Veiligheidsrapport voor de 3D-laser-doppler-meetopstelling bij de bochtgoot in het Laboratorium voor Vloeistofmechanica

I

I

I

t

I

I

I

-I

I

I

J

ft

I

I

1

I

I

I

I

,r!~~:(

TU

Delft

Technische Universiteit Delft

Faculteit der Civiele Techniek

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Veiligheidsrapport

voor de

3D-laser-doppler-meetopstelling

bij de

bochtgoot in het Laboratorium

voor Vloeistofmechanica

R. Booij en J. Tukker report no. 15-94

Augustus 1994

Laboratorium voor Vloeistofmechanica Faculteit Civiele Techniek Technische Universiteit Delft

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Inhoudsopgave

1. Inleiding . . . .. 2 2. Veiligheid apparatuur . . . .. 3

3. Laser-Doppler-rnetingen in de bochtgoot 5

Bijlagen

A. Plattegronden. . . .. 8

B. Tekeningen van de meetopstelling 10

c.

Werkvoorschrift .. 12

D. Lijst laserwerkers . 13

E. Specificaties laser en laseropstelling . 14

F. Akkoordverklaring laserwerker . . . 15 G. Te nemen veiligheidsmaatregelen bij het werken met lasers. . . .. 16

-1-I

I

1. Inleiding

I

·

De huidige generatie van Laser-Doppler-rneetapparatuur maakt een gedetailleerde,

ongestoorde meting van vloeistofsnelheden mogelijk, ook in situaties en geometrieën die

vroeger niet goed voor snelheidsmetingen toegankelijk waren. In het Laboratorium voor Vloeistofmechanica is een nieuw Laser-Doppler-systeern beschikbaar. Met dit systeem is het mogelijk gelijktijdig drie snelheidscomponenten te meten. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de 'backscatter-techniek': de probe die het laserlicht uitzendt, zorgt ook voor de detectie van het teruggekaatste licht. Een nadeel hiervan is dat gebruik moet worden gemaakt van zware lasers in de veiligheidsklasse 3 of 4, omdat slechts minder dan 1% van het licht wordt teruggekaatst en door de probe wordt opgevangen. Dit betekent dat veiligheidsmaatregelen met betrekking tot bijvoorbeeld oogbeschadigingen en brand zeer belangrijk zijn.

I

I

Complicaties

Extra complicaties wat betreft de veiligheid bij de Laser-Doppler-snelheidsrnetingen in het Laboratorium voor Vloeistofmechanica zijn:

- De metingen vinden voornamelijk plaats aan stroming in goten met glazen wanden (nodig voor de toegankelijkheid van de laserstralen), wat aanwezigheid van reflecties impliceert. - De hal waarin de goten zich bevinden is vrij toegankelijk, hetgeen ombouw van de laser

-Doppler- installatie nodig maakt.

- De maat van de goten maakt volledige ombouw niet mogelijk. Ombouw van een deel van .

de goot vereist speciale aandacht voor de afsluiting voor directe en indirecte laserstraling bij de instroom- en de uitstroomopening.

- In het algemeen worden snelheidsmetingen over een bepaald gebied uitgevoerd. Dit vereist een verplaatsing van de probes. Hierbij moet aandacht worden gegeven aan de vrije loop van de probes en in het bijzonder aan de aanwezigheid van reflecterende objecten bij deze beweging.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Inhoud

Voor het opzetten van een veiligheidsorganisatie en een beveiliging van de opstelling is het LA. V.M.-rapport nr. 12 'Richtlijnen laserveiligheid, voor research en onderwijs' (1986) als leidraad genomen. In hoofdstuk 2 worden de beschikbare lasers en instrumenten voor Laser-Doppler-rnetingen besproken. Het doel van dit experiment en de meetopstelling komen in hoofdstuk 3 aan de orde. Hierbij wordt aandacht besteed aan de risicovolle plaatsen en situaties en aan de genomen veiligheidsmaatregelen en -voorzieningen. Uitgangspunt is dat de experimenten met lasers veilig moeten zijn voor gebruikers en omstanders. Aan het eind van het rapport zijn enkele bijlagen opgenomen met o.a. figuren, laserspecificaties en voorschri ften.

De inhoud van dit rapport is gelijk aan de concept-versie van 22 juli 1993 (op enkele redactionele wijzigingen na). Op grond van het concept hebben de Arbo-functionaris van de faculteit der Civiele Techniek en de laserveiligheidsdienst van de TU-Delft toestemming gegeven voor het gebruik van deze Laser-Doppler-rneetopstelling.

-2-I

I

2. Veiligheid apparatuur

I

I

Laser-Doppler-opstelling

De Laser-Doppler-opstelling bestaat uit verschillende onderdelen: laser,

bundelscheidingsrnodule, detectiemodules en probes, zoals geschetst is in tiguur 2.1 (in bijlage B). De laser zorgt voor de produktie van een coherent-lichtbundel. In het Laboratorium voor Vloeistofmechanica zijn twee Argon-Ion lasers, een 300-mW-luchtgekoelde-laser en een 4-Watt-watergekoelde-Iaser, beschikbaar. In de bundelscheidingsmodule wordt deze bundel gescheiden in drie verschillende kleuren: groen,

blauwen violet. Via tibers met daarin glasvezelkabeltjes wordt dit licht naar de probes getransporteerd. De probes ontvangen het teruggekaatste licht en zenden het via de tibers naar de detectiemodules. De tibers zorgen voor een veilig transport van het laserlicht van en naar de probes.

Per meetrichting zijn er twee laserstralen nodig. Uit een probe kunnen maximaal vier stralen (twee paren voor twee meetrichtingen) komen. Deze stralen lopen evenwijdig aan elkaar. Voor de probe wordt een positieve lens geplaatst, waardoor de stralen in het brandpunt van de lens samenkomen. Dit snijpunt van de stralen is het meetpunt of meetvolume.

I

I

I

I

I

Laserbundel zichtbaar

In de meetopstelling kan het laserlicht slechts op drie plaatsen zichtbaar zijn: 1. Tussen de laser en de bundelscheidingsmodule.

2. Bij de aansluitpunten van de glasvezelkabels op de bundelscheidingsmodule. 3. Na de probes.

I

I

I

'

I

Toelichting:

1. De laser en de bundelscheidingsmodule staan op een optische rail. Tijdens het uitlijnen van de laser moet de bundel zichtbaar zijn. Na het uitlijnen kan de bundel worden afgeschermd met een uitschuifbaar buisje op de bundelscheidingsmodule.

2. Aan de bovenzijde van de bundelscheidingsmodule zijn zes aansluitpunten voor glasvezelkabels. Op elk aansluitpunt zit een schakelaar. Hiermee kan een aansluitpunt dicht gezet worden. Het uitlijnen van deze aansluitpunten loopt via een procedure waarbij het laserlicht zo kort mogelijk zichtbaar is.

3. Voor de probe zit een positieve lens. De uittredende laserstralen snijden elkaar in het brandpunt van deze lens, waarin de lichtintensiteit aanmerkelijk hoger is dan in een straal. Dit is het meest risicovolle punt voor bijvoorbeeld beschadigingen aan ogen en huid.

I

I

I

I

I

I

Tijdens de metingen komt er alleen laserlicht vrij na de probes. De weg tussen de laser en de probes is dan volledig afgeschermd.

Laag vermogen

Het minimale vermogen van de laser voor uitlijning is ongeveer 0,6 W. De stralen uit de probes zijn bij dit lage vermogen nog voldoende zichtbaar voor de uitlijning van de probes.

Bij een lager vermogen kaner een kleur uit de laserbundel verdwijnen. Met behulp van een verzwakker in de bundel kan het lichtvermogen tot 1% worden gereduceerd.

Voorschrift: Tijdens uitlijning is een laag laservermogen (van 0,6 W) vereist en dient gebruik te worden gemaakt van een verzwakker in de bundel.

-3-I

I

I

I

Lichtvennogen

De lichtsterkte van een laserbundel of -straal wordt uitgedrukt in het vermogen. In de onderstaande tabellen is het (maximale) vermogen geschat op posities waar licht vrij kan komen, tijdens uitlijning en tijdens metingen. Het vermogen tussen de verschillende gekleurde stralen verschilt. In de tabellen zijn de maximale waarden aangegeven.

I

I

metingen

Uit laser

Uit probe (totaal) (per probe) Uit probe (per straal)

±4W

:5 0,7 W < 0,2 W

I

Tijdens uitlijning Uit laser Na verzwakker Na bundel scheider Uit probe (totaal) Uit probe (per straal)

±

600 mW

+

60mW :5 14 mW :5 lmW :5 0,2 mW

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

-4-I

I

3. Laser-Doppler-metingen

in de bochtgoot

I

Doel project

In het Laboratorium voor Vloeistofmechanica staateen goot die een cirkelvormige bocht van

1800 maakt. De bodem van deze goot is van glas en de zijwanden van perspex. De bochtgoot is 50 cm breed en de waterdiepte is ongeveer 5 cm. Het lopende project is erop gericht gegevens over desnelheidsverdeling en deturbulente uitwisselingen te verkrijgen door middel van metingen van de momentane snelheid over een doorsnede van de bochtgoot. Hiertoe is drie-dimensionale snelheidsinformatie vereist, welke verkregen kanworden door middel van 3-D-Iaser-DoppIer snelheidsmetingen.

Tevens zijn de metingen in de bochtgoot bedoeld als testmetingen voor de 3-D- Laser-DoppIeropstelling met traverseerinrichting. Allereerst is dit een goede gelegenheid ervaring

met het instellen en het meten met deze apparatuur op te doen. Ten tweede wordt de

mogelijkheid van drie snelheidscomponenten tegelijkertijd in een punt te meten, onderzocht. Speciale aandacht wordt besteed aan de uitlijnprocedure van de probes en aan het automatisch meten zonder tussentijdse handmatige correcties in de instellingen van de probes en apparatuur. Tevens zullen deze experimenten worden gebruikt om de veiligheidsprocedures te evalueren en zonodig aan te scherpen.

De bedoeling is dat de experimenten in de bochtgoot in juli 1993 beginnen. In september of oktober zullen de metingen worden afgerond. Daarna zal de bochtgoot worden afgebroken.

I

I

I

I

I

I

I

I

Uitlijning

Een belangrijk onderdeel van de laser-Doppler-rnetingen betreft het instellen van de

laserstralen. Voor 3-D-snelheidsmetingen zijn 3 paren laserstralen afkomstig van 2 probes nodig. De diameter van de stralen uit deprobes is 2,2 mmoConvergentie van de stralen door de frontlens van de probes (met een brandpuntsafstand van 310 mm) heeft een minimale diameter van ongeveer 0,1 mm in het brandpunt tot gevolg. Het brandpunt van de lens ligt in het water en is niet direct bereikbaar voor het menselijk oog. Uit de ene probe komen vier laserstralen en uit de andere twee. De probes worden zo uitgelijnd dat de zes stralen elkaar in één punt, het meetvolume, snijden.

Bij de metingen in de bochtgoot wordt gebruik gemaakt van een 4-Watt-watergekoelde-laser. In bijlage E staan de specificaties van de laser vermeld. Uitlijning van de probes vindt plaats bij een laservermogen van ongeveer 600 mW. Ook wordt bij uitlijning na de laser in de hoofdbundel een verzwakker geplaatst.

I

I

I

Positionering

De twee probes zijn gemonteerd onder een hoek van 300 met de verticaal op een speciale

plaat. Deze plaat is bevestigd aan een traverseerinrichting. Hiermee worden de koppen

gepositioneerd. Vanuit het data-aquisitieprograrnrna wordt de traverseerinrichting

aangestuurd. Hiermee is het mogelijk automatisch een meetprogramma door te lopen. De traverseerinrichting is zodanig in te stellen, dat de beweging van de probes tot het beoogde meetgebied beperkt is en geen ongewenste reflecties kunnen optreden. Tevens wordt door middel van een software-matige en een hardware-matige beveiliging verhinderd dat de probes onderdelen van de goot of andere objecten raken.

Traversering van de probes vindt voornamelijk plaatsin dwarsrichting over de breedte van de goot (over ongeveer 50 cm), enigszins in verticale richting (over ongeveer 5 cm). In de lengterichting is de beweging beperkt tot kleine verplaatsingen van de probes (over

±

1 cm).

I

I

I

I

-5-I

I

I

I

I

Een zorgvuldige instelling van de traverseerinrichting en de probes IS vereist en moet plaatsvinden zonder laserstraling of bij laag laservermogen (600 mW).

I

I

I

Stralenpad

Tegen de onderzijde van de goot is een glazen prisma, gevuld met water, bevestigd. De spleet tussen het prisma en de gootbodem is gevuld met glycerine. Hiermee worden sterke reflecties van de laserstralen op de spleet voorkomen. De schuine prismazijden staan loodrecht op de optische as van de probes. Het gebruik van een prisma betekent dat de laserstralen minimaal worden afgebogen. Hierdoor is op een eenvoudige wijze uitlijning van de probes mogelijk, zodat alle zes stralen in het meetvolume samenkomen. In bijlage B staan tekeningen van de stralengangen vanaf de probes.

Afscherming

Er wordt gemeten met de backscatter-techniek. Dat betekent dat de laserstralen na het meetvolume opgevangen kunnen worden. Op de goot boven de meetsectie dient tijdens metingen een mat-zwartgeverfde, ijzeren plaat te liggen. Deze plaat zal de laserstralen die uit het wateroppervlak komen, opvangen.

I

I

I

I

Experimenteerruimte

Om de meetsectie in de bochtgoot is een houten experimenteerruimte gebouwd om de laboratoriumhal af te schermen van het laserlicht uit de meetprobes. Deze. experimenteerruimte fungeert als een laserlaboratorium voor de duur van de desbetreffende metingen. Aan de binnenzijde is de ruimte bekleed met een brandvertragend materiaal. Bij de bouw ervan is in het bijzonder rekening gehouden met de instroom- en de uitstroomopening. De vereiste ongestoorde stroming maakt een volledig lichtdichte afsluiting onmogelijk. De experimenteerruimte voldoet aan voorschriften uit het rapport 'Richtlijnen Laserveiligheid' , § 5.4, 'Het laserlaboratorium bij lasers van de klasse 3b en 4'. Ter beveiliging is een sleutelsysteem met deurschakelaars (en sleutelschakelaars) gebruikt, zodat bij binnentreden van de experimenteerruimte door onbevoegden de laser uitvalt. Tevens is op een opvallende plaats aan de buitenzijde een rode waarschuwingslamp aangebracht. Deze lamp brandt als de deurbeveiliging aan staat. In de experimenteerruimte is een losse noodstopschakelaar aanwezig. Hiermee kan de laser snel worden uitgeschakeld. Aan de schakelaar zit een lang snoer, zodat de laserwerker hem altijd onder handbereik heeft.

I

I

I

I

I

Meetkar

De laser is niet in de experimenteerruimte aanwezig, maar staat in een afgesloten ruimte in een meetkar. Vanaf de meetkar wordt het laserlicht met fibers naar de probes in de experimenteerruimte getransporteerd. De fibers liggen in een plastic gootje, dat aan de zijkant van de draagconstructie van de bochtgoot is bevestigd.

De houten meetkar bestaat uit twee verdiepingen. De onderste laag wordt afgesloten met schotten. Hierin bevinden zich de laser, bundelscheidingsmodule, en de detectiemodules (photomultipliers). In de bovenste ruimte staan de data-verwerkingsapparatuur (Burst Spectrum Analyzers, afgekort: BSA's) en de computer voor de opslag van de meetgegevens. Het bedieningspaneel van de laser staat op een tafel naast de meetkar.

De metingen worden bestuurd vanaf de computer. De bedoeling is het meetprogramma in te programmeren, zodat automatisch in een reeks punten wordt gemeten. Dit is mogelijk omdat het dataverwerkingsprogramma ook de traverseerinrichting aanstuurt.

I

I

I

-6-I

I

Instelling

Voor de uitlijning van de laser, de bundelscheidingsmodule en de tïberaansluitpunten wordt tijdelijk een tent van zwart plastic om de meetkar gebouwd. Deze activiteit zal ongeveer 4 uur in beslag nemen. De laser dient op laag vermogen te worden gebruikt. Tevens moet een verzwakker in de laserbundel staan. Aan de buitenzijde dienen waarschuwingsstickers en een rode lamp te worden aangebracht.

Opmerking: In het laboratorium wordt op dit moment een ruimte als permanent laserlaboratorium ingericht. In de toekomstzalde meetkar naar deze ruimte worden gereden en zullen de uitlijnactiviteiten in deze ruimte plaatsvinden.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

-7-I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Bijlage A. Plattegronden

Experimenteerruimte deur stroming deur ~---~---~ ±4.2m

laserlicht uit probes

traverseerinrichting

Figuur 1. Plattegrond van de experimenteerruimte.

-8-I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Overzicht bochtgoot

experimenteerruimte

meetkar

8,2m

... 0••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• __._••_•••••••• _. ._•••• _ •••••• _ ••••_••••••••• ~

Figuur 2. De positie van de meetkar en de experimenteerruimte bij de bochtgoot.

-I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Bijlage B. Tekeningen van de meetopstelling

probes

fibers

Transmitter

PM

bsa1 bsa2

bsa3

B

ack

sca

tt

e

r:

pc 486

in ~ 1

%

uit

Figuur 3. Schema Laser-Doppler-opstelling.

-10-I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

zijaanzicht plaat (matzwart) goot

water

E t'> /\ meetvolume ~prisma probes

Figuur 4. Zijaanzicht meetsectie in bochtgoot.

doorsnede

plaat

meetvolume

prisma

laserstralen

Figuur 5. Doorsnede meetsectie in de bochtgoot.

-11-I

I

Bijlage C. Werkvoorschrift

I

I

I

Werkvoorschrift

1. Afstelling van de traverseerinrichting vindt plaats in fasen:

- eerst wordt de vrije loop van de probes nagegaan zonder laserstraling,

- daarna worden eventuele reflecties opgespoord met laag bundelvermogen (600 mW) met een verzwakker in de hoofdbundel.

I

2. Bij instelling van de laserstralen uit de probes moet het vermogen per straal zo laag mogelijk gehouden worden door instelling van het laservermogen en plaatsing van de verzwakker in de bundel.

I

3. Betreden van en zich ophouden in de experimenteerruimte bij aanwezighemet hoog vermogen moet zoveel mogelijk worden tegengegaan. id van bundels

I

I

4. Door automatisering van de traversering en van de metingen wordt de noodzaak van betreden van de experimenteerruimte beperkt.

Zie verder "Te nemen veiligheidsmaatregelen bij het werken met lasers".

I

I

Afwijkingen van de werkvoorschriften vereisen overleg met en toestemming van de lokale laserdeskundige!!

I

I

I

I

I

I

I

-12-I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Bijlage D. Lijst laserwerkers

Lijst laserwerkers

19juli 1993

Algemeen

Faculteit Vakgroep Beheerder Lokale laserdeskundige Civiele Techniek Waterbouwkunde,

sectie Laboratorium voor Vloeistofmechanica dr.ir. H.L. Fontijn ir. R.E. Slot

Toegelaten laserwerkers

naam R.E. Slot R. Visser R. Booij J. Tukker klasse laser 4 4 4 4

-13-I

I

I

I

I

I

I

Bijlage E. Specificaties laser en laseropstelling.

Algemeen Vakgroep/Faculteit Vloeistofmechanica Beheerder Lokale laserdeskundige Project Project Projectleider Laser( opstelling) Klasse laser Soort laser Lasermedium Golflengten Max. bundelvermogen Grootste bundeldiameter Grootste bundeldoorsnede Wordt doorsnede kleiner Max. Vermogensdichtheid

hoofdbundel meetvolume Hoogspanning

Elektrische gedeelte afgeschermd

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Registratien ummer Fabrikant laser Model/type Leverancier Opstelling Ruimte Karakter werkruimte laser opstelling (probes) transport laserlicht

I

I

I

Waterbouwkunde/ sectie Laboratori urn voor Faculteit Civiele Techniek/TU-Delft

dr.ir. H.L. Fontijn ir. R.E. Slot BochtgootiLD A-metingen drs. R. Booij 4 Continue Argon 514,5 nm; 488 nm; 476,5 nm 4 Watt 1mm 1 mrrr' Ja +40106Wm-2

±

4° 107 W m? 300 kV :Ja 93009216 (TU Delft) Coherent Innova 90 Optilas gedeelte laboratoriumhal

combinatie gesloten lasersysteem en laserlaboratorium in afgesloten ruimte op meetkar

in experimenteerruimte (karakter laserlab.) via fibers

-14-I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Bijlage F. Akkoordverklaring

laserwerker

Akkoordverklaring

laserwerker

In te vullen door laserwerker:

Naam

.

...

.

..

..

.

..

...

.

....

.

..

....

.

...

Geboortedatum, -plaats Functie Werkadres Telefoon werk

_.

_.

_.

_.

_.

_.

_{. . .}

_.

_{. .}

_.

_.

_.

_.

Thuisadres

_.

_.

_.

_{. . .}

_.

_.

_.

_{. .}

_.

_.

_{. .}

_{. .}

_.

_.

_.

Telefoon thuis

Bovenstaande laserwerker verklaart:

I

I

I

Een exemplaar 'Richtlijnen Laserveiligheid' te hebben ontvangen.

De voorschriften beschreven in 'Richtlijnen Laserveiligheid' te zullen naleven.

Het voorschriftenblad 'Te nemen veiligheidsmaatregelen bij het werken met lasers' te hebben gelezen en dit nauwkeurig te zullen opvolgen.

I

Door de lokale laserdeskundige te zijn gewezen op de risico's die verbonden zijn aan het werken met lasers.

I

I

I

Plaats, datum :

De laserwerker: _{De lokale laserdeskundige:}

-15-I

I

I

I

I

Bijlage G. Te nemen veiligheidsmaatregelen bij het werken

met lasers

Algemeen

Een laser versterkt licht zodanig dat er een coherent-lichtbundel ontstaat van één of meer golflengten. Door de sterke energieconcentratie bestaat groot gevaar voor huid-, maar vooral voor oogbeschadigingen. Directe instraling van een 10 mW laser in het oog geeft een helderheid die duizendmaal groter is dan die van instraling van de zon en kan dus beschadiging van het netvlies en zelfs blindheid veroorzaken. Bij grotere bundelvermogens kunnen zelfs explosieachtige verschijnselen optreden.

I

I

Regels

De volgende regels dienen strikt opgevolgd te worden:

1. Niemand mag zonder toestemming van de lokale laserdeskundige de laserruimte betreden wanneer de laser in werking is.

2. Alleen na instructie en toestemming van de lokale laserdeskundige wordt iemand toegestaan werkzaamheden met de laser te verrichten.

3. Laserwerkers zijn zij die als zodanig zijn toegelaten.

I

I

I

I

Laserwerkers dienen

1. Instructies en voorschriften na te leven.

2. Incidenten te melden aan de lokale laserdeskundige.

3. Ongevallen direct te melden aan de E.H.B.O.

I

Voorschriften voor laserwerkers

1. Het is verboden in de laserbundel of -straal te kijken of naar reflecties te staren.

2. Vermijd huidcontact met het laserlicht. 3. Draag altijd een laserbril.

4. Draag geen glimmende artikelen (ringen, horloges, enz.).

5. Pas op voor reflecties van de laserbundel of -straal: ook deze kunnen zeer gevaarlijk zijn. 6. Scherm zoveel mogelijk het niet-gebruikte deel van de laserbundel af.

7. De ruimte op de meetkar waarin de laser staat dient bij gebruik afgesloten te zijn. 8. Zorg er steeds voor dat de laser snel uitgeschakeld kan worden (gebruik

noodstopschakelaar) .

9. Draag indien mogelij k veiligheidsschoenen .

I

I

I

I

I

•

_I

-16

-I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I