DE10000706A1 - Verfahren und Anordnung zur normgerechten Bewertung der Bestrahlung in niederfrequenten elektrischen und/oder magnetischen Feldern - Google Patents

Abstract

Verfahren und Anordnung zur normgerechten Bewertung der Exposition in niederfrequenten elektrischen oder magnetischen Feldern, das auch für ein handgetragenes Messgerät geeignet ist. Das Bewertungsverfahren ist für beliebige Signale geeignet und einfacher als entsprechende Hinweise in den Normen für spezielle Signale. Es kann an verschiedene Normen mittels Parametersätze angepasst werden. Dabei muss der Anwender nicht wissen, ob es sich um ein gepulstes oder multifrequentes Signal handelt. Es erlaubt auch Laien, die normgerechte Exposition zu beurteilen. Außerdem wird angegeben, wie ein hoher Dynamikbereich realisiert werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung der Bestrahlung in niederfrequenten elektrischen und/oder magnetischen Feldern, bei dem frequenzabhängige Referenzwerte im Zeitbereich entsprechend einer vorgegebenen Norm zur Bewertung der Bestrahlung vorgegeben sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es gibt eine Reihe von Normen und Richtlinien, die aktuell für Deutschland relevant sind und regeln, ab wann der Aufenthalt von Personen in elektromagnetischen Feldern gefährlich ist. Es handelt sich hierbei um folgende Normen:

• 1. [1] International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection: "Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic Fields (up to 300 GHz)", Health Physics, April 1988, Volume 74, Number 4
• 2. [2] Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften, Fachauschuß "Elektrotechnik" der BGZ:
  "BGV B11, BG-Vorschrift Elektromagnetische Felder, Fachauschußentwurf Dezember 1988"
• 3. [3] VDE 0848 Teil 2 "Sicherheit in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern.
  Teil 2: Schutz von Personen im Bereich der Öffentlichkeit im Frequenzbereich von 0 Hz bis 300 GHz)", Entwurf V8 vom 26.7.99

Insbesondere im niederfrequenten Bereich (f ≦ 100 kHz) ist die Beurteilung realer Felder sehr schwierig. Das liegt daran, dass die Normen nur für denn Fall stationärer sinusförmiger Vorgänge eindeutig sind. Für diesen Fall existieren frequenzabhängige Referenzwerte für die elektrische Feldstärke E und die magnetische Flussdichte B. Werden beide Feldkomponenten isotrop (also richtungs- und polarisationsunabhängig) gemessen und liegen beide unterhalb der jeweiligen Referenzwerte, ist der Aufenthalt von Personen zulässig. Wichtig dabei ist, dass während der Messung keine Personen anwesend sein dürfen. Ein Bereich ist dann zum Aufenthalt von Personen geeignet, wenn im gesamten Bereich die Referenzwerte unterschritten werden.

Sind die Felder aber nicht stationär oder sinusförmig, gibt es einige Sonderregelungen in den Normen. In allen Normen gibt es Aussagen zu multifrequenten Feldern, wobei multifrequenten Feldern unterstellt wird, dass die Beträge der einzelnen Spektralkomponenten stationär, also unabhängig von der Zeit sind. Es wird hier immer eine Summenformel angegeben, die besagt, dass die Summe der auf die Referenzwerte normierten Beträge der Spektralkomponenten kleiner als ein vorgegebener dimensionsloser Wert sein muss. Teilweise (in [2] und [3]) gibt es zwei Arten solcher Summenformeln. In der ersten Art, welche auch in [1] vorhanden ist, werden die normierten Spektralkomponenten linear und in der zweiten Art werden die Quadrate der normierten Beträge aufaddiert. Sollen die Summenformeln bei realen Feldern angewendet werden, ist es naheliegend eine Spektralanalyse der drei orthogonalen Feldkomponenten durchzuführen. Diese drei so gewonnenen Spektren würden dann zu einem Betragsspektrum verrechnet und dann die Beträge der einzelnen Spektralkomponenten bestimmt werden.

Die Summenformel der ersten Art entspricht in etwa einer Begrenzung des Spitzenwertes im Zeitbereich. Diese Vorstellung ist allerdings nur dann zulässig, wenn das Zeitsignal des Feldes ein Bewertungsfilter durchlaufen hat, dessen Frequenzgang dem Kehrwert der frequenzabhängigen Referenzwerte entspricht. Meist wird der Spitzenwert durch die Summenformel zu hoch eingeschätzt, weil die Phasenlage der normierten Spektralkomponenten unberücksichtigt bleibt. Nur wenn alle Spektralkomponenten gleiche Phasenlage haben, entspricht der hier abgeschätzte Wert dem realen Spitzenwert.

Die Summenformeln der zweite Art können als eine Begrenzung des Effektivwertes des bewerteten Zeitsignals verstanden werden.

In einigen Normen ([2] und [3]) müssen nicht alle Spektralkomponenten in den Summenformeln berücksichtigt werden. Oft dürfen Spektralkomponenten unterdrückt werden, deren Betrag oder normierter Betrag 30% einer, nach verschiedenen Kriterien auszuwählenden, Bezugskomponente unterschreiten. Diese Ausnahmeregeln oder 30% Regeln haben bei den Summenformeln der ersten Art die Tendenz, die abgeschätzten Spitzenwerte zu verkleinern. Das läuft also der Tendenz, die Spitzenwerte durch das Fehlen der Phaseninformation zu überbewerten, entgegen. Bei Summenformeln der ersten Art macht das zunächst Sinn, weil man sich dem echten Spitzenwert nähert. Bei Summenformeln der zweiten Art macht das keinen Sinn, weil der Effektivwert auch im Frequenzbereich schon exakt berechnet wird (siehe Parsevallsches Theorem).

Die 30% Regeln führen unter bestimmten Bedingungen zu völlig absurden Ergebnissen. Als Beispiel sei hier der Fall genannt, dass viele Spektralkomponenten vorhanden sind und auch alle Spektralkomponenten gerade noch zu berücksichtigen sind. Wird nun der Betrag der Bezugskomponente etwas erhöht, kann es passieren, dass nur noch die Bezugskomponente zu berücksichtigen ist. Durch eine leichte Erhöhung einer Spektralkomponente kann sich so die Bewertung des Feldes um einige Größenordnungen verringern. Hat ein Feld zum Beispiel die Referenzwerte um den Faktor Tausend überschritten, kann es vorkommen, dass eine leichte Erhöhung des Betrages einer Spektralkomponente dazu führt, dass das Feld deutlich unterhalb der Referenzwerte liegt. Dies geschieht somit lediglich durch eine Erhöhung des Feldes.

Hier wird deutlich, dass die 30% Regeln bei Summenformeln der ersten Art nur einen verzweifelten Versuch darstellen, das Fehlen der Phaseninformation auszugleichen. Gleichzeitig wir aber das Risiko eingegangen unter bestimmten Umständen völlig absurde Bewertungen vorzunehmen.

Bei Summenformeln der zweiten Art gibt es keine positive Motivation die 30%- Regel zu befolgen. Die 30% Regel wurde einfach auf die Summenformeln der zweiten Art übertragen und existiert nur in [2].

Zunächst sind die Summenformeln der Normen zur Bewertung multifrequenter Felder nur für stationäre Felder anwendbar. Aber selbst mit dieser Einschränkung ist eine blinde Anwendung der in den Normen angegebenen Summenformen in manchen Fällen sehr gefährlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der unter Berücksichtigung der geltenden Normen möglichst allgemein gültige eine Bewertung erreicht werden kann, die dem Anwender erlaubt, aufgrund eines ermittelten Wertes die Belastung in dem jeweiligen Feld zu erkennen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Vorrichtungsanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Um diesbezüglich zu vernünftigen Ergebnissen zu gelangen, ist es erforderlich, die Kernaussagen der Normen über multifrequente Felder zu erkennen und zu befolgen. Folgende Kernaussagen der Normen über multifrequente Felder wurden gefunden:

• - Zu den Aussagen über stationäre, monofrequente Felder dürfen keine Widersprüche auftreten, deshalb werden die Beträge der einzelnen Spektralkomponenten immer auf die frequenzabhängigen Referenzwerte normiert.
• - Sinn und Zweck der Summenformeln ist es, den Spitzenwert und manchmal auch den Effektivwert des Zeitsignals zu begrenzen.
• - Da der Spitzenwert nur im Zeitbereich definierbar ist und die Summenformeln nur im Frequenzbereich anwendbar sind, gelingt es in den Normen nur unvollkommen auszudrücken, was eigentlich gemeint ist.
• - Die 30% Regeln sind nur ein verzweifelter Versuch das Dilemma zu mildern. In vielen Situationen werden die Normen dadurch allerdings ad absurdum geführt.

In manchen Normen ([2] und [3]) gibt es auch Aussagen über gepulste Signale im niederfrequenten Bereich. Für einige ausgewählte gepulste Signale werden Aussagen gemacht, wie durch Bestimmung und Verrechnung von Steigungsstücken im Zeitsignal, eine Bewertung vorgenommen werden kann. Es wird hier unterstellt, dass das Zeitsignal in graphischer Form vorliegt. Durch Beobachtung des Graphen sollen dann Zeitsignalbereiche, in denen die Steigung des Zeitsignals nicht Null ist, ermittelt werden. Durch Verrechnen der Beträge und Dauer der Steigungen wird dann eine Bewertung vorgenommen. Der jeweiligen Dauer der Steigungen wird insbesondere auch eine Frequenz zugeordnet. Mit Hilfe dieser Frequenz kann ermittelt werden welcher Wert der, für gepulste Felder neu eingeführten, frequenzabhängigen Referenzwerte der Steigung zu berücksichtigen ist.

Des weiteren sind die Verechnungsvorschriften in den Normen reine Kochrezepte und zunächst völlig unverständlich. Auch hier war es erforderlich, die eigentlichen Kernaussagen der Verechnungsvorschriften zu finden:

• - Die Referenzwerte für die Steigungen sind so gewählt, dass sie den frequenzabhängigen Referenzwerten für den Effektivwert der Felder entsprechen, wenn stationäre, sinusförmigen Zeitsignale vorliegen.
• - Werden sinusförmigen Signale gepulst (also ein und ausgeschaltet) wird der über eine Sekunde gemittelte Effektivwert auf den Referenzwert begrenzt. Der Spitzenwert wird ebenfalls begrenzt, allerdings auf einen Wert, der um einen vorgegebenen Faktor größer als der Referenzwerte ist. Die Frequenz des Sinussignals bestimmt, welcher Wert der frequenzabhängigen Referenzwerte relevant ist.
• - Bei nicht sinusförmigen gepulsten Signalen wird versucht, ebenfalls den Effektivwert und den Spitzenwert zu begrenzen. Auch hier wird versucht eine Gewichtung mit den frequenzabhängigen Referenzwerten vorzunehmen. Da nur für zwei Beispiele nicht sinusförmiger Signale Bewertungskriterien vorliegen, wird keine allgemeingültige Bewertungsvorschrift gegeben.

Bei dem Versuch, aus den Normen eine allgemeingültige Bewertungsvorschrift zu extrahieren, die für alle denkbaren Felder geeignet ist, ergeben sich Ungereimtheiten und Widersprüche.

Bei multifrequenten Feldern soll unter anderem offensichtlich auch der Spitzenwert des Zeitsignals ermittelt und bewertet werden. Die entsprechenden Vorschriften in den Normen können das aber nur unvollkommen leisten, weil sie im Frequenzbereich, statt im Zeitbereich definiert sind. Eine blinde Befolgung der 30% Regeln kann zu völlig absurden Bewertungen führen.

Bei gepulsten Feldern liegen nur für drei Beispiele Bewertungskriterien in Kochrezeptmanier vor. Eine Extrapolation auf beliebige gepulste Signale muß vom Leser der Norm selbst erarbeitet werden.

Prinzipiell kann jedes beliebige Signal sowohl als multifrequentes als auch als gepulstes Signal aufgefasst werden. Das heißt, dass eigentlich erwarten werden muß, dass die Aussagen für beide nichttrivialen Felder sich nicht widersprechen dürfen. Die Aussagen der Normen über gepulste Felder enthalten aber im Gegensatz zu den Aussagen über multifrequente Felder keine 30% Regel. Dieser Widerspruch ist nur lösbar, wenn davon ausgegangen wird, dass die 30% Regeln nur ein Hilfsmittel sind um das Fehlen der Phaseninformation auszugleichen. Im Zweifelsfall sind also die Aussagen über den Zeitbereich relevant.

Die wesentliche Erkenntnis zu einem allgemeingültigen Bewertungsverfahren zu gelangen, besteht darin, dass die Bewertung mit den frequenzabhängigen Referenzwerten im Zeitbereich selbst durch eine Frequenzgangbewertung mindestens eines Zeitsignals der drei orthogonalen räumlichen Feldkomponenten des Feldes durchgeführt wird (nachfolgend als Bewertungsfilter bezeichnet), indem das jeweilige Zeitsignal mit einer Impulsantwort einer frequenzabhängigen Übertragungsfunktion gefaltet wird. Auf diese Art und Weise kann die komplette Bewertung im Zeitbereich vorgenommen und trotzdem den frequenzabhängigen Referenzwerten Rechnung getragen werden. Aus den bewerteten bzw. normierten Zeitsignalen können sowohl der Spitzenwerte als auch der Effektivwert (also die beiden wirklich relevanten Bewertungsgrößen), direkt ermittelt werden.

Liegen die drei Zeitsignale der drei orthogonalen Feldkomponenten des elektrischen oder magnetischen Feldes vor, sieht gemäß der Erfindung das allgemeingültige Bewertungsverfahren folgendermaßen aus:

• - Jedes der drei Zeitsignale wird mit der Impulsantwort eines Bewertungsfilters gefaltet.
• - Der Betrag der Übertragungsfunktion der Bewertungsfilter ist so zu wählen, dass er dem Kehrwert der frequenzabhängigen Referenzwerte entspricht.
• - Am Ausgang der drei Bewertungsfilter stehen normierte Zeitsignale zur Verfügung
• - Das momentane Betragsquadrat des normierte Feldes wird durch Addition der Quadrate der drei normierten Zeitsignale berechnet.
• - Aus dem momentanen Betragsquadraten des normierten Feldes wird das Quadrat des Spitzenwertes und wenn notwendig auch das Quadrat des Effektivwertes berechnet.
• - Das Quadrat des Spitzenwertes und des Effektivwertes werden mit je einem Gewichtungsfaktor multipliziert. Mit einem Gewichtungsfaktor von Null kann eine nicht benötigte Größe ausgeschaltet werden.
• - Die größere der beiden gewichteten Größen stellt zu jeden gegeben Zeitpunkt das Quadrat der normgerecht bewerteten Belastung (Exposition) dar.
• - Durch Ziehen der Quadratwurzel wird die normgerechte Exposition bestimmt. Ein Zahlenwert von 1 entspricht dabei einem gerade grenzwertigen Feld.

Dieses Verfahren muß für das elektrische und das magnetische Feld getrennt durchgeführt werden. Streng genommen müssen beide Expositionen beobachtet werden. Die größere von beiden ist dann jeweils die relevante. Oft kann jedoch von vorneherein ausgeschlossen werden, dass der jeweils andere Feldtyp relevante Anteile liefern kann.

Entspricht der Betrag der Übertragungsfunktion der Bewertungsfilter exakt dem Kehrwert der frequenzabhängigen Referenzwerte, weist das erfindungsgemäße Bewertungsverfahren (kurz STD für Shaped Time Domain) folgende Vorteile auf:

• - STD liefert bei stationären sinusförmigen Signalen exakt die gleiche Bewertung, wie sie in den Normen festgelegt ist.
• - Bei multifrequenten Signalen wird bei STD prinzipiell keine 30% Regel angewendet. Dafür wird aber die Phasenlage der einzelnen Spektrallinien bei der Berechnung des Spitzenwertes berücksichtigt. Das heißt, dass zwar nicht immer exakt die gleiche Bewertung wie durch die Summenformeln der ersten Art vorgenommen wird. Es wird aber immer eine Bewertung vorgenommen, die dem ursprünglichen Gedanken der Summenformeln eher entspricht als die blinde Anwendung der Summenformeln selbst. Der Effektivwertzweig der STD liefert exakt die gleichen Ergebnisse wie die Summenformeln der zweiten Art, wenn diese ohne 30% Regel angewendet werden.
• - Bei gepulsten sinusförmigen Signalen liefert die STD exakt die gleichen Ergebnisse wie entsprechende Vorschriften in den Normen. Bei nicht sinusförmigen gepulsten Signalen liefert die STD Werte, die sehr nahe an den beiden festgelegten Bewertungsbeispielen liegen. Bei beliebigen anderen gepulsten Signalen stellt STD eine sinnvolle Verallgemeinerung der Bewertung dar.
• - Bei völlig beliebigen Feldern, die durch die Normen gar nicht explizit abgedeckt sind, liefert STD immer eine Bewertung, die den Kernaussagen der Normen entspricht.

Die frequenzabhängigen Referenzwerte sind in den Normen bereichsweise als Geradenstücke im doppelt logarithmischen Maßstab definiert. An den Bereichsgrenzen treten scharfe Kanten auf. Wird eine Übertragungsfunktion für die Bewertungsfilter gesucht, deren Betrag möglichst genau dem Kehrwert der Referenzwerte entspricht, gelingt dies nicht perfekt. In der Nähe der Bereichsgrenzen werden die größten Abweichungen entstehen. Da die Geradenstücke meist Steigungen von -20 dB pro Dekade, 0 dB pro Dekade oder 20 dB pro Dekade aufweisen, läßt sich ein gutes Bewertungsfilter aber schon mit entkoppelten Filtergliedern erster Ordnung sehr gut approximieren. In diesem Fall liegen die Abweichungen an den Bereichgrenzen bei etwa 3 dB. Durch Erhöhung der Filterordnung könnte diese Abweichung beliebig verkleinert werden.

Die frequenzabhängigen Referenzwerte spiegeln die Frequenzabhängigkeit des Einkoppelmechnismus der externen Feldgrößen zu den internen Reizgrößen in menschlichen Körper wieder. Im niederfrequenten Bereich wird im wesentlichen die Abhängigkeit der reizrelevanten Stromdichte im menschlichen Körper von den äußeren Feldgrößen beschrieben. Dieser Einkoppelmechnismus wird mit Sicherheit genauer durch eine Übertragungsfunktion niedriger Ordnung beschrieben. Eine Erhöhung der Filterordnung würde durch unbegründete Phasenverschiebungen die Bewertung des Spitzenwertes sogar in Frage stellen.

Die STD eignet sich als mathematisches Bewertungsverfahren, wenn die Zeitsignale des Feldes aus irgendwelchen Quellen bekannt sind. STD kann aber auch und vor allem in Meßgeräten implementiert werden. Ein Feldsensor muß dann die drei Zeitsignale der drei orthogonalen Feldkomponenten liefern. Es ist auch denkbar, dass nur ein Sensor verwendet wird. Das ist manchmal zulässig, wenn dieser Sensor so ausgerichtet wird, dass er die maximale Exposition liefert. In diesem Fall können die beiden anderen Feldkomponenten als gleich Null angenommen werden und es muß nur noch ein Bewertungsfilter statt drei realisiert werden.

Die Verarbeitung der drei Zeitsignale kann sowohl vollständig mit analoger Schaltungstechnik als auch vollständig mit digitaler Schaltungstechnik vorgenommen werden. Auch beliebige Kombinationen sind selbstverständlich denkbar. Beim jetzigen Stand der Technik bietet es sich an, schon sehr weit vorne im Verarbeitungspfad über einen Analog/Digital-Wandler (ADW) den Schritt in die digitale Signalverarbeitung zu machen. Es ist allerdings zu beachten, dass der verarbeitbare Dynamikbereich von ADW's zur Zeit immer noch kleiner ist als der von reiner Analogtechnik. Da es verschiedene Normen und innerhalb dieser Normen verschiedene Expositionsklassen gibt und sich Normen im Laufe der Zeit ändern, ist es wünschenswert, die Bewertungsfilter und sonstige Kenngrößen der Normen durch frei programmierbare Parameter festzulegen. Das heißt, dass es zunächst sinnvoll ist, schon die Bewertungsfilter mit digitaler Signalverarbeitung zu realisieren. Das hätte aber den Nachteil, dass die Aussteuerungsgrenze des ADW nicht um einen konstanten Faktor über den frequenzabhängigen Referenzwerten liegen würde. Wenn der ADW beispielsweise bei 1 Hz gerade noch ein sinusförmiges Feld mit dem Referenzwert verarbeiten kann, würde ein grenzwertiges Signal bei 1 kHz bei manchen Normen schon 60 dB unterhalb der Aussteuerungsgrenze liegen. Soll erreicht werden, dass ein gerade grenzwertiges Feld den ADW unabhängig von der Signalfrequenz gleich aussteuert, müßte das Bewertungsfilter noch vor dem ADW realisiert werden. Dann könnte aber das Bewertungsfilter nicht mehr mit der frei programmierbaren digitalen Signalverarbeitung realisiert werden.

Dies wird gemäß einer bevorzugten Ausbildung des Verfahrens dadurch gelöst, dass vor dem ADW ein Bewertungsfilter angeordnet wird, das nur in grober Form dem Kehrwert des Referenzwertverlaufs der meisten Normen entspricht. Es bietet sich an für dieses Bewertungsfilter die Übertragungsfunktion eines Hochpasses erster Ordnung mit der Grenzfrequenz von etwa 1 kHz zu wählen. Nach dem ADW kann dann ein zweites Bewertungsfilter mit digitaler Signalverarbeitung realisiert werden. Dieses zweite Filter ist dann, wie gewünscht, frei programmierbar. Es muß so eingestellt werden, dass die Multiplikation der Übertragungsfunktionen beider Filter die, für die gewählte Norm, notwendige Übertragungsfunktion ergibt. Dieser Schaltungstrick (Preshaping) erlaubt die Dynamik des ADWs um bis zu 60 dB besser auszunützen als es ohne Preshaping möglich wäre.

Das erfindungsgemäße Verfahren STD berücksichtigt vor allem Spitzenwerte und auch Effektivwerte. Aus vorstehendem wird ersichtlich, dass eine Reihe gedanklicher Sprünge notwendig waren, um zu erkennen, dass STD das Verfahren ist, das eine normgerechte Bewertung im NF Bereich zulässt und eigentlich erst ermöglicht. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass die Normen für multifrequente Felder eine Spektralanalyse und für gepulste Felder die graphische Auswertung des Zeitsignals nahelegen. STD hat mit beidem nichts zu tun.

Des weiteren senkt das Preshaping ein 1 Hz Signal um etwa 60 dB ab. Preshaping greift also extrem in den Frequenzgang ein und erlaubt dadurch auch eine extreme Erweiterung des Dynamikbereichs einer auf einer digitalen Signalverarbeitung basierenden STD. Preshaping wird benutzt, um eine vorgegebene Übertragungsfunktion in zwei Stufen zu realisieren. Die erste Stufe sorgt für eine möglichst gute Dynamikanpassung, die zweite Stufe erlaubt universelle Programmierbarkeit.

Das Verfahren kann an verschiedenen Normen mittels Parametersätze angepasst werden und ist auf beliebige Signale anwendbar. Der Anwender muss nicht wissen, ob es sich um ein gepulstes oder multifrequentes Signal handelt und erlaubt auch Laien die normgerechte Exposition zu beurteilen.

Nachfolgend wird die Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild aus dem der Verfahrensablauf ersichtlich ist, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild für eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, wie sie in einem Meßgerät realisiert werden kann.

Fig. 1 zeigt anhand eines schematischen Blockschaltbildes den Verfahrensablauf. Als Eingangsgrößen stehen die Zeitsignale der elektrischen Feldstärke E bzw. der magnetischen Flussdichte B zur Verfügung. In der Figur sind beispielhaft die einzelnen orthogonalen Komponenten bx(t), by(t) und bz(t) angegeben. Die Zeitsignale der einzelnen Komponenten werden jeweils auf ein Bewertungsfilter 1 gegeben. Zur Vereinfachung werden nachfolgend mit y(t) die Ausgangsgröße eines in der Figur dargestellten Blockes und mit x(t) die Eingangsgröße des jeweiligen Blockes gekennzeichnet.

Gemäß den obigen Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren lautet die mathematische Beschreibung des Verfahrens in dem Bewertungsfilter 1 für alle orthogonalen Komponenten:

y(t) = x(t) . h(t), mit
h(t) = Impulsantwort von H(f), wobei

wenn die Eingangsgröße eine magnetische Flußdichte ist oder

wenn die Eingangsgröße eine elektrische Feldstärke ist.

Mit der Bezugsziffer 2 wird mathematische Operation y(t) = x²(t) bezeichnet. Bis dahin gelten die mathematischen Beziehungen für alle drei räumlichen Komponenten. Anschließend erfolgt die Addition der räumlichen Komponenten der erhaltenen Zeitsignale und einerseits die Betrachtung des Spitzenwertes im oberen Zweig der Figur und andererseits des Effektivwertes im unteren Zweig der Figur. Mit der Bezugsziffer 3 ist die Spitzenwertermittlung gemäß

y(t) = max(x(τ)) mit t - t_v ≦ τ ≦ t

bezeichnet. Die Berechnung des Spitzenwertquadrates geschieht durch Bildung des maximalen Wertes des Betragsquadrates innerhalb des letzen t_v umfassenden Zeitraumes. Die Größe t_v ist so zu wählen, dass sie größer als der Zeitabstand, mit dem später die Exposition angezeigt oder abgespeichert wird, ist. Anschließend erfolgt eine Gewichtung 4 entsprechend der Vorgaben der jeweiligen Norm gemäß y(t) = k_peak . x(t). Im unteren Zweig erfolgt, mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet, die Effektivwertberechnung gemäß

Die maximale Mittelungszeit t_avg über die der Effektivwert berechnet werden darf, ist in einigen Normen versteckt enthalten und beträgt dann meist eine Sekunde. Auch hier erfolgt eine Gewichtung 6 nach der Norm gemäß y(t) = k_rms . x(t).

Eine Mittelung des Betragsquadrates vor der Spitzenwertberechnung ist zur Zeit in keiner der Normen vorgesehen. Wenn entsprechende Aussagen in neuen Normen auftauchen sollten, kann eine solche Mittelung ebenfalls berücksichtigt werden, um bei kürzerer Mittelungszeit (µs- bis ms-Bereich) als beim Effektivwert kurzzeitige Spitzenwerte zu eliminieren.

Im Anschluss daran (Bezugsziffer 7) wird aus den beiden Werten der größere gemäß y(t) = max(x₁(t), x₂(t)) ermittelt. Block 7 symbolisiert y(t) = √x(t). Das Ergebnis ist die jeweilige Exposition. Ein Zahlenwert von 0,5 bedeutet, dass die Feldstärke noch um den Faktor zwei erhöht werden kann, um die Grenzwerte zu erreichen. Es kann auch angebracht sein, durch Multiplikation mit 100%, einer gerade grenzwertigen Exposition den Zahlenwert 100% zuzuweisen.

In der Fig. 2 ist schematisch als Blockschaltbild eine Anordnung dargestellt, die in eine Messeinrichtung eingebaut werden kann. Die Sonden 10 erfassen die drei Raumkomponenten des Feldes, wobei sie intern oder extern oder auch als Zubehör zu dem Messgerät zur Verfügung stehen. Die von den Sonden 10 gelieferten Signale durchlaufen eine übliche Signalaufbereitung 11 zur Anpassung der Signale. Anschließend gelangen die Signale zu einem Bewertungsfilter 12 und über eine zweite Signalaufbereitung 13 zu einem Analog Digitalwandler 14, der die digitalisierten Signale einer digitalen Signalverarbeitung 15 zuführt und die Werte errechnet, die im Anschluss daran über eine nicht dargestellte Anzeigeeinrichtung (Display, Bildschirm, Drucker) ausgegeben werden.

Von den beiden Signalaufbereitungen 11, 13 dient die Signalaufbereitung 11 vorzugsweise der Dämpfung oder Verstärkung der Sondensignale und der Frequenzganganpassung der Sonden, während die zweite Signalaufbereitung 13 vorzugsweise für eine zusätzliche Verstärkung oder Dämpfung und als Anti-Alias- Tiefpaßfilter vorgesehen sind. Je nach Anwendungsfall können auch beide Signalaufbereitungen 11, 13 wirkungslos sein.

In dem Bewertungsfilter 12 kann ein Teil oder das ganze Bewertungsfilter für STD implementiert werden, je nach dem welche technische Ausgestaltung gewählt wird. Da in der digitalen Signalverarbeitung der restliche Teil des vorstehend erwähnten erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert wird, ist es auch möglich, das ganze Bewertungsfilter in der digitalen Signalverarbeitung anzuordnen. In einem derartigen Fall würde sich das mit der Bezugsziffer bezeichnete Bewertungsfilter zwischen den beiden Signalaufbereitungen 11, 13 erübrigen. Bei einer Aufteilung des Bewertungsfilters (teilweise analog, teilweise digital) ist wichtig, dass beide Teile des Bewertungsfilters zusammen die gewünschte Übertragungsfunktion liefern.

Im Falle von Preshaping wird ein grober, unveränderlicher Teil analog in dem Bewertungsfilter 12 und der veränderliche kleinere Teil in digitale Technik in der digitalen Signalverarbeitung 15 realisiert.

In dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2 beinhaltet die digitale Signalverarbeitung auch nicht gesondert dargestellte Speichereinrichtungen, aus denen bereits berechnete Werte abgerufen werden können.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bewertung der Bestrahlung in niederfrequenten elektrischen und/oder magnetischen Feldern, bei dem frequenzabhängige Referenzwerte im Zeitbereich entsprechend einer vorgegebenen Norm zur Bewertung der Bestrahlung vorgegeben sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Durchführen einer Frequenzgangbewertung mindestens eines Zeitsignals der drei orthogonalen räumlichen Komponenten eines elektrischen oder magnetischen Feldes (ex(t), e(y)t, (ez)t; bx(t), by(t), bz(t)), in dem das jeweilige Zeitsignal mit einer Impulsantwort (h(t)) einer frequenzabhängigen Übertragungsfunktion (H(f)) gefaltet wird, wobei der Betrag der Übertragungsfunktion dem Kehrwert der frequenzabhängigen Referenzwerte der elektrischen Feldstärke (E) bzw. der magnetischen Flussdichte (B) entspricht;
Quadrieren der erhaltenen normierten Zeitsignale;
Addieren der quadrierten Zeitsignale zur Ermittlung des momentanen Betragsquadrats des normierten Feldes;
Ermittlung des Quadrats des Spitzenwertes und/oder des Quadrats des Effektivwertes des momentanen Betragsquadrats des Effektivwertes des momentanen Betragsquadrats des normierten Feldes;
Gewichtung des Quadrats des Spitzenwertes bzw. des Quadrats des Effektivwertes;
Auswählen des größeren der beiden Werte, und
Ermitteln der normgerechten bewerteten Bestrahlung für das jeweilige Feld durch ziehen der Quadratwurzel aus dem größeren Wert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Quadrat des Spitzenwertes durch Bildung des maximalen Wertes des Betragsquadrats innerhalb eines vorgegebenen Beobachtungszeitraumes ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die normgerecht bewertete Bestrahlung für das jeweilige Feld in einer Speichereinrichtung abgespeichert und mittels einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den beiden normgerecht bewerteten Bestrahlungen für das jeweilige Feld (elektrisches und magnetisches) die größere ermittelt und angezeigt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzgangbewertung mit den folgenden Schritten durchgeführt wird:
Falten des mindestens einen Zeitsignals mit einer Impulsantwort einer frequenzabhängigen ersten Übertragungsfunktion, wobei der Betrag der frequenzabhängigen ersten Übertragungsfunktion nur näherungsweise dem Kehrwert der frequenzabhängigen Referenzwerte entspricht,
Digitalisieren des gefalteten Zeitsignals, und
Falten des digitalisierten Zeitsignals mit einer Impulsantwort einer zweiten Übertragungsfunktion, wobei die zweite Übertragungsfunktion so gewählt wird, dass das Produkt aus der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion wieder die ursprüngliche Übertragungsfunktion (H(f)) ergibt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Übertragungsfunktion die Übertragungsfunktion eines Hochpasses erster Ordnung mit einer Grenzfrequenz von etwa 1 kHz gewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwerte der zweiten Übertragungsfunktion entsprechend der zu beachtenden Norm eingestellt bzw. geändert werden.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit Sensoren für die jeweilige räumliche Feldkomponente, einer Auswerteeinrichtung und einer Anzeige, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Sensoren (10) und der Auswerteeinrichtung (15) ein Bewertungsfilter (12) zur Durchführung der Frequenzgangbewertung und anschließend daran ein A/D-Wandler angeordnet und die Auswerteeinrichtung (15) als programmierbare digitale Signalverarbeitung ausgebildet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewertungsfilter (12) als Hochpass erster Ordnung, vorzugsweise mit einer Grenzfrequenz im Bereich von etwa 1 kHz, ausgebildet ist.