Die Vibrationsdosis messen oder schätzen

Langanhaltende und intensive Vibra­tionseinwirkungen auf das Hand-Arm-System können Beschwerden hervorrufen und zu chronischen Erkrankungen führen. Zur einheitlichen Bewertung und Beurteilung dieser Gefahr wurde 2007 die Lärm-und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung (LärmVibrationArbSchV) [1] deutsche Rechtsgrund­lage. Dort sind der Auslösewert mit 2,5 m/s² und der Expositionsgrenzwert mit 5 m/s² für die Tages-Schwingungsbelastung festgelegt. Diese bilden somit die Grundlage für die Gefährdungsbeurteilung von schwingungsbelasteten Arbeitsplätzen für Hand-Arm-Vibration. Zur Bestimmung der Tages-Schwingungsbelastung ist die Bestimmung der Belastungsdauer ebenso notwendig wie die Vibrationsintensität. Während sich die Vibrationsintensität gut messen lässt, bereitet die Erfassung der Belastungsdauer einige Schwierigkeiten. Die subjektive Wahrnehmung der Anwender ist oft falsch und der Einsatz von Messgeräten zur Bestimmung der Belastungsdauer kann den Arbeitsablauf stören und kommt aufgrund des hohen Aufwands und der Kosten nur sehr selten infrage. Um die Belastungsdauer exakter zu bestimmen, wurden Hilfseinrichtungen entwickelt. Diese sind klein, leicht, kostengünstig und werden direkt vom Anwender bedient. Die Unterschiede zwischen Messinstrumenten/Messgeräten und Hilfseinrichtungen sind in ISO/TR 19664 [2] definiert.

Normgerechte Messungen

Normgerechte Messungen sind mit Messeinrichtungen, die den Anforderungen der DIN EN ISO 8041 [3] entsprechen, nach den Messverfahren der Norm DIN EN ISO 5349 [4; 5] durchzuführen. Durch die Beobachtungen des Messpersonals können sog. „Artefakte“ und Störgrößen während der Messung eliminiert und somit deren Qualität gewährleistet werden. Diese Artefakte sind z. B. Störsignale, die aufgrund der Eigenbewegungen des Maschinenbenutzers auftreten, also Stöße, die vom Benutzer ausgehen und nicht auf ihn einwirken oder wenn Vibrationssignale erfasst werden, wenn die Hand nicht an der Einleitungsstelle angekoppelt ist. Aufgrund des hohen Aufwands sowie der Kosten wird meistens nur der Vibrationskennwert (Schwingungsgesamtwert) für die einzelnen Maschinen bestimmt. Die Belastungsdauer wird bisher üblicherweise auf der Grundlage von Erfahrungswerten oder durch Plausibilitätsprüfungen z. B. des Material- und Werkstoffverbrauchs abgeschätzt.

Neue Systeme/Dosimeter

Dosimetrische Hilfseinrichtungen „messen“ entweder den Schwingungs­gesamtwert und die Belastungsdauer oder nur eine der beiden Kennwerte. Sie benutzen zur Berechnung der Tages-Schwingungsbelastung manuell eingegebene Daten, wie z. B. Emissionswerte der Herstellerangaben.

Zur richtigen Verwendung dieser Werte sollte CEN/TR 15350 [6] herangezogen werden. Je nach Art der Ermittlung der Kenngrößen und der Berechnung der Tages-Schwingungsbelastung bei Hand-Arm-Vibrationen sind die unterschiedlichen Hilfseinrichtungen in ISO/TR 19664 als Maschinenzeitmesser, Belastungszeitmesser mit Belastungsberechnung oder persönliche Schwingungsbelastungsmesser (PVEM) definiert. Diese dosimetrischen Hilfseinrichtungen werden vorzugsweise für Langzeitmessungen über den gesamten Arbeitstag eingesetzt. Bei diesen Langzeitmessungen ist die Messperson nicht anwesend und kann daher aufgrund ihrer Beobachtung und Erfahrung Artefakte und Störgrößen nicht erkennen und eliminieren. Möglicherweise können verschiedene Algorithmen hier einen Ausgleich schaffen. Jedoch ist davon auszugehen, dass die Zuverlässigkeit der Daten geringer ist als die von normgerechten Messeinrichtungen nach der Norm DIN EN ISO 8041 ermittelten Daten. Trotzdem können die vereinfachten dosimetrischen Hilfseinrichtungen zur Einhaltung von Schwingungsgrenzwerten in der betrieblichen Praxis sowie zur systematischen Gesundheits- und Sicherheitsüberwachung hilfreich sein. Deren Einsatzmöglichkeiten und Anwendungsgrenzen wurden vom Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) untersucht und werden im Folgenden dargestellt.

Versuchskonzept

Ziel der Versuche war es, für einen in der Praxis großen Bereich von unterschiedlich eingesetzten Arbeitsgeräten die Einsatzmöglichkeiten und -grenzen des Dosimeters unter Berücksichtigung von Abweichungen oder Ungenauigkeiten abzuschätzen. Dazu wurden parallel Messungen mit einem normgerechten Messsystem (Svan106 der Fa. Svantek) und einem Dosimeter der Fa. Reactec vom Typ HAVwear-System im Labor durchgeführt. Es wurden drei charakteristisch unterschiedlich handgehaltene Maschinen gemessen. Während eines ca. 20-minütigen „Arbeitsspiels“ (Messdauer) wurde für jede Maschine eine möglichst reale Arbeitsschicht simuliert.

Um den Einfluss eines Benutzers der Arbeitsgeräte einzubeziehen, wurden die Untersuchungen mit fünf verschiedenen Probanden durchgeführt. Das Dosimeter lässt sich auf fünf Sensitivitätsstufen einstellen. Je nach Wahl der Stufe werden durch unterschiedlich hohe Schwellenwerte Vibrationen detektiert. Diese Einstellung kann nur der Hersteller vornehmen.

Die erste Messreihe wurde mit der Sensitivitätsstufe 3 durchgeführt. Aufgrund der teilweise fehlenden Erfassung von niedriger Vibrationseinwirkung wurde eine ergänzende Messreihe mit einer höheren Sensitivitätsstufe des Dosimeters durchgeführt. Diese Mess­reihe wurde mit nur einer Versuchsperson wiederholt. Bei beiden Messreihen erfolgten die Versuche an jeder Maschine mit allen Probanden drei Mal.

Der Schwerpunkt der Untersuchung lag auf den erfassten Belastungszeiten beider Systeme (Dosimeter, normgerechtes Messsystem); zusätzlich wurden Schwingungsgesamtwerte verglichen. Zur Beurteilung der Wiederholungsgenauigkeit wurde für jede Messreihe die empirische Standardabweichung der Messwerte herangezogen.

Funktionsweise der Messinstrumente

Während beim normgerechten Messsystem der Beschleunigungsaufnehmer an der Maschine, in der Nähe der Mensch-Maschinen-Schnittstelle, angebracht ist (Bild 1), wird das Dosimeter (und somit auch der integrierte Beschleunigungsaufnehmer) wie eine Armbanduhr am Handgelenk des Probanden befestigt (Bild 2).

Im Gebrauch nach Vorgaben des Herstellers wird das Dosimeter vor jeder Arbeitsschicht mit einer personalisierten ID-Karte aus der Dockingstation ausgelöst (Messung gestartet) (Bild 3) und am Ende der Arbeitsschicht wieder in die Docking­station zurückgelegt (Messung gestoppt).

Versuchsdurchführung

Die Messungen wurden an einem Schwingschleifer, einem Schlagschrauber und einem Bohrhammer durch­geführt. Um verschiedene Betriebszustände der einzelnen Maschinen ebenso wie Störeinflüsse zu testen, wurde für jede Maschine ein „Arbeitsspiel“ ent­wickelt. Während der ca. 20-minütigen Messzeiten wurde eine möglichst reale Arbeitsschicht simuliert. Die Messzeit wurde je nach Maschine in sieben bis 16 Abschnitte unterteilt. Jeder Abschnitt zeigt eine besondere Arbeitssituation, z. B. Leerlauf oder unterschiedliche Lastläufe, die aus dem typischen Maschineneinsatz abgeleitet wurden. Exemplarisch ist in Bild 5 das Arbeitsspiel des Schwingschleifers dargestellt.

Ergebnisse

Nachfolgend werden exemplarisch die detaillierten Ergebnisse des Schwingschleifers für Belastungsdauer und Vibrationswerte separat vorgestellt und die Gesamtergebnisse kurz erläutert.

Belastungszeiten

Exemplarisch sind die mit dem Schwingschleifer erzielten Ergebnisse für die Belastungszeiten, gemittelt über alle Messdaten, in Bild 6 dargestellt.

Des Weiteren fallen die unterschiedlich großen Abweichungen der erkannten Belastungsdauern der beiden Messsysteme auf, die die empirische Standardabweichung der Messwerte angeben. Während die Streuung der Messwerte des normgerechten Messsystems bei < 7 s liegt, liegt die des Dosimeters bei bis zu 45 s. Dies lässt auf eine schlechte Wiederholungsgenauigkeit des Dosimeters schließen. Die durchschnittliche prozentuale Abweichung zwischen normgerechtem Messsystem und Dosimeter liegt bei einer Unterschätzung der Belastungszeit bei ca. -44 %.

Bild 7 zeigt die Ergebnisse für die Belastungszeit mit der Dosimeter-Einstellung auf die höhere Sensitivitätsstufe 1.

Daraus folgt, dass die Ermittlung der Belastungszeiten des Schwingschleifers mit der Sensitivitätsstufe 1 genauer ist, jedoch auch mehr „falsche Belastungsdauer“ detektiert wird.

Schwingungsgesamtwert/Vibrationsintensität

Bild 8 zeigt die gemessenen Schwingungsgesamtwerte der beiden Systeme, gemittelt über alle Messdaten.

Gesamtauswertung

Bild 9 zeigt die durchschnittliche prozentuale Abweichung zwischen dem Dosimeter und den Referenzwerten des normgerechten Messsystems für die drei untersuchten Maschinen und die zwei verschiedenen Sensitivitätseinstellungen des Dosimeters.

Daraus kann abgeleitet werden, dass für Messungen am Schwingschleifer als typisches Gerät mit geringen Vibrationen die Einstellung Stufe 1 gewählt werden sollte. Die Einstellung auf Stufe 3 führt zu einer Unterschätzung der Belastungsdauer. Dadurch entsteht eine Unterschätzung der Gefährdung durch Vibrationsbelastung.

Die Messergebnisse des Schlagschraubers hingegen zeigen in beiden untersuchten Sensitivitätsstufen ähnliche Ergebnisse. Bei beiden Messreihen liegt mit -30 und -25 % eine deutliche Unterschätzung der Belastungsdauer vor. Grund für die zu geringe Detektierung können die Kombination aus extrem kurzen Schraubvorgängen und dem niedrigen Schwingungsgesamtwert sein. Für diese Maschine führt die Messung des Dosimeters zu einer Unterschätzung der Gefährdung.

Die Messergebnisse des Bohrhammers weisen eine Tendenz zur Überschätzung der Belastungsdauer auf. Bei beiden Messreihen wurde eine zu hohe Be­lastungsdauer erkannt. Die mit der Sensitivitätsstufe 3 ermittelte 5%ige Abweichung ist jedoch im Gegensatz zu der 19%igen Überschätzung mit der Sensitivitätsstufe 1 gering. Die 19%ige Ab­weichung entsteht durch die falsch erkannte Belastungsdauer in den Abschnitten ohne Vibrationseinwirkung. Für die Ermittlung von Belastungsdauern für den Bohrhammer ist deshalb die Nutzung der Sensitivitätsstufe 3 vorzusehen.

Die mit dem Dosimeter ermittelten Schwingungsgesamtwerte weisen teilweise erhebliche Abweichungen zu den mit dem normgerechten Messgerät ermittelten Werten auf. Der Schwingungsgesamtwert sollte daher durch normgerechte Messungen bestimmt werden, da sonst eine Unterbewertung der Gefährdung nicht auszuschließen ist.

Zusammenfassung und Fazit

Für eine personenbezogene dosime­trische Hilfseinrichtung (Dosimeter) wurden exemplarisch die Einflussgrößen und Messabweichungen untersucht, die beim Einsatz typischer Arbeitsgeräte auftreten. Bei der Beurteilung der Anwendungsgrenzen ist jedoch zu unterscheiden, ob das Dosimeter zur besseren Abschätzung der Expositionszeiten eingesetzt wird oder auch zur Messung der Vibrationseinwirkung. Zur besseren Abschätzung der Expositionszeiten ist das Dosimeter gut geeignet. Für die Messung der Vibrationseinwirkung sind jedoch die derzeitigen Abweichungen zu hoch. Insbesondere lässt die bei einigen Messungen festgestellte Unterschätzung der Gefährdung keine zuverlässige Gefährdungsbeurteilung nach der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung zu.

Die derzeit noch zu großen Defizite könnten durch eine Weiterentwicklung, z. B. der automatischen Anpassung der Sensitivitätsstufe und der Berücksichtigung individueller Parameter der Benutzer, behoben werden.  TS 617