Sensor Systems - Automation Technology

Radar-Füllstandmessung und Strahlungssicherheit
Sicherheit von RadarFüllstandmessumformern
Ian Van Zyl, R&D Manager, Radar-Technologie
Wie sicher sind Radar-Füllstandmessumformer? Die von diesen Geräten ausgehende
Strahlung wird oft bezüglicher ihrer Sicherheit für den menschlichen Körper in Frage
gestellt. Diese Frage soll in diesem Artikel für mikrowellengestützte Füllstandmessumformer im Allgemeinen und für die ebenfalls davon betroffenen Messumformer
von Siemens im Besonderen behandelt werden.
Mikrowellen-Radarinstrumente finden häufig Einsatz in der Industrie,
um Füllstände in Lagertanks oder
Silos zu messen. Die Radar-Füllstandmessumformer werden oben
auf Silos oder Behältern eingebaut
und richten Mikrowellen-Energie auf
die Materialoberfläche, von der die
Energie zum Gerät zurückgeworfen
wird. Durch Messung der Laufzeit der
Mikrowellen-Energie zur Oberfläche
und wieder zurück kann der Messumformer die im Behälter vorhandene
Materialmenge berechnen.
Für die Füllstandmessung mit Radar
können verschiedene Technologien zum Einsatz gelangen, darunter
Pulsradar und FMCW- (Frequency
Modulated Continuous Wave) Radar.
Diese Technologien im Einzelnen
zu beschreiben würde den Rahmen
dieses Artikels sprengen; es genügt
zu wissen, dass Radar-Füllstandmessumformer durch eine sehr niedrige
Ausgangsleistung sowie niedrige
Arbeitszyklen charakterisiert werden,
was eine noch geringere Durchschnittsleistung ergibt.
Sicherheit von RadarFüllstandmessumformern
Wenn es auch nicht an Literatur und
Normen fehlt, die sich mit dem Thema Strahlungssicherheit im Allgemeinen befassen, so sind spezielle Texte
zur Sicherheit von Radar-Füllstandmessumformern eher selten. Die
Verfasser Brumbi [9] und Devine [10],
die jeweils im Auftrag zwei anderer
Hersteller von Radar-Füllstandmessgeräten schreiben, setzen sich beide
mit dieser Frage auseinander und
betonen die Tatsache, dass derartige
Messumformer keinerlei Gefahr für
Benutzer darstellen.
Auswirkungen der
Mikrowellenstrahlung
Um zu untersuchen, wie sich Radarstrahlung auf den menschlichen Körper auswirkt, müssen die Strahlungen
mit einer Normengruppe verglichen
werden. Die meisten Länder habe
Gesetze für annehmbare Werte der
Strahlenbelastung erlassen und die
Unterschiede von einem Land zum anderen sind minimal. Zur Veranschaulichung nimmt dieser Artikel auf die kanadische Gesetzgebung und Normen
Bezug. Richtlinien des Arbeitsministeriums Ontario sagen Folgendes aus:
„Die hauptsächliche Auswirkung einer
Belastung durch HF/MW-Felder ist die
Erwärmung von Körpergewebe, da
die Energie dieser Felder vom Körper
absorbiert wird.“ [2] Dies liegt an der
Tatsache, dass Mikrowellenstrahlung
nicht ionisierend ist; die größte Wirkung besteht daher in der Erhitzung
des Körpergewebes, welche Schäden
verursachen kann.
Diese erwärmende Wirkung heißt,
dass es auf die „mittlere Leistung“ ankommt, und nicht auf die „Spitzenleistung“. Radar-Füllstandmessumformer
erzeugen nicht kontinuierlich Leis-
Sensor Systems
Answers for Industry.
1
Trends in Instrumentation
Übersicht über zutreffende Grenzwerte des Safety Code 6
Frequenz
6 GHz
25 GHz
SAR (Glieder gemittelt über 10 g Gewebe)
4 W/kg
4 W/kg
SAR (Auge)
0.2 W/kg
0.2 W/kg
Elektrische Feldstärke
61.4 V/m
61.4 V/m
Leistungsdichte
10 W/m2
10 W/m2
Mittelungszeit für die Belastung
6 Minuten
24,6 Minuten
Tabelle 1 Zusammenfassung zutreffender Grenzwerte des Safety Code 6 für 6 und 25 GHz
Frequenzen.
Siemens Radar-Füllstandmessumformer
umfassen 6 GHz bis 25 GHz Ausführungen.
tung, sondern in Arbeitszyklen zwischen
20-50% (FMCW-Radar) bis hin zu niedrigen Werten von 0,075% (Pulsradar).
Wenn die Strahlenbelastung auf eine Bedienperson nicht kontinuierlich ist, dann
spielt die mittlere Belastung über einen
bestimmten Zeitraum eine Rolle. Dem
FCC OET Bulletin 56 zufolge werden: „in
den NCRP und ANSI/IEEE-Belastungskriterien und den meisten anderen Normen
‚zeitlich gemittelte’ Grenzwerte für die
Belastung festgelegt. Das bedeutet, dass
die empfohlenen Grenzwerte für kurze
Zeiträume überschritten werden dürfen,
solange die mittlere Belastung (über den
festgelegten angemessenen Zeitraum)
den Grenzwert nicht überschreitet." [5]
Health Canada Safety Code 6
Zahlreiche Richtlinien und Normen befassen sich mit der Sicherheit von Mikrowellen, darunter beispielsweise der Health
Canada Safety Code 6 [1], das FCC Bulletin OET 65 [6] sowie der IEEE Standard
C95.1 [3]. In der Regel stimmen die Normen in den Grenzwerten für die Strahlenbelastung, die sie aufstellen, überein.
In diesem Artikel werden die Grenzwerte
des Health Canada Safety Code 6 herangezogen.
Die grundlegenden Grenzwerte des Safety
Code 6, die nicht überschritten werden
dürfen, werden in Form der spezifischen
Absorptionsrate (SAR) angegeben. Der
SAR-Wert ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der die von den Funkfrequenzen
herrührende elektromagnetische Energie
vom Körper aufgenommen wird. Er wird
in Watt pro Kilogramm angegeben. Er
entspricht der Energieabsorptionsrate pro
Masseneinheit im Körper. Da die verschiedenen Organe mehr oder weniger anfällig
2
für Mikrowellenstrahlen sind, legt Safety
Code 6 Grenzwerte für den Kopf, den
Nacken und Rumpf, sowie für die Gliedmaßen und die Augen fest. Aufgrund
der begrenzten Durchblutung wird das
Auge als besonders empfindlich für eine
Strahlenbelastung angesehen. Die Norm
empfiehlt daher, dass die Belastung des
Auges immer berechnet werden muss,
auch wenn eine direkte Bestrahlung des
Auges für diese Art von Instrument kein
plausibles Szenarium darstellt.
Eine direkte Messung des SAR-Werts ist nur
unter Laborbedingungen realisierbar. Seine Berechnung ist schwierig, auch wenn
ihre Durchführung durch Heranziehen vereinfachter Annahmen des ungünstigsten
Falles möglich ist. Aufgrund der Schwierigkeit, den SAR-Wert direkt zu messen, legt
der Safety Code 6 auch maximale Grenzwerte bezüglich der elektrischen und magnetischen Feldstärke und Leistungsdichte
fest. Diese Grenzwerte werden von den
SAR-Werten abgeleitet. Tabelle 1 fasst die
in Safety Code 6 angegebenen Grenzwerte
bei Frequenzen zusammen, die üblicherweise von Radar-Füllstandmessumformern
verwendet werden.
Der SAR-Wert wird berechnet, indem die
Absorption durch ein bestimmtes Volumen an Gewebe berücksichtigt wird, 10 g
für Glieder und das ganze Auge. Ein Gewebestück von 10 g hat die ungefähren
Maße eines Würfels mit einer 21,5 mm
langen Seite, während das Auge eines Erwachsenen im Durchschnitt einen Durchmesser von etwa 25 mm aufweist. Diese
Werte sind klein in Bezug auf die Antenne
eines Radar-Füllstandmessumformers (mit
einem typischen Durchschnitt von 40 bis
200 mm) und deshalb wird nicht die ganze Energie, die von einem Messumformer
ausgeht, durch das Gewebevolumen aufgenommen. Da es aber sehr komplex ist
zu berechnen, wie viel ausgestrahlte Energie von dem maßgebenden Volumen (besonders im Nahfeld) aufgenommen wird,
wird zur Vereinfachung der ungünstigste
Fall angenommen, in dem die gesamte,
vom Gerät ausgehende Energie vom maßgebenden Volumen aufgenommen wird.
Die von Radar-Füllstandmessumformern
ausgehende Energie ist in der Regel so
gering, dass selbst diese Annahme des
ungünstigsten Falles einen berechneten
SAR-Wert ergibt, der weit unter den zulässigen Grenzwerten liegt.
Die Berechnung des SAR-Wertes erfolgt
durch Teilung der mittleren Leistung in
Watt durch die Masse des maßgebenden
Volumens in kg:
Pmittl.
SARGlieder = ____
0.01
Pmittl.
SARAuge = _______
0.0075
für die Glieder.
für das Auge.
Für die Berechnung der Leistungsdichte
bieten sich zwei Szenarien an: eine Belastung im Nahfeld direkt an der Antenne
oder eine Belastung im Fernfeld.
Bei der Nahfeldberechnung entspricht die
Leistungsdichte der vom Messumformer
ausgehenden Leistung, geteilt durch die
Antennenapertur. Aufgrund der Ungleichmäßigkeit des Feldes im Nahfeld erfordert
Safety Code 6, dass bei dieser Berechnung
ein Zusatzfaktor von 4 angewandt wird.
Daraus ergibt sich die folgende Berechnung der Leistungsdichte an der Hornantennenapertur mit Kreisblende:
Pmittl.
PD = 4 ____
␲r2
Für die Fernfeldberechnung wird die
ausgehende Leistung und die Antennenverstärkung berücksichtigt; daraus kann
die Leistungsdichte in einer Entfernung
berechnet werden.
Pmittl. · G
PD = _______
4␲d2
Diese Gleichung kann umgeordnet
werden, um den Mindestabstand zu be-
Radar-Füllstandmessung und Strahlungssicherheit
Ergebnisse für Siemens Radar-Füllstandmessumformer
Produkt
Einheiten SITRANS LR200 SITRANS LR250 SITRANS LR260 SITRANS LR460
Frequenz
GHz
6
25
25
25
Spitzenleistung
dBm
1.5
5
6
-5
Arbeitszyklus
%
0.075
0.075
0.075
35
Mittlere Leistung
µm
1.1
2.4
3
110
Höchste
Antennenverstärkung
dBi
20.3
22.3
22.3
22.3
Kleinste Antennenapertur
mm
95.3
36.4
49
74.5
SAR-Grenzwert Glieder
mW/kg
4000
4000
4000
4000
SAR Glieder
mW/kg
0.24
0.79
0.11
0.01
SAR-Grenzwert Auge
mW/kg
200
200
200
200
SAR Auge
mW/kg
0.1
0.3
0.4
14.8
Grenzwert Leistungsdichte
W/m2
10
10
10
10
Leistungsdichte, Nahfeld
W/m2
0.001
0.009
0.006
0.102
Leistungsdichte bei 1 m
W/m
0.00003
0.000032
0.00004
0.0015
Räumlich gemittelte
Leistungsdichte
mW/m2
0.002
0.005
0.007
0.253
2
Tabelle 2 Vergleich von Siemens Radar-Füllstandmessumformern mit Strahlenbelastung.
rechnen, an dem die Belastung unter den
Grenzwert fällt:
dmin =
Pmittl. · G
_______
4␲PD
Wenn aber die Leistungsdichte an der
Antennenapertur bereits unter dem Grenzwert liegt, wird diese Berechnung hinfällig.
Gemäß Safety Code 6 muss die Leistungsdichte darüberhinaus mit einer Reihe Sensoren über einen Flächeninhalt von 0,35 m x
1,25 m gemessen wird. Dies soll eine Fläche darstellen, die grob dem menschlichen
Körper entspricht [4]. Die niedrige Leistung von Radar-Füllstandmessumformern
erschwert diese Messung, aber auch hier
kann vereinfachend der ungünstigste Fall
angenommen werden, in dem die gesamte ausgehende Leistung über die betrachtete Fläche verteilt wird. Daraus ergibt sich
die Gleichung zur Berechnung der räumlich gemittelten Leistungsdichte:
Pmittl.
PD = ___________
0.35 · 1.25
Siemens AG
Industry Sector
Sensors and Communications
1954 Technology Drive
PETERBOROUGH, ON
CANADA, K9J 7B1
www.siemens.com/level
Die Anwendung der Gleichungen in diesem Abschnitt führt zu den Ergebnissen
in Tabelle 2 für mehrere Siemens Messumformer. Beachten Sie, dass jeweils der
ungünstigste Fall berücksichtigt wurde.
Im Beispiel des Messumformers SITRANS
LR250 wurde die kleinste Antenne (1,5“)
in Betracht gezogen, was für Berechnungen der Leistungsdichte im Nahfeld den
ungünstigsten Fall darstellt. Dagegen wird
bei der Berechnung der Leistungsdichte
im Fernfeld die Antenne mit der höchsten
Verstärkung (4“ Horn) erwägt, was für diese Berechnung wiederum dem ungünstigsten Fall entspricht.
Aus der Prüfung dieser Ergebnisse wird
ersichtlich, dass die Ausgangsleistung aller
Siemens Radar-Füllstandmessumformer weit
unter den Grenzwerten des Safety Code 6
liegt. Auch ein Vergleich mit anderen Geräten, die Strahlungen abgeben, fällt gut aus.
So liegt beispielsweise der SAR-Wert für ein
typisches GSM-Mobiltelefon auf 10 g Gewebe gemittelt im Bereich von 1 W/kg [7],
während der SITRANS LR250 Pulsradar einen
entsprechenden Wert von 0,00079 W/kg auf-
Änderungen vorbehalten
Nur als PDF-Datei verfügbar
© Siemens AG 2009
weist. Mikrowellenherde im Haushalt dürfen
eine Leistungsdichte von 50 W/m2 abgeben,
auch wenn neuere Geräte in der Regel etwa
2 W/m2 [8] abgeben. Der vergleichbare Wert
des SITRANS LR250 an der Antennensendefläche liegt bei 0,009 W/m2.
Schlussfolgerung
Das Durcharbeiten der Methoden des Health
Canada Safety Code 6 zeigt, dass die Strahlenbelastung, die von Siemens Radar-Füllstandmessumformern ausgeht, weit unter
den zulässigen Grenzwerten der Norm liegt.
Die Werte sind sogar um ganze Größenordnungen geringer als die von Konsumgütern
wie Mobiltelefonen oder Mikrowellenherden.
Sie brauchen daher keinerlei gesundheitliche
Bedenken beim Benutzer aufwerfen.
Referenzen
1. Limits of Human Exposure to Radiofrequency
Electromagnetic Fields in the Frequency Range
from 3 kHz to 300 GHz. Health Canada Safety
Code 6. Health Canada. Kanada, 1999.
2. Radiofrequency and Microwave Radiation in the
Workplace. Mitteilungsblatt. Strahlenschutzdienst der Arbeitsschutzabteilung, Arbeitsministerium, Ontario, 1994.
3. IEEE Standard for Safety Levels with Respect to
Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3kHz to 300 GHz. IEEE Standard
C95.1-2005. IEEE, New York, 2005.
4. IEEE Recommended Practice for Measurements
and Computations of Radio Frequency Electromagnetic Fields With Respect to Human Exposure to Such Fields, 100 kHz – 300 GHz. IEEE
Standard C95.3-2002. IEEE, New York, 2002.
5. Questions and Answers about Biological Effects and Potential Hazards of Radiofrequency
Electromagnetic Fields. OET Bulletin 56, vierte
Ausgabe. Washington, 1999.
6. Evaluating Compliance with FCC Guidelines
for Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields. OET Bulletin 65 Edition
97-01. Federal Communications Commission.
Washington, 1997.
7. “Cell phone radiation levels”. CNET, Juni 2009.
http://reviews.cnet.com/cell-phone-radiationlevels/
8. “Microwave Ovens and their Hazards”. Kanadisches Zentrum für Arbeitsschutz. November
2004. http://www.ccohs.ca/oshanswers/phys_
agents/microwave_ovens.html
9. Dr.-Ing Detlef Brumbi. Grundlagen der Radartechnik zur Füllstandmessung. Krohne Messtechnik GmbH & Co. KG. Duisburg, 1999.
10.Peter Devine. Radar Level Measurement – the
user’s guide. Vega Controls. 2000.
Die Informationen in dieser Broschüre enthalten
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