Jak fungují UV senzory: konstrukce a chyby měření

UV senzor převádí optické záření na elektrický signál. Naměřená hodnota vzniká z detektoru, filtru, optiky, elektroniky, kalibrace a měřicí geometrie; nejde tedy nikdy pouze o vlastnost samotného detektoru. Pro srovnatelnost UV měření je rozhodující zejména spektrální citlivost, kosinová odezva, dynamický rozsah, rozptýlené světlo a shoda se skutečným zdrojem.

Tato stránka sleduje průběh signálu a ukazuje, kde podél něj vznikají chyby měření. Širokopásmové radiometry a spektroradiometry slouží jako dvě konstrukce, na nichž se různé zdroje chyb projevují nejzřetelněji. Pro úhlovou odezvu se běžně používají oba pojmy: kosinová korekce označuje opatření provedené na senzoru, kosinová odezva pak výsledek.

Každé měření UV záření začíná otázkou, jakou veličinu je třeba stanovit. V průmyslové praxi to je téměř vždy ozářenost E ve W/m², tedy zářivý výkon dopadající na plochu. Integrací v čase přechází ozářenost na ozáření H v J/m², běžně označované jako „dávka" – rozhodující veličina jak při bezpečné UV dezinfekci, tak i při UV vytvrzování. Převod mezi oběma veličinami zajišťuje naše radiometrická kalkulačka pro UV a světlo.

Pro bodový zdroj vyzařující do všech směrů platí zákon inverzních čtverců: zdvojnásobíte-li měřicí vzdálenost, rozloží se stejný zářivý tok na čtyřnásobnou plochu, takže ozářenost klesne na čtvrtinu.

Tento zákon platí za jedné podmínky, která bývá v praxi běžně přehlížena: zdroj musí být z pohledu senzoru bodový. Zavedené praktické pravidlo udává měřicí vzdálenost r ≥ 10 · d, kde d je největší rozměr vyzařující plochy.

Stejně důležité jsou další dvě podmínky: orientace senzoru vůči zdroji a otázka, jaký spektrální rozsah je vůbec váhován. Obě vedou přímo k návrhu přístrojů.

Širokopásmový radiometr váží dopadající záření pevnou funkcí spektrální citlivosti s(λ) zabudovanou ve své optice a vrací jedno jediné číslo. Měřicí hlava je tvořena sadou optických komponent a jejich pořadí není náhodné.

Optické okénko. Obvykle z křemenného skla, protože běžné sodnovápenaté sklo je pod přibližně 300 nm prakticky neprůzračné. Okénko chrání komponenty za ním a uzavírá hlavu proti procesním médiím.

Difuzor. Rozptyluje dopadající záření a tím vytváří kosinusový úhlový průběh odezvy. Difuzor není příslušenstvím, ale komponentou, která teprve dělá z naměřené hodnoty veličinu vztaženou k ploše.

Sada filtrů. Zde vzniká vlastní spektrální váhování – typicky kombinací interferenčních filtrů a barevného skla. Tato sada určuje, zda přístroj měří UV-A, UV-B, UV-C nebo aplikačně specifické akční spektrum.

Detektor. Standardem jsou křemíkové fotodiody; pro aplikace v UV-C se stále více používají diody SiC, protože jsou vlastní podstatou slepé ve viditelné oblasti a tím odlehčují sadě filtrů.

Transimpedanční zesilovač poté převede fotoproud na napětí a A/D převodník jej digitalizuje. Velkou výhodou tohoto uspořádání je, že fotoproud lze měřit lineárně v rozsahu mnoha dekád. Radiometry proto dosahují dynamického rozsahu, který nemůže konkurovat maticový spektrometr – a jsou robustní, kompaktní a poměrně levné.

ASTM G130-12(2020) klasifikuje tyto přístroje podle poloviční šířky Δλ jejich funkce citlivosti na úzkopásmové radiometry (Δλ ≤ 20 nm), širokopásmové přístroje (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) a širokorozsahové přístroje (Δλ ≥ 70 nm). Toto rozdělení je víc než jen terminologie: čím širší je spektrální rozsah, tím silněji závisí naměřená hodnota na spektru měřeného zdroje.

Spektroradiometr rozkládá záření na jeho spektrální složky a měří spektrální ozářenost E(λ) v W/(m²·nm). Z tohoto spektra lze poté výpočtem odvodit libovolný spektrální rozsah a libovolné akční spektrum – a právě v tom spočívá univerzálnost této třídy přístrojů.

Optická dráha začíná, stejně jako u radiometru, vstupní optikou, obvykle difuzorem plnícím funkci kosinového přijímače. Optické vlákno vede záření ke vstupní štěrbině. Kolimační zrcadlo vytváří paralelní svazek, který dopadá na optickou mřížku. Mřížka rozkládá záření podle vlnové délky a zaostřovací zrcadlo zobrazuje výsledné spektrum na detektorové pole – CCD nebo CMOS.

Jakkoli je princip elegantní, jeho fyzikální slabina je nemilosrdná. Mřížka vytváří nejen požadovaný první difrakční řád, ale i vyšší řády, které je nutné z optické dráhy odklonit. K tomu se přidává rozptyl na zrcadlech, uchyceních a povrchu pouzdra. Oba mechanismy ukládají dlouhovlnné složky signálu na pozici krátké vlnové délky.

Širokopásmový radiometr nikdy neměří „UV-A záření" jako takové. Vytváří váženou integraci součinu spektra zdroje a funkce spektrální citlivosti. Pokud se spektrum měřeného zdroje shoduje se spektrem kalibrační lampy, nejde o problém. Pokud se liší, objevuje se chyba spektrální neshody.

Zvláště kritické je to tehdy, když emise testovaného objektu spadá na hranu křivky spektrální citlivosti. Výrobní tolerance filtru se pak přímo promítají do naměřené hodnoty. Nejde o teoretický problém: u UV-B dlouhoprůchodového filtru typu WG320 se může 50% hrana pohybovat v rámci specifikace výrobce kdekoliv mezi zhruba 314 nm a 326 nm. V závislosti na tom, který konkrétní exemplář je použit, poskytuje tentýž zdroj odchylky v rozsahu od několika desetin procenta až po jednociferné procentní hodnoty – aniž by přístroj byl „vadný".

Norma CIE 220:2016 „Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (vypracovaná výborem CIE TC 2-47) popisuje systematický přístup. Zpráva přenáší na UV radiometry kvalitativní indexy známé z fotometrie podle ISO/CIE 19476:2014 – mezi nimi f1′ pro spektrální neshodu, f2 pro úhlovou odezvu, f3 pro linearitu, a dále indexy pro únavu, teplotní a vlhkostní vlivy. Protože UV radiometry, na rozdíl od luxmetrů, nejsou konstruovány pro jediný referenční zdroj světla, definuje CIE 220:2016 tři referenční spektra a v příloze doplňuje deset reálných spekter zdrojů – od nízkotlakých a středotlakých rtuťových výbojek přes xenonové a HMI zdroje až po sluneční spektrum.

Praktický důsledek: kdo znázorní zná spektrální citlivost svého radiometru a spektrum svého zdroje, může vypočítat faktor neshody a použít jej jako korekční faktor. To ovšem vyžaduje, aby výrobce v kalibračním listu uvedl individuálně naměřenou relativní spektrální citlivost a spektrum kalibrační lampy.

Měření v oblasti UV-C přináší potíž, která se na první pohled zdá paradoxní: problémem není UV záření samotné, ale všechno ostatní. Středotlaká rtuťová výbojka vyzařuje o řády vyšší výkon ve viditelné a blízké infračervené oblasti než ve spektrální oblasti UV-C. Pokud se i jen zlomek tohoto výkonu rozptýlí na kanál 254 nm uvnitř přístroje, vznikne tam zdánlivý signál, který může převýšit skutečnou hodnotu. Jak výrazná je tato nerovnováha u konkrétní lampy, ukazuje prohlížeč spektrální databáze.

Řády se dramaticky liší: dvojitý monochromátor dosahuje relativního rozptýleného světla přibližně 10⁻⁷ až 10⁻⁹, spektrometr s polem detektorů se pohybuje na úrovni 10⁻³ až 10⁻⁵ a mikro-spektrometr s polem detektorů pouze na úrovni 10⁻¹ až 10⁻².

Dvojitý monochromátor prochází záření dvakrát přes mřížku a tím potlačuje rozptýlené světlo o několik dekád více než jednostupňový systém. Cenou za to je velikost, doba měření a náklady – proto se používá jako laboratorní referenční přístroj, nikoli v terénu.

Situaci zhoršuje citlivost detektorových polí na bázi silikonu vůči infračervenému záření: jsou nejcitlivější právě tam, kde je rušivé záření nejsilnější. Bez vhodných filtrů pro potlačení vyšších řádů a bez dokumentované korekce rozptýleného světla nesou měření v UV-C oblasti pomocí kompaktních spektrometrů s polem detektorů podstatné a často neznámé nejistoty.

Ozářenost je definována jako zářivý výkon na jednotku plochy – měřený na rovinné ploše. Když záření dopadá šikmo, stejný tok se rozprostírá na větší plochu, takže signál musí klesat s cos θ. Reálný přijímač to jen aproximuje: při velkých úhlech dopadu dochází na rozhraních k odrazům.

Ukazatel kvality f2 popisuje střední odchylku od ideální kosinové křivky. Je rozhodující všude tam, kde záření nedopadá kolmo: v reaktorech pro UV dezinfekci, v ozařovacích komorách s reflexními stěnami, při vytvrzování na pásu. V komoře s vysoce reflexními stěnami může difuzní složka převýšit přímou – senzor se špatnou úhlovou odezvou pak systematicky podměřuje.

V praxi je kvalita kosinové korekce často patrná už z konstrukce: z velikosti a difuznosti vstupní optiky a z toho, jak daleko vyčnívá přes okraj pouzdra.

Zdroje používané v UV technologii se liší ve spektrální ozářenosti o více než sedm řádů – od deuteriové lampy používané jako kalibrační standard až po 6 kW rtuťovou lampu ve vytvrzovací lince.

Plně digitální radiometr pokrývá tento rozsah prostřednictvím měření fotoproudu a přepínání rozsahů. Maticový spektrometr je omezen kapacitou plné jímky (full-well capacity) svých pixelů a úrovní čtecího šumu; funguje pomocí úpravy integrační doby, což stojí měřicí čas a naráží na limity na obou koncích rozsahu.

Stejné rozlišení platí i pro analogově-digitální převodník. Jeho rozlišení – 12, 16 nebo 24 bitů – určuje, jak jemně se zobrazuje naměřená hodnota a jak široký je použitelný dynamický rozsah. Nic nevypovídá o přesnosti měření: ta vyplývá z kalibrace a ze spektrální shody s měřeným zdrojem.

Naměřená hodnota bez metrologické návaznosti je číslo bez referenčního rámce. Metrologický řetězec vede od národního metrologického institutu až po přístroj na výrobní lince – a nejistota roste s každým dalším krokem.

Na vrcholu stojí národní metrologický institut – PTB v Německu, NIST ve Spojených státech – který realizuje jednotku. Pod ním následuje kalibrační laboratoř akreditovaná podle ISO/IEC 17025, která pracuje s vlastními etalony a jejíž způsobilost je pravidelně posuzována akreditačním orgánem. Zkušební laboratoře měří podle písemného postupu. Tovární kalibrace může být metrologicky návazná, ale není zajištěna nezávislým posouzením. Zcela na dně stojí kalibrace bez metrologické návaznosti: poskytuje reprodukovatelná čísla, ale žádnou obhajitelnou nejistotu měření.

Obvyklý postup začíná u spektrálního standardu – žárovky FEL 1000 W pro oblast UV-A a viditelného záření, deuteriové výbojky pro krátkovlnnou oblast. Podle tohoto standardu je kalibrován spektroradiometr (ASTM G138-12(2020)e1). Kalibrovaný spektroradiometr následně měří UV lampu blízkou provozu – tedy zdroj spektrálně co nejvíce podobný budoucímu měřenému objektu. Podle této lampy je kalibrován referenční radiometr (ASTM G130-12(2020)) a odtud je kalibrace nakonec přenesena na terénní přístroje (ASTM E824-26).

Trik spočívá ve třetím kroku: použitím lampy blízké provozu jako přenosového zdroje je radiometr kalibrován za stejných spektrálních podmínek, za jakých bude později měřit. Spektrální neshoda – hlavní zdroj chyby širokopásmového radiometru – je tak z velké části eliminována. Právě proto může správně kalibrovaný širokopásmový radiometr u známého typu lampy dosáhnout vyšší přesnosti než spektroradiometr.

Samotné kalibraci slouží dvě skupiny lamp: čárové zdroje, například nízkotlaké rtuťové výbojky, pro kalibraci vlnové délky, a kontinuální zdroje – deuteriové a halogenové wolframové lampy – pro kalibraci spektrální citlivosti. Halogenové lampy vyžadují zvláštní péči, protože jejich silný dlouhovlnný výkon se rozptyluje uvnitř přístroje a bez korekce vytváří přesně tu chybu rozptýleného světla, kterou se snažíme změřit.

Pro nejistotu měření to znamená: kalibrační list neposkytuje pouze faktor, ale definuje také zdroj a geometrii, pro které tento faktor platí. Čím více se měření od těchto podmínek odchyluje, tím větší je podíl kalibrace na celkové nejistotě. Jak kalibrace podrobně funguje, je popsáno v postupu UV kalibrace.

CIE 250:2022 „Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) je aktuálním referenčním dokumentem pro spektroradiometrická měření v rozsahu od 200 nm do 2500 nm. Nahrazuje téměř čtyřicet let starou normu CIE 063-1984 a podrobně popisuje fyzikální jevy, které je třeba zohlednit při odhadu nejistoty měření.

V praxi se ukazuje charakteristický vzorec: nejmenší dosažitelná nejistota měření je nejvyšší v krátkovlnné UV oblasti a se zvyšující se vlnovou délkou klesá. Typické hodnoty pro akreditované kalibrace se pohybují kolem 6 % v rozsahu blízkém 200–230 nm, přibližně 3,5 % v UV-B a UV-A a necelých 3 % ve viditelné oblasti (rozšířená nejistota měření, k = 2). Důvody tohoto vzorce jsou fyzikální: nižší radiance standardů, silnější efekty rozptýleného světla a vyšší citlivost optických materiálů na stárnutí a znečištění.

Každá ze dvou konstrukcí má právě jeden dominantní zdroj chyb a tyto dva zdroje se vzájemně doplňují: spektrální neshoda u širokopásmového radiometru, rozptýlené světlo u spektroradiometru. Z toho vyplývá volba:

• Pokud je typ lampy znám a zůstává konstantní, vhodně kalibrovaný širokopásmový radiometr poskytuje menší nejistotu měření – s širším dynamickým rozsahem, kratší dobou odezvy a vyšší odolností.
• Pokud se zdroj mění, je neznámý, nebo je nutné vyhodnotit akční spektrum, spektrálnímu měření se nelze vyhnout.
• V mnoha instalacích je nejlepším řešením kombinace: spektrální ověřování v delších intervalech, kontinuální sledování procesu širokopásmovým měřením.

Úplné srovnání kritérium po kritériu naleznete na stránce výběr širokopásmového radiometru nebo spektroradiometru.

Proč vyžaduje měření UV-C zvláštní péči?
Protože většina UV zdrojů vyzařuje o řády vyšší výkon ve viditelné a infračervené oblasti než v UV-C – a detektory na bázi silikonu jsou nejcitlivější právě v tomto rozsahu. Rozptýlené světlo uvnitř přístroje tak může vytvořit zdánlivý UV-C signál větší, než je ten skutečný.

Co je to spektrální neshoda?
Chyba, která vzniká, když se spektrum měřeného zdroje liší od spektra lampy použité pro kalibraci přístroje. Norma CIE 220:2016 popisuje, jak ji kvantifikovat a jak ji uplatnit jako korekční faktor.

V jaké vzdálenosti od lampy by mělo být měření provedeno?
Dostatečně daleko, aby se zdroj z pohledu senzoru chovat jako bodový zdroj – jako pravidlo platí alespoň desetinásobek jeho největšího rozměru. Měření v kratších vzdálenostech zůstávají platnými hodnotami, ale nesmí se přepočítávat na jiné vzdálenosti pomocí zákona inverzních čtverců.

Proč je kalibrační list tak důležitý?
Protože uvádí kalibrační zdroj, spektrální citlivost a nejistotu měření. Bez těchto tří údajů nelze naměřenou hodnotu porovnat s mezní hodnotou, s jiným přístrojem ani s dřívějším měřením.

Jak teplota ovlivňuje ozářenost?
Teplota působí na obou stranách měření: fotodioda a filtry senzoru jsou teplotně závislé, výrazněji v UVC než v UVA, a rtuťové výbojky i UV LED diody mění se změnou provozní teploty jak vyzářený výkon, tak špičkovou vlnovou délku. Reprodukovatelné hodnoty proto vyžadují definovanou provozní teplotu a pevně stanovenou, zdokumentovanou vzdálenost.

O spolehlivosti UV měření rozhoduje šest otázek:

• Odpovídá spektrální citlivost emisi zdroje a zamýšlené vážící funkci?
• Měří se směrové, nebo prostorově rozložené záření a odpovídá tomu úhlová odezva?
• Nachází se naměřená hodnota bezpečně uvnitř měřicího rozsahu a dynamického rozsahu?
• Mohou vedlejší vlnové délky nebo rozptýlené světlo zkreslit výsledek?
• Vztahuje se kalibrace k dostatečně podobnému zdroji a geometrii?
• Je nejistota měření dostatečně malá vzhledem k limitu procesu?

Najděte správný senzor: Vyhledávač UV senzorů navrhne tři nejlépe odpovídající UV senzory a měřicí přístroje podle aplikace, vlnové délky a provedení – s klíčovými hodnotami, systémovým partnerem a zdůvodněním.