Správné měření dávky UV záření a ozářenosti

Ozářenost a dávka UV záření popisují různé vlastnosti UV procesu. Ozářenost je okamžitý zářivý výkon na plochu; dávka – v terminologii norem ozáření – je jejím integrálem v čase. Spolehlivé výsledky vyžadují, aby spektrální rozsah, měřicí rozsah, kalibrační zdroj, měřicí vzdálenost a geometrie měření odpovídaly dané aplikaci. U pohybujících se procesů přistupuje ještě časový profil ozařování.

Tato stránka vysvětluje jednotlivé veličiny, uvádí vlivy na výsledek měření a ukazuje, která třída přístrojů řeší jaký úkol. Výběr konkrétních přístrojů je popsán v kategorii UV měřicí přístroje a radiometry.

Ozářenost E je zářivý výkon dopadající na plochu, udávaný v W/m² nebo – v UV technice běžně – v mW/cm². Ozáření H je jejím integrálem v čase, udávaným v J/m² nebo mJ/cm². Pokud je ozářenost v čase konstantní, platí H = E · t; pokud se mění, musí se integrovat skutečný profil.

V praxi se ozáření obvykle označuje jako „dávka". Tento pojem je zavedený, ale nepřesný: při dezinfekci vody popisuje fluence záření dopadající na objemový element ze všech směrů, zatímco ve fotobiologii je dávka navíc vážena akčním spektrem. Kdokoli srovnává hodnoty mezi zařízeními, dodavateli nebo zkušebními protokoly, by měl proto vždy uvést, jaká veličina, jaký spektrální rozsah a jaká měřicí geometrie je míněna.

Naměřená hodnota je pouze tak spolehlivá, jak jsou spolehlivé podmínky, za kterých byla zjištěna. O výsledku rozhoduje pět faktorů:

• Spektrální citlivost. Širokopásmový radiometr vyhodnocuje zdroj podle křivky citlivosti svého senzoru. Pokud se spektrum zdroje liší od spektra kalibračního zdroje, dochází ke spektrální neshodě – systematicky největší chybě při změně zdrojů.
• Geometrie měření. Ozářenost od rozlehlého nebo plošného zdroje vyžaduje vstupní optiku s kosinovou korekcí. Bez kosinové korekce je šikmo dopadající záření podhodnoceno.
• Měřicí vzdálenost a rovina. Měřte tam, kde probíhá proces – v rovině součásti nebo vzorku, nikoli ve volném svazku. U bodových a úzce směrovaných zdrojů se ozářenost silně mění se vzdáleností.
• Kalibrace. Kalibrace musí odpovídat spektrálnímu rozsahu, měřicímu rozsahu a v maximální možné míře i typu použitého zdroje a musí být zdokumentována s metrologickou návazností.
• Měřicí rozsah, linearita a teplota. Velmi vysoká ozářenost, pulzní zdroje a zvýšená teplota v místě měření omezují použitelné senzory.

Kalibrace radiometrů a UV senzorů provádí akreditovaná kalibrační laboratoř; postup je popsán v sekci UV kalibrace.

U stacionárního zdroje a stacionární součásti postačuje statické měření ozářenosti v rovině součásti; dávka vyplývá z ozářenosti a doby ozařování. Jakmile se součást nebo zdroj pohybuje, stává se ozářenost v místě součásti závislou na čase. Poté je nutné zaznamenat špičkovou ozářenost, časový profil a z něj integrovanou dávku – jediné statické měření pod lampou proces nepopisuje.

Jak se takové měření realizuje v dopravníkových, tiskových a průběžných linkách, je popsáno na stránce Měření UV záření pro dopravníkové systémy.

• Stabilní zdroj se známým spektrem, bodové měření: kalibrovaný širokopásmový radiometr, jako je RMD Pro nebo RM-12, se senzorem odpovídajícím spektrálnímu rozsahu.
• Měnící se zdroje, vlnové délky LED, studie stárnutí: spektrálně měřící přístroj, jako je UVpad, UVpad E nebo SR900, v laboratoři.
• Dávka v probíhajícím procesu: ploché loggery, jako je curelog nebo tinyTracker, které procházejí linkou spolu s obrobkem.
• Trvalé sledování provozu: trvale instalované UV senzory s vhodnou vyhodnocovací elektronikou.

Pro každý z těchto řetězců platí totéž: senzor, vyhodnocení a kalibrace musí odpovídat procesní hodnotě, kterou je třeba prokázat. Pomoc při výběru podle měřicí úlohy naleznete v kategorii UV měřicí přístroje a rozdíl mezi třídami přístrojů na stránce spektroradiometr nebo širokopásmový radiometr.

Jaká veličina by měla být monitorována na UV systému?
Primárně ozářenost v W/m² v přístupném bodě nejblíže procesu, a z ní dávka jako časový integrál v J/m². Pro převod: 10 W/m² odpovídá 1 mW/cm². K nim patří i teplota senzoru a zdroje. Procesní okno musí být specifikováno ve dvou rozměrech, s dolní a horní mezí pro obě veličiny. Elektrický příkon lampy není měřenou veličinou procesu.

Kde v procesu se provádí měření?
Na úrovni dílu nebo vzorku, kde proces skutečně probíhá – nikoli ve volném paprsku a nikoli na tělese lampy. Rozšířené a plošné zdroje vyžadují vstupní optiku s kosinovou korekcí, jinak je šikmo dopadající záření podhodnoceno. U bodových a úzkosvazkových zdrojů se ozářenost silně mění se vzdáleností; jako pravidlo platí, že měřicí vzdálenost by měla být alespoň 10násobkem největšího rozměru vyzařující plochy.

Jak vysoká je ozářenost UV systému ve srovnání se sluncem?
Referencí je slunce na úrovni země: za optimálních podmínek přibližně 1 000 W/m² globálního záření, z toho asi 62 W/m² UVA a 5,6 W/m² UVB. UVA testovací komora s 80 W/m² je tedy na 1,3násobku, UVB komora s 50 W/m² na devítinásobku této hodnoty. UV-LED systémy dosahují 8 000 W/m² a více, což je zhruba 130násobek slunečního UVA. V oblasti UVC srovnání není možné, protože záření pod 280 nm nedosahuje povrchu Země. Ke každému takovému faktoru patří ještě dva další údaje: spektrální rozsah, ke kterému se vztahuje, a měřicí rovina, ve které bylo měřeno – bez obou nelze číslo ověřit.

Dr.-Ing. Mark Paravia je jednatelem společnosti Opsytec Dr. Gröbel GmbH v Ettlingenu a vede akreditovanou kalibrační laboratoř. Po svém výzkumu pulzních xenonových excimerových výbojů na Institutu osvětlovací techniky KIT se dnes zaměřuje na měření optického záření. Je místopředsedou normalizační komise DIN FNL 7 „Optické záření" a členem projektové skupiny DVGW pro UV dezinfekci.