftreten.
4.3.2.1 Anforderungen an die Messgeräte
Der Schweißstrom ist Hauptquelle des von der Widerstandsschweißeinrichtung emittierten Magnetfeldes. Im Sinne der hier beschriebenen Vorgehensweise der Ermittlung der Zeitparameter kann von einem dem Schweißstrom proportionalen Magnetfeld ausgegangen werden. In die Bestimmung der Zeitparameter geht die absolute Höhe der Magnetfelder nicht ein. Zur Erfassung des zeitlichen Verlaufes des Feldes und Bestimmung der Zeitparameter des Magnetfeldes zur Bewertung kann daher auch der Zeitverlauf des Schweißstromes, zu dem sich das Magnetfeld proportional entwickelt, herangezogen werden.
In diesem Fall muss eine Strommesstechnik Verwendung finden, die entweder eine grafische Darstellung des Schweißstromverlaufes auf einem Bildschirm ermöglicht oder einen Analogausgang besitzt, an den ein externes Digitalspeicheroszilloskop angeschlossen werden kann. Es wird empfohlen den Zeitverlauf des Stromes zur Dokumentation zu speichern. Schweißstrommessgeräte, die die Parameter des Schweißstromes (üblicherweise Effektiv- und Spitzenwert und Stromzeit) lediglich numerisch anzeigen, sind zur Messung der Zeitparameter des Schweißstromes nicht geeignet und werden hier nicht weiter betrachtet.
Die Stromverläufe werden in Abhängigkeit von der eingesetzten Messtechnik nicht immer originalgetreu dargestellt. Der Anwender muss dies wissen und bei der Beurteilung der Messergebnisse berücksichtigen. Dazu ist eine Kenntnis der üblicherweise zu erwartenden prinzipiellen Zeitverläufe erforderlich (siehe Bild 2 in Nr. 5 „Schweißvorgang“ in Abschnitt 2). Die Anstiege, die für die Relevanz der Feldemissionen ausschlaggebend sind, werden in der Regel aber immer richtig dargestellt. Dies gilt zumindest für die Wechselstrom-, konventionelle Gleichstrom- und 1-kHz-Invertertechnik. Für Umrichter mit höheren Taktfrequenzen muss geprüft werden, ob die verwendete Messtechnik für die Abbildung der aus der höheren Taktfrequenz resultierenden Oberwelligkeit noch ausreicht.
Siehe auch „Abtastrate“ in Abschnitt 4.3.1.1.
4.3.2.2 Strommesstechnik
Ströme im kA-Bereich können prinzipiell mit
gemessen werden.
Da bei Verwendung eines Shunts in den Sekundärkreis eingegriffen werden muss und flusskompensierte Stromwandler empfindlich gegenüber Fremdfeldern sein können, hat sich in der Praxis der Einsatz der Rogowski-Spule bewährt.
Eine Rogowski-Spule ist eine langgestreckte Zylinderspule, die zu Messzwecken zu einer Kreisringspule geformt wird. Die Abmessungen der Spule sind so, dass der Windungsdurchmesser gegenüber dem Durchmesser der Kreisringspule vergleichsweise klein ist. Damit kann davon ausgegangen werden, dass im ganzen Feldraum praktisch eine gleich große Induktion bzw. magnetische Flussdichte auftritt. Mit einer Rogowski-Spule kann der Strom eines elektrischen Leiters, vergleichbar der Messung mit einer Stromzange, gemessen werden. Dazu wird die Kreisringspule um den Leiter gelegt, dessen Strom gemessen werden soll. In der Spule wird dann eine Spannung UInd proportional zur Änderung des sie durchfließenden magnetischen Flusses induziert. Für eine Spule mit n Windungen und der Windungsfläche A wird die induzierte Spannung wie folgt berechnet:
Die magnetische Flussdichte bzw. der Strom durch einen Leiter wird berechnet, indem die Spannung UInd integriert wird.
Schaltungstechnisch bedeutet dies, dass die Rogowski-Spule zur Strommessung bzw. zur Messung der magnetischen Flussdichte nur in Verbindung mit einem Integrator benutzt werden kann (siehe Bild 11). Die Widerstände R und die Kondensatoren C des Integrators bestimmen die Integrationskonstante τ.
Aus der am Integrator gemessenen Spannung U kann die magnetische Flussdichte B bzw. die Stromstärke I durch den Leiter wie folgt berechnet werden:
Bild 11: Messung des Schweißstromes mittels Rogowskispule
Magnetische Flussdichte
Strom durch den Leiter:
mit
| B | Magnetische Flussdichte in Vs/m² |
| I | Strom durch den Leiter in A |
| U | Spannung am Ausgang des Integrators in V |
| τ | Integrationskonstante τ = R x C in Sekunden |
| n | Anzahl der Windungen |
| A | Windungsquerschnitt in m² |
| µ0 | Permeabilitätskonstante in Vs/Am |
Die gebräuchlichsten Schweißstrom- bzw. Hochstrommessgeräte nutzen Rogowskispulen (zum Teil vom Hersteller anders bezeichnet) mit an diese Spulen angepassten Integratoren (extern oder in einem Messgerät integriert). Die Rogowskispulen sind für bestimmte Frequenzbereiche ausgelegt, gekennzeichnet durch untere und obere Grenzfrequenz fu und fo. Dabei sind Schweißstrommessgeräte an die typischen niederfrequenten Zeitverläufe von Schweißströmen angepasst und können durch eine dafür geringer ausgelegte untere Grenzfrequenz fu auch Gleichanteile von Schweißströmen genau genug abbilden. Zur Messung auch hoher Frequenzen (bis in den MHz-Bereich) ausgelegte Hochstrommesssysteme mit höherer unterer Grenzfrequenz können Gleichanteile nicht richtig abbilden. Dies wird besonders bei Messung typischer Schweißströme von Gleichstrom-Schweißeinrichtungen sichtbar. In Bild 12 wurde derselbe Schweißstrom vergleichsweise mit einem
Bild 12: Messung mit Schweißstrommessgerät (oben) und Hochstrommesssystem (unten), Inverterstromquelle, Schweißstrom 8,8 kA (Messung im Kurzschluss)
Schweißstrommesssystem mit niedriger unterer Grenzfrequenz und einem Hochstrommesssystem mit höherer unterer Grenzfrequenz gemessen. Dabei führt eine zu hohe untere Grenzfrequenz zu einem Dachabfall des Gleichanteils und beim Abschalten des Schweißstromes zu einem Durchschwingen des Messsignals unter die Nulllinie. Dagegen stellt die mit dem Schweißstrommessgerät gemessene obere Kurve den Verlauf des Schweißstromes richtig dar.
Bei Messungen von Wechselströmen führt eine zu hohe untere Grenzfrequenz zu einer scheinbaren Verschiebung der Nulllinie des phasenangeschnittenen Schweißstromes: scheinbar schwingt der Schweißstrom bis über die Nulllinie hinweg durch (siehe Bild 13). Tatsächlich ist der Strom in dieser Zeit Null.
Bild 13: Messung mit Hochstrommessgerät (unten) und Schweißstrommessgerät (oben). Thyristorstromquelle, Schweißstrom 25 kAeff / 38 kApk (Messung im Kurzschluss)
Die Messung der magnetischen Flussdichte in der unmittelbaren Umgebung stromführender Leiter kann sehr zeitaufwändig sein. Insbesondere an vielen Aufpunkten in der gesamten Maschinenumgebung müssen für jeden Messpunkt die Feldmesssonden auf Grund der zum Teil starken örtlichen Schwankungen der Flussdichte starke Gradienten der Flussdichte) neu positioniert werden und gegebenenfalls der Messbereich manuell angepasst werden.
Demgegenüber kann mit Berechnungsverfahren der notwendige Aufwand zur Bestimmung der Flussdichtewerte reduziert werden.
Da beim Widerstandsschweißen die relevanten Felder von den Schweißkabeln und der Leiterschleife der Schweißzange ausgehen, kann auf die Berechnung von Streufeldern der Transformatoren verzichtet werden. Anhang 2 enthält detaillierte Angaben und Berechnungsbeispiele sowie einen Katalog von berechneten Flussdichteverteilungen bei unterschiedlichen Schweißfenstergeometrien.
An gleicher Stelle befinden sich Hinweise zur Verwendung des auf der Internetseite der Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik zur Verfügung gestellten Programms zur Berechnung magnetischer Felder in der Umgebung von Widerstandsschweißeinrichtungen.
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.
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.
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.
Das Induktionsgesetz stellt den Zusammenhang zwischen der Stromdichte im Gewebe und der magnetischen Flussdichte her:
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(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 κ, 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:
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mit |  |
(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:
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(3) |
Hierbei bedeuten TI die Integrationszeit der Effektivwertbildung und tD die zeitliche Summe aller Feldänderungen im Zeitintervall TI.
Durch die zusätzliche Bedingung V ≤ Vmax wird die Sicherheit auch bei extrem kurzen Impulsen gewährleistet.
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:
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
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.
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
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 zul für 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 zul für 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 zul für 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 zul für 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:
| R | Sicherheitsabstand in cm (Bereich erhöhter Exposition/Ganzkörperexposition). |
| D | Diagonale des Zangenwerkzeuges in cm. |
 |
Spitzenwert des Schweißstromes in kA. |
| Iss | Spitze/Spitze-Wert der Oberwelligkeit des Schweißstromes in kA Die Oberwelligkeit kann gemessen oder vom Hersteller erfragt werden. Für Stromeinstellungen über 30 % kann für Iss näherungsweise 5 % vom Schweißstrom angenommen werden. |
| P | Anzahl der Perioden (bei 50-Hz-Zangen). Bei P > 50 kann P = 50 gesetzt werden. |
| T | Stromflusszeit 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 
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.
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:
Sind im Einzelfall die relevanten Parameter des Herzschrittmachers bekannt, können sich höhere Werte ergeben.