DGUV Information 203-042 - Auswahl und Benutzung von Laser-Schutzbrillen, Laser-...

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Anhang 5, Beispiel für die Berechnung von Laser-Schutzbrille...
Anhang 5
Auswahl und Benutzung von Laser-Schutzbrillen, Laser-Justierbrillen und Laser-Schutzabschirmungen (DGUV Information 203-042)

Anhangteil

Titel: Auswahl und Benutzung von Laser-Schutzbrillen, Laser-Justierbrillen und Laser-Schutzabschirmungen (DGUV Information 203-042)
Normgeber: Bund
Amtliche Abkürzung: DGUV Information 203-042
Gliederungs-Nr.: [keine Angabe]
Normtyp: Satzung

Anhang 5 – Beispiel für die Berechnung von Laser-Schutzbrillen

Für einen Laser mit einer Wellenlänge von 940 nm wird eine Laser-Schutzbrille benötigt. Der Laser wird mit Einzelimpulsen der Dauer von 10 µs und einer Impulswiederholfrequenz von 25 kHz gepulst. Die Einzelimpulsenergie beträgt 4 mJ. Der Laserhersteller gibt einen Durchmesser direkt am Strahlaustritt von d63 = 20 mm und einen Divergenzwinkel φ von 220 mrad an.

Anmerkung:

Der Divergenzwinkel φ entspricht dem Öffnungswinkel ϴ in Anhang 12 Strahldurchmesser

Gegebene Größen:

λ = 940 nm

d63=20 mm=20 10-3 m
φ=220 mrad=0,22 rad
t=10 µs=10 10-6 s
ν=25 kHz=25 103 Hz
Q=4 mJ=4 10-3 J

A5.1
Bestimmung der Laserbetriebsart nach Tabelle 2

Gemäß der Impulsdauer t von 10 10-6 s und der Wellenlänge λ = 940 nm wird ein Impulslaser (I) als Laserbetriebsart bestimmt.

Gemäß Tabelle 4 beträgt νi = 55,56 kHz für λ = 940 nm.

Da ν = 25 kHz < νi = 55,56 kHz wird nachfolgend mit der Impulswiederholfrequenz von ν = 25 kHz weitergerechnet.

A5.2
Bestimmung der Energiedichte des Einzelimpulses

A5.2.1
Bestimmung des Korrekturfaktors N1/4

N1/4 = (25 103 5)1/4 = 18,8

A5.2.2
Bestimmung des Strahldurchmessers in einem Abstand von 10 cm (üblicher Beobachtungsabstand vom Auge zum Beachtungsobjekt):

r = 10 cm = 0,1 m

Für die Bestimmung des Strahldurchmessers kann folgende Formel herangezogen werden:

d63-10 = tan(φ/2) 2 r + d63-0 = tan(0,22rad/2) 2 0,1 m + 0,02 m = 0,042 m

CCC_1455_180501_11.jpg

Abb. A5.1 Übersicht Strahlausbreitung

A5.2.3
Bestimmung der Energiedichte des Einzelimpulses

Die Strahlquerschnittsfläche entspricht einer Kreisfläche. Somit kann die Energiedichte des Einzelimpulses mittels der Formel für Kreisflächen bestimmt werden:

A63 = (d63-10/2)2 π = (0,042/2)2 π = 1,39 10-3m2

Somit ergibt sich für die Energiedichte des Einzelimpulses:

H = Q/A63 = 4 10-3 J/1,39 10-3m2 = 2,87 J/m2

A5.2.4
Bestimmung der korrigierten Energiedichte des Einzelimpulses

Die korrigierte Energiedichte des Einzelimpulses ergibt sich aus:

H' = H N1/4 = 2,87 J/m2 18,8 = 53,95 J/m2

A5.3
Bestimmung der Schutzstufe für den Impulsbetrieb

Gemäß der Tabelle 3 sowie der Wellenlänge λ = 940 nm, der Betriebsart I und der korrigierten Energiedichte des Einzelimpulses H'= 53,95 J/m2 ergibt sich die Schutzstufe:

I: LB 5

A5.4
Bestimmung der Leistungsdichte für den Dauerstrichbetrieb

Die mittlere Leistung P errechnet sich aus:

P = Q ν = 4 10-3 J 25 103 Hz = 4 10-3 W s 25 103 s-1 = 100 W

Somit ergibt sich für die Leistungsdichte:

E = P/A = 100 W/1,39 10-3m2 = 71,94 103 W/m2

Da die mittlere Leistung P >10 W ist muss der Korrekturfaktor F(d63) = 100 für d63 > 15 mm berücksichtigt werden.

Die korrigierte Bestrahlungsstärke erhält man durch:

E' = E F(d63)= E 100 = 71,94 103 W/m2 100 = 71,94 105 W/m2

A5.5
Bestimmung der Schutzstufe für den Dauerstrichbetrieb (D)

Gemäß der Tabelle 3 sowie bei der Wellenlänge λ = 940 nm, der Betriebsart D und der Leistungsdichte E = 7,19 106 W/m2 ergibt sich die Schutzstufe:

D: LB 6

Ergebnis:

Die Laser-Schutzbrille muss für die Wellenlänge λ = 940 nm die Schutzstufen I: LB 5 und D: LB 6 aufweisen.

Beispiel (regelmäßige Impulsfolge, Impulsperiode ist kleiner als die Zeit Ti gemäß Tabelle 4):

Ein Laser, Wellenlänge 1064 nm, sendet mit einer Frequenz von ν = 40 kHz Impulse von 5 µs Dauer aus.

Gemäß Tabelle 4 beträgt νi = 20 kHz für λ = 1064 nm.

Da ν = 40 kHz > νi = 20 kHz wird nachfolgend mit der Impulswiederholfrequenz von νi = 20 kHz weitergerechnet.

Die daraus ermittelte Impulszahl N' für 5 s beträgt:

N'(5 s) = 5 s νi = 5 s 20 103 s-1 = 100000

Faktor N'1/4 = (100000)1/4 = 17,78