GZS / MZB Berechnung 980nm gepulst

[markus83]

Hallo Liebe Forummitglieder,

ich bin in Laserbereich neu und habe Probleme den GZS / MZB für gepulste 980nm Laser zu berechnen.

Hier mal ein paar Fakten:
Laser: 10 mW
Pulsfrequenz: 100 kHz / Dabei wird der Laser pro Sekunden immer nur 250 ms gepulst, sonst ist er aus
Strahldurchmesser: 4,5 mm

Ich wäre Euch sehr dankbar, wenn Ihr mir auf die Sprünge helfen könntet.

Vielen Dank,

Markus

[undineSpektrum]

Hallo lieber Markus,

wie ich lese ist das Dein erster Thread mit eigenem Thema hier - deshalb erstmal Herzlich Willkommen und vielen Dank für Deine Frage.

Welche Vorkenntnisse hast Du in Bezug auf Laser bzw. Lasersicherheit ? - Leider geht das aus Deinem Thread hier sowie aus Deinem Profil nicht eindeutig hervor. Immerhin : Das es eine Gefahr gibt und wonach diese Beurteilt wird scheinst Du ja zu wissen? Hast Du die Sachkunde im Laserschutz erworben? Ich gehe mal davon aus dass Dir die einschlägigen Vorschriften geläufig sind ( also OStrV / BGV B2 ) sowie die entsprechenden Normen wie z.B. die DIN EN 60825 .... ansonsten Fragen...


Wie ich aus den von Dir angegebenen Laserdaten entnehmen kann benutzt Du eine Laserdiode, welche Strahlung bei einer Wellenlänge von 980 nm ( IR - A Bereich ) abgibt und durch einen Treiber mit einem Modulationseingang in der Ausgangsleistung mit den von Dir angegebenen Daten moduliert wird, richtig?

Wichtig sind auch ein Überblick über die Anwendung ( Lasershow machst Du ja sicher nicht ) wichtig und vollständige Laserdaten. Dazu gehört bei einem Laser der nicht im Dauerstrichbetrieb läuft immer:
- Laserleistung / ggf. mittlere Laserleistung und (falls verfügbar) Spitzenleistung
- Wellenlänge
- Strahlparameter ( w[0] / Theta[0] ) oder Strahldurchmesser
- Pulswiederholfrequenz und Pulsdauer bzw. wenn verfügbar das Tastverhältnis (sagt Dir das was?)

Alles andere ist logisch ableitbar / berechenbar.

Leider schreibst Du nicht, ob es sich bei "10 mW" um eine mittlere Leistung der gepulsten Laserstrahlung (Modulation "ein") handelt oder ob der Laser ohne Modulation (Modulation "aus") -> cw-Betrieb 10 mW Strahlungsleistung erzeugt.

Grundsätzlich ist zu unterscheiden welche Arten von Gefährdungen z.B. des Auges laut Gesetz angenommen werden. Bei der Wellenlänge von 980 nm im IR-A-Bereich ist das ausschließlich eine thermische Gefährdung, also erzeugt durch mögliche Verbrennungen (der Netzhaut) in Folge hoher Energie- Leistungsdichten.

In der BGV B2 finden sich meistens auch Tabellen zur Berechnung der MZB-Werte, die OStrV nimmt in §3 (Gefährdungsbeurteilung) Bezug auf entsprechende Richtlinien der EU in den diese Tabellen im Anhang zu finden sind.
Unterschieden werden müssen Grenzwerte für das Auge und für die Haut.
Dort findet sich eine Tabelle "Grenzwerte der Exposition des Auges gegenüber Laserstrahlen - Kurze Expositionsdauer" in deren Spalten verschiedene Zeitdauern angegeben sind. Die jeweiligen Zeilen sind nach Wellenlängen unterteilt. Für Deinen Laser findest Du dabei eine Formel " H=18*t^(3/4)*C[a]*C[e]" in der Einheit Joule pro Quadratmeter. Hier kommt Deine mit Laserlicht beleuchtete Fläche ins Spiel: Pi*(d^2/4) mit d=Strahldurchmesser.... wenn Du eine mittlere Leistung von 10 mW erzeugst weisst Du ja welche Energiedichte Dein Strahl an einer bestimmten Stelle hat. Liegt dieser Wert über der Energiedichte "H=18*t^(3/4)*C[a]*C[e]" musste Du Schutzmaßnahmen treffen weil der MZB-Wert überschritten ist. t ist die Einwirkungsdauer der Laserstrahlung an der von Dir geprüften Stelle. Die Konstanten C[a] und C[e] finden sich ebenfalls bei dieser Tabelle unter "Korrekturfaktoren und sonstige Berechnungsparameter"..., für Deine Wellenlänge und Deine Laserdaten ist C[a]=10^(0.002*("Wellenlänge in Nanometer"-700)) ... C[e] hängt von dem Divergenzwinkel alpha[0] oder Theta[0] des Laserstrahls ab,.... gerade bei Dioden spielt da eine Rolle.
Ebenso gehst Du beim Grenzwert für die Haut vor, den hältst Du aber sicherlich ein, was ich so sehe.
Wichtig: Expositionsdauern und Strahlparameter sollten für den ungünstigsten Fall ausserhalb des Auges angenommen werden - das hängt davon ab für was und wozu der Laser benutzt wird.

So oder so ähnlich würde ich im Prinzip vorgehen wenn ich Berechnungen für Gefährdungsbeurteilungen machen müsste. Eine Checkliste für alles gibt auch die BG ETEM auf ihrer Website heraus. Dort findest Du auch die Links zu den Tabellen und Normen bzw. kannst Dir dir BGV B2 und/oder OStrV auch bestellen... die gibt´s aber auch hier im "Vorschriften-Zip" des Forums...

Soweit erstmal. Ansonsten einfach weiter fragen... ich hoffe ich konnte etwas weiterhelfen...

Grüße,

Undine

[ekkard]

GZS / MZB für gepulste 980nm Laser ...

Laser: 10 mW
Pulsfrequenz: 100 kHz / Dabei wird der Laser pro Sekunden immer nur 250 ms gepulst, sonst ist er aus
Strahldurchmesser: 4,5 mm

Hallo Markus,
Undines Frage, was denn die 10 mW sind, ist berechtigt.
Aber da gibt es noch einen "Klops" oder die Bitte um eine genauere Beschreibung:
Die Pulsfrequenz von 100 kHz entspricht einer Impuls-Periode von 1/100000 = 10 µs. Eine Einschaltdauer von 250 ms ergibt keinen Sinn. Diese Dauer muss ja kleiner sein als 10 µs.
Andererseits, wenn der Laser für 250ms eingeschaltet wird und mit 100 kHz gepulst wird, dann müsstest du noch die Impulsdauer des einzelnen Impulses oder das Impuls-/Pause-Verhältnis mitteilen.
Da die Grenzwert-Formeln "Knicke" enthalten, ist es wichtig zu wissen, in welchem Zeitbereich wir die Impulse anzusetzen haben.

Die Strahl-Querschnittsfläche ist kleiner als die Normpupille (Normapertur). Folglich wird die Leistung auf diese bezogen (38,5 mm²).
Ich bin gespannt auf deine Erläuterungen.

[undineSpektrum]

Hallo zusammen...

@Markus:
... allerdings, wie ekkard richtig bemerkt hat - ich habe es wohl irgendwie überlesen - (!) denn : Impulswiederholfrequenz von 100 KHz bei einer Impulsdauer von 250 ms ( das sind ja mehr als zwölf 50Hz-Perioden des Wechselstromnetzes... ) das kann nicht sein, der Impuls dauert ja sehr viel länger als der Zeitabstand mit dem er wiederholt wird... Wie sieht so ein Signal im Zeitbereich aus?

Ich denke es ist ein Fehler in der Angabe des Tastverhältnisses.... Wie ist das genaue Tastverhältnis?

Grüße,

Undine

[markus83]

Vielen Dank für die bisherigen Antworten.

Anwendung des Laser ist ein Abstandssensor. Dieser misst im Abstand von 0 bis 15mm den Abstand zu einer Messprobe.

Was die Leistung angeht, die Spitzenleistung des Lasers ist 10mW, messe ich mit einen Messgerät die Leistung über 1 Sekunden, so komme ich auf ca. 2mW.

Vielleicht nochmal ein paar Worte zu meiner Pulseinstellung. Der Laser wird pro Sekunden 5x für 50ms aktiviert. Im aktivierten Zustand wird der Laser mit 100kHz ein- und ausgeschaltet.

Das bedeutet das der Laser immer nur eine 1/8 Sekunde pro Sekunde an ist. Faktor 1:4 durch 5 x 50ms = 250ms und Faktor 1:2 durch die 50/50 Modulation.
Ich habe pro Messfenster (50 ms) 5000 Pulse mit 10us. Also pro Sekunden 25.000 Pulse a 10 us.

Ich hoffe die Erklärung ist Verständlich


Die DIN sind mit seit kurzer Zeit geläufig, Grundsätzlich ist mein erstes Projekt was ich zum Thema Laserschutz habe. Gute Kenntnisse zum Laser sind allerdings vorhanden.


Grüße,

Markus

[ekkard]

... ein paar Worte zu meiner Pulseinstellung. Der Laser wird pro Sekunden 5x für 50ms aktiviert. Im aktivierten Zustand wird der Laser mit 100kHz ein- und ausgeschaltet.
Das bedeutet das der Laser immer nur eine 1/8 Sekunde pro Sekunde an ist. Faktor 1:4 durch 5 x 50ms = 250ms und Faktor 1:2 durch die 50/50 Modulation.
Ich habe pro Messfenster (50 ms) 5000 Pulse mit 10us. Also pro Sekunden 25.000 Pulse a 10 us.

Ich hoffe die Erklärung ist Verständlich

Hallo Markus,
ich versuche mal, deine Angaben aus sicherheitstechnischer Sicht etwas zu präzisieren:
Zunächst scheinst du ein Tastverhältnis von 1:1 für jeden einzelnen Impuls zu haben? Bei 100 kHz macht das 10mW für 5µs "an" und für 5 µs "aus". Aus solchen Impulsen machst du durch Modulation Impulsgruppen von je 5000 Stück, die bei 100 kHz eine Dauer von 50ms ( = 5000 x 10µs) umfassen. Die Modulation geschieht mit 5 Hz, Periode also 200 ms. D. h. alle 200 ms folgt eine Impulsgruppe von 50 ms Dauer zu je 5000 Einzelimpulsen.
Für sicherheitstechnische Betrachtungen ist es wichtig,
a) den einzelnen Impuls (10 mW für 5µs an)
b) den Mittelwert und
c) die Impulsgruppe (über T2 ~ 10 s)
zu untersuchen - und zwar getrennt! Der ungünstigste Fall ist schließlich zu beurteilen.
Den C6-Faktor braucht man bei Lasern i. d. R. nicht zu beachten, weil der auch bei Diodenlasern so knapp über 1 liegt, dass dieser innerhalb der (sicherheitstechnischen) Messunsicherheiten unter geht.

Morgen werde ich dir den Rest hinsichtlich GZS bzw. MZB gerne vorrechnen, wenn du meine Zusammenfassung der Impulsstruktur bitte zwischenzeitlich bestätigen könntest.

[markus83]

Hallo Ekkard,

deine Zusammenfassung trifft meinen Fall zu 100%.

Wenn ich mir meine Zahlen anschaue, ist mir eigentlich schon klar, dass ich weit über den MZB liegen werden.

Wenn du mir die GZS / MZB Berechnung zeigen könntest würde ich mich sehr freuen.

Vielen Dank im voraus,

Markus

[ekkard]

Gut, beginnen wir beim Einzelimpuls:
Ti(980nm)=18µs Innerhalb 18 µs werden die Impulse zu einem zusammen gefasst. Bei 100 kHz (Periode 10µs) sind das 2.
Die Impulsenergie bei 10 mW und 2x5µs beträgt: 100 nJ. Da im Messabstand nach deinen Angaben ein Strahldurchmesser von weniger als 7mm erreicht wird, wird der Grenzwert zugänglicher Strahlung (GZS) z. B. der Klasse 1 direkt mit der Energie von 100 nJ (=1E-07J)verglichen.
Der GZS(1 Impuls, Dauer Ti, 980 nm) beträgt: C4*2E-07J; C4(980nm)=10^0,002*(λ-700nm)=3,63
Damit wird GZS = 726nJ oder in Exponential-Schreibweise: 7,26E-07 J
Das Einzelimpulskriterium der Laserklasse 1 wird eingehalten.

Dasselbe gilt für bei diesen Verhältnissen auch für die maximal zugängliche Bestrahlung (MZB). Es steckt nichts anderes dahinter als der Bezug der Energie auf die Empfängerfläche. Dies ist hier die Normpupille von 7 mm Durchmesser (38,48 mm²). Wir beziehen unsere 100 nJ auf 38,48 mm² und beachten, dass 1mm² = 1E-06m²:
Die Bestrahlung E beträgt demnach für den Einzelimpuls: 100nJ/3,848E-05m² = 2,6E-03J/m².
Für die MZB gilt: 5·E–03 C4 J/m² = 18,2E-03 J/m²
Auch die MZB wird vom Einzelimpuls (eigentlich ein Doppelimpuls) eingehalten.

Soweit! Die weiteren Berechnungen folgen in separaten Beiträgen, wobei der "ungünstigste Fall" u. U. hier nicht erreicht wurde - also Vorsicht!

[ekkard]

Mittelwert-Kriterium:

GZS, Laserklasse 1

Die Energie aller Impulse in einer Periode (200 ms bei 5 Hz) wird auf die Periode bezogen. Wir haben 5000 Impulse zu je 10 mW * 5 µs, also 2,5E-04J (250µJ). Diese dividieren wir durch 0,2s (200ms) und erhalten 1,25E-03W oder 1,25 mW.

Der GZS für den Dauerbetrieb beträgt 3,9E-04W*C4*C7, wobei C4(980nm)=3,63 und C7(980nm)=1. Also GZS = 1,42 mW.
Uups, das wird grenzwertig!

MZB:

Wir beziehen die 1,25 mW auf die Normpupille und erhalten E = 32,48 W/m²
Die MZB für den Dauerbetrieb beträgt: MZB = 10*C4*C7 W/m² = 36,31 W/m²
... kommt also "gerade so hin".
Aber im nächsten Beitrag folgt das "dicke Ende"!

[ekkard]

Impulsgruppe („reduziertes Einzelimpulskriterium“):
Bei Impulsgruppen wird berücksichtigt, dass sich die Bestrahlung über eine gewisse Zeit wiederholt. Und zwar so lange, bis sich das Auge (mutmaßlich) hinreichend weiter bewegt hat. Hierfür ist die Zeitdauer T2 zuständig, die für Punktquellen ca. 10 s dauert.
Die Zahl der (mutmaßlichen) Treffer wird aus den in je Ti(980nm) = 18 µs quasi-gleichzeitig eintreffenden Impulsen ermittelt. Statistisch gesehen teilt man also die 50 ms durch 18µs (mal ergeben sich überwiegend 2 manchmal nur 1 Impuls/Ti). Dies ergibt 2778 Ti-Impulse zu je 100 nJ.
Davon gibt es in 10 s 50 Gruppen, also insgesamt N = 138‘889 Stück.
Daraus wird ein C5-Faktor berechnet, mit dem man den Grenzwert multiplizieren muss.
C5(N) = N^-0,25 = 0,0518
Kehren wir zurück zum Einzelimpulskriterium!
Es war GZS = 726nJ. Wegen der Impuls-Wiederholung wird daraus
GZS * C5 = 37,6 nJ
Der Einzelimpuls muss nunmehr mit diesem „reduzierten Grenzwert“ verglichen werden.
Offensichtlich überschreiten die 100 nJ diesen reduzierten Wert!

Genauso bei der MZB:
MZB*C5 = 18,2E-03 J/m² * C5 = 0,943E-03 J/m²
E = 2,6E-03J/m² überschreitet diese Grenze.

Irrtum vorbehalten! Bitte selbst nachrechnen.

[markus83]

Hallo ekkard,

ich würde dich wirklich gerne zum Bier einladen.

Vielen Dank für deine Mühe, ich werde das heute mal genauer nachvollziehen und anrechnen. Ich würde dann nochmal ein Feedback geben.

Nochmals vielen Dank,

Markus