Relazione Tecnica per la classificazione in base alla normativa CEI EN (02/ Quarta edizione) del sensore OSI LaserScan AS-615

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1 Institute for Applied Physics Nello Carrara Consiglio Nazionale delle Ricerche Relazione Tecnica per la classificazione in base alla normativa CEI EN (02/ Quarta edizione) del sensore OSI LaserScan AS-615 Firenze, 15 Dicembre 2005 Dr. Giovanni Agati (Responsabile Scientifico) Dr. Pier Luigi Emiliani (Direttore IFAC-CNR) IFAC CNR, via Madonna del Piano 10, Sesto Fiorentino (FI), Tel. (+39) , fax (+39)

2 Premessa Il sensore OSI LaserScan AS-615 in esame e un dispositivo utilizzato per il rilevamento del passaggio e la classificazione di veicoli, costituito da un sistema a scansione con emettitore a diodo laser (904 nm) e rivelatore a fotodiodo. Il dispositivo, come si legge nel manuale utente fornito dal costruttore, utilizza un poligono rotante che riflette il raggio laser in modo da produrre due fasci distinti con separazione angolare di 10º. Il sistema e munito di cavo di alimentazione per la tensione di 220 V e di cavo per l interfaccia con computer. Non esiste un controllo diretto manuale o via software per variare la potenza di emissione del diodo laser. Il dispositivo e inoltre dotato di un controllo elettronico di sicurezza tale da impedire l emissione laser in caso di blocco del poligono rotante. L apparecchio esaminato e identificato dal numero di serie e data di fabbricazione 02/2005. Le misure sono state comparate con i criteri di classificazione esposti nella normativa CEI EN ( Quarta edizione). Dimensioni area emittente Le modalita di misura della potenza di emissione, la valutazione dei Limiti di Emissione Accessibile (LEA) e dell'esposizione Massima Permessa (EMP) richiedono la conoscenza dell'angolo α sotteso dalla sorgente. Cio puo essere ricavato misurando le dimensioni dell area emittente ad una certa distanza dalla sorgente. Mediante un sensore sensibile alla radiazione infrarossa (Electroviewer, mod Electrophysics, Nutley, N.J., USA) si possono osservare su carta gli spots (30) rettangolari presenti sui due fasci di emissione. Ad una distanza di 3 m gli spots sono ben definiti e misurabili. Le due dimensioni sono risultate essere 52 e 2.7 mm. A questi valori corrispondono angoli sottesi di: α orizzontale = arctg (52/3000) = 17.3 mrad α verticale = arctg (2.7/3000) = 0.9 mrad La ripetizione della misura a diverse distanze dalla sorgente ha fornito risultati simili. I dati sono superiori alla divergenza del fascio laser, 12 mrad x 0.5 mrad, riportata nel manuale utente fornito dal costruttore. Scegliamo quindi quest ultime, quali condizioni peggiorative, per la 2

3 determinazione dell'angolo α sotteso dalla sorgente calcolato come media aritmetica delle due dimensioni angolari della sorgente (cfr. paragrafo 8.4 d, normativa CEI EN ). Essendo la dimensione inferiore minore di αmin = 1.5 mrad, questa deve essere posta uguale a 1.5 mrad prima di calcolare la media (cfr. paragrafo 8.4 d, normativa CEI EN ). Risulta quindi α = ( )/2 = 6.75 mrad Essendo questo valore maggiore di α min, la sorgente e considerata estesa. Misure di potenza e frequenza degli impulsi Per radiazione laser a scansione a 904 nm le misure di potenza devono essere effettuate attraverso un diaframma del diametro di 7 mm alla distanza data da r = (100 mm) (α mrad)/α max (tabella 10, normativa CEI EN ), cioe pari a mm. Essendo questa distanza inaccessibile, il diaframma di misura e' posto nel punto accessibile piu' vicino alla finestra di emissione. Le misure di potenza media sono state eseguite posizionando dietro al diaframma di 7 mm un rivelatore a fotodiodo Ophir NOVA Mod. PD-300. Il fotodiodo, posizionato in prossimita del fascio di impulsi laser, veniva spostato con movimenti micrometrici in verticale ed orizzontale in modo da misurare la massima potenza raccolta dal diaframma. Contemporaneamente, su un altra zona dello stesso fascio, e' stata misurata la periodicita' degli impulsi mediante un fotodiodo IPL 10530EAL (Integrated Photomatrix Limited, UK) collegato ad un oscilloscopio digitale HAMEG HM1507. Le misure sono state effettuate con il sistema a regime e durante la fase di accensione ed autoregolazione su entrambi i fasci di scansione. Le potenze medie massime misurate nelle varie condizioni e le relative frequenze d impulsi sono riportate nella Tabella A. Il numero di spot raccolti dal diaframma di misura dipende dalla posizione del diaframma. Con il sensore ad infrarossi si nota che il diaframma da 7 mm puo raccogliere parzialmente due spot oppure uno spot centrale con lateralmente una porzione di altri due spot. Le condizioni piu restrittive si ottengono attribuendo tutta l energia misurata ad un singolo impulso. L energia media per impulso si ottiene, quindi, dividendo la potenza media per la frequenza. I dati ricavati sono riportati nell ultima colonna della Tabella A. 3

4 Tabella A Potenza media (µw) Frequenza impulsi (Hz) Energia media (µj) Fascio laser superiore inferiore Stato accensione regime accensione regime Da cui la massima energia misurata risulta Energia del singolo impulso = µj (diaframma φ = 7 mm) Per confrontare la densita di energia ricevuta a livello oculare e cutaneo con le relative EMP sono state effettuate misure di potenza media attraverso diaframmi di 7 e 3.5 mm di diametro, rispettivamente, (cfr. Tabella 7,normativa CEI EN ) alla distanza di 100 mm. In questo caso, le potenze medie massime misurate all accensione sono risultate pari a µw (diaframma φ = 7 mm) 4.67 µw (diaframma φ = 3.5 mm) con frequenza di 360 Hz. Attribuendo tutta l energia misurata ad un singolo impulso, l energia media per impulso si ottiene dividendo la potenza media per la frequenza. Da cui la massima energia misurata risulta: Energia del singolo impulso: µj (diaframma φ = 7 mm) µj (diaframma φ = 3.5 mm) 4

5 Calcolo del Limite di Emissione Accessibile (LEA) per emettitori di Classe 1 Per emettitori ad impulsi tra 400 e 10 6 nm il Limite di Emissione Accessibile (LEA) e' determinato utilizzando il piu' restrittivo dei seguenti requisiti (cfr. paragrafo 8.4 f, normativa CEI EN ): i) L esposizione ad ogni singolo impulso di un treno d impulsi non deve superare il LEA per un impulso singolo. ii) La potenza media per un treno d impulsi di durata di emissione T non deve superare la potenza corrispondente al LEA per un impulso singolo di durata di emissione T. iii) L energia media per impulso appartenente ad un treno di impulsi non deve superare il LEA per un singolo impulso moltiplicato per un fattore di correzione C 5 = N con N pari al numero d impulsi del treno previsti durante l esposizione. Viene quindi calcolato il LEA per i tre casi presi in considerazione. i) Singolo impulso di durata 7 ns a 904 nm. In base alla Tabella 1 della normativa CEI EN e alle relative Note alle tabelle da 1 a 4, il Limite di Emissione Accessibile (LEA) per emettitori di Classe 1 risulta: Energia Radiante Q LEA = C 4 C 6 J dove C 4 = (λ-700) = 2.56 Essendo α = 6.75 mrad, α min < α < α max = 100 mrad, si ottiene C 6 = α/α min con α min = 1.5 mrad C 6 = 6.75/1.5 = 4.5 da cui i) Q LEA = 2.3 µj ii) Treno d'impulsi di durata 100 s. Viene calcolato il LEA per un treno di impulsi di durata pari a 100 s, in relazione alla base dei tempi utilizzata nelle norme (cfr. paragrafo 8.4 e, normativa CEI EN ). In base alla Tabella 1 della normativa CEI EN e alle relative Note alle tabelle da 1 a 4, il LEA in potenza radiante per un singolo impulso di durata pari a 100 s e dato da: 5

6 P LEA = 7 x 10-4 C 4 C 6 C 7 T W dove C 4 = 2.56, C 6 = 4.5, C 7 = 1 e T 2 = 10 x 10 [(α - α min )/98.5] = 11.3 s, da cui si ottiene P LEA = W ed un energia radiante su 100 s di Q LEA = J Considerando la frequenza di ripetizione di 360 Hz, nel periodo di 100 s ci sono N= impulsi, da cui la potenza media per impulso sara' ii) Q LEAimpulso,med = Q LEA /N = µj iii) Treno d impulsi, energia media. Il LEA per un singolo impulso deve essere corretto per il fattore C 5 = N -0.25, con N = 4068 numero di impulsi in T 2 = 11.3 s, da cui C 5 = Si ottiene quindi: Q LEAtreno = Q LEAimpulso C 5 = Q LEAimpulso N iii) Q LEAtreno = 2.3 x = 0.29 µj Il limite derivante dal criterio iii), LEA = 0.29 µj, e' il piu' restrittivo. Calcolo dell'esposizione Massima Permessa (EMP) Nel caso di emettitori impulsati l'emp per esposizione oculare e determinata utilizzando la piu restrittiva delle seguenti prescrizioni (cfr. paragrafo 13.3, normativa CEI EN ): a) l esposizione a un qualunque impulso appartenente ad un treno di impulsi non deve superare l EMP per un impulso singolo. b) L esposizione media per un treno di impulsi di durata di esposizione T non deve superare l EMP per un impulso singolo di durata di esposizione T. 6

7 c) L esposizione media ad un qualunque impulso appartenente ad un treno di impulsi non deve superare l EMP per un impulso singolo moltiplicata per il fattore di correzione C 5 = N con N pari al numero di impulsi previsti durante l esposizione Per l esposizione cutanea si utilizza la piu restrittiva tra le precedenti prescrizioni a) e b). a) singolo impulso di durata 7 ns a 904 nm. In base alla Tabella 6 (EMP per l esposizione oculare) ed alla Tabella 8 (EMP per l esposizione cutanea) della normativa CEI EN la densita di energia per l EMP risulta: EMP oculare = C 4 C 6 J/m 2 EMP cutanea = 200 C 4 J/m 2 dove C 4 = (λ-700) = 2.56, C 6 = α/α min = 6.75/1.5 = 4.5 e quindi a) EMP oculare = 57.6 mj/m 2 EMP cutanea = 512 J/m 2 b) Treno d'impulsi di durata 100 s. Viene calcolato l EMP per un treno di impulsi di durata pari a 100s. In base alla Tabelle 6 ed 8 della normativa CEI EN : EMP oculare = 18 C 4 C 6 C 7 T W/m 2 EMP cutanea = 2000 C 4 W/m 2 dove C 4 = 2.56, C 6 = 4.5, C 7 = 1 e T 2 = 10 x 10 [(α - α min )/98.5] = 11.3 s, da cui EMP oculare = 113 W/m 2 EMP cutanea = 5.12 kw/m 2 Corrispondente, in densita di energia in 100 s, a EMP oculare = 11.3 kj/m 2 EMP cutanea = 512 kj/m 2 Considerando la frequenza di ripetizione di 360 Hz, nel periodo di 100 s ci sono N= impulsi, da cui la densita di energia media per impulso sara' 7

8 b) EMP oculare, imp = EMP oculare /N = 0.31 J/m 2 EMP cutanea, imp = EMP cutanea /N = 14.2 J/m 2 c) Treno d impulsi, energia media (solo per l esposizione oculare). L EMP per un singolo impulso deve essere corretto per il fattore C 5 = N -0.25, con N = 4068 numero di impulsi in T 2 = 11.3 s, da cui C 5 = Si ottiene quindi: c) EMP oculare,treno = EMP oculare,singolo N = 7.2 mj/m 2 L EMP piu restrittiva risulta essere: EMP oculare = 7.2 mj/m 2 per l esposizione oculare EMP cutanea = 14.2 J/m 2 per l esposizione cutanea Conclusioni L energia massima per impulso laser misurata attraverso un diaframma di 7 mm (0.056 µj) risulta essere circa 5 volte inferiore al Limite di Emissione Accessibile calcolato per apparecchi di Classe 1 (0.29 µj) calcolato nelle condizioni piu restrittive. Il sensore OSI LaserScan AS-615 risulta quindi essere classificabile come apparecchio di Classe 1 secondo la normativa CEI EN Le densita' di energia per impulso attraverso i diaframmi di 7 e 3.5 mm di diametro si ricavano dividendo l energie misurate (0.044 e µw) per la relativa superficie, pari a m 2 e m 2, rispettivamente. Da cui: DE = E/S = 1.14 mj/m 2 DE = E/S = 1.35 mj/m 2 (diaframma 7 mm) (diaframma 3.5 mm) Conseguentemente, l esposizione derivante dal sensore OSI LaserScan AS-615 non supera in alcuna condizione operativa l'esposizione Massima Permessa piu' restrittiva oculare (7.2 mj/m 2 ) e cutanea (14.2 J/m 2 ). 8

9 Simulazione blocco rotore Il dispositivo OSI LaserScan AS-615 nel suo impiego operativo è stato verificato essere classificabile come apparecchio di Classe 1 secondo la normativa CEI EN Considerato comunque che si tratta di un sistema a scansione che utilizza un poligono rotante per riflettere gli impulsi emessi da un diodo laser, è necessario verificare che nel caso si verifichi un blocco del poligono rotante l emissione laser non raggiunga livelli di potenza tali da superare i limiti per la Classe 1 imposti dalla normativa. In relazione al funzionamento del circuito di controllo dell emissione laser, si deduce che il segnale di attivazione del laser e generato dalla rotazione dello scanner. Se lo scanner non ruota, nessun segnale di trigger e generato e quindi il laser non emette. Cio e stato verificato utilizzando la procedura, fornita dal produttore, per azzerare la velocita di rotazione del motore: il sensore viene attivato dopo aver tolto la copertura superiore; raggiunto lo stato di regime, dalla scheda di controllo del motore dello scanner (scheda del processore DSP) viene disconnesso il connettore JP4 in modo da annullare la tensione continua che regola la velocita del motore. All accensione il sensore raggiunge lo stato di regime in qualche decina di secondi. La potenza media controllata dal fotodiodo PD-300 (Ophir NOVA) sul fascio superiore aumenta rapidamente all aumentare della velocita del rotore (ciò è dovuto all aumento del numero di impulsi laser raccolti dal fotodiodo). Raggiunto un valore massimo la potenza media diminuisce gradualmente (con frequenza degli impulsi costante) fino a stabilizzarsi in 3-4 minuti. Portando a zero la tensione applicata al motore, la velocita dello scanner si riduce gradualmente fino ad avere il blocco del rotore in circa 2 e 30. Durante questa fase sono stati registrati i valori di potenza media e frequenza degli impulsi al diminuire della velocita dello scanner riportati nella Tabella B seguente. Velocita rotore max min Potenza media (µw) Tabella B Frequenza impulsi (Hz) Energia media (µj)

10 Si e quindi verificato che la mancanza di rotazione dello scanner comporta la mancanza di emissione laser. La prova eseguita puo essere considerata una valida simulazione di blocco del rotore sia per causa elettrica che meccanica. 10