Sådan fungerer UV-sensorer: konstruktion og målefejl

En UV-sensor omdanner optisk stråling til et elektrisk signal. Måleværdien opstår som resultat af detektor, filter, optik, elektronik, kalibrering og målegeometri; den er derfor aldrig en egenskab ved detektoren alene. Afgørende for sammenligneligheden af UV-målinger er frem for alt spektral irradians, kosinusrespons, dynamisk område, spredt lys og overensstemmelsen med den faktiske kilde.

Denne side følger signalvejen og viser, hvor målefejl opstår undervejs. Bredbåndsradiometre og spektroradiometre fungerer som de to konstruktioner, hvor forskellige fejlkilder viser sig tydeligst. Begge udtryk er almindelige for den vinkelafhængige respons: kosinuskorrektion refererer til den foranstaltning, der træffes ved sensoren, kosinusrespons til resultatet.

Enhver UV-måling begynder med spørgsmålet om, hvilken størrelse der skal bestemmes. I industriel praksis er det næsten altid irradians E i W/m², den strålingseffekt, der rammer en overflade. Integreret over tid bliver irradians til stråleeksponering H i J/m², almindeligvis kaldet "dosis" – den styrende størrelse både ved sikker UV-desinfektion og ved UV-hærdning. Omregningen mellem de to håndteres af vores radiometriberegner til UV og lys.

For en punktformet kilde, der udstråler i alle retninger, gælder kvadratloven: fordobles måleafstanden, fordeles den samme strålingsstrøm over fire gange arealet, så irradiansen falder til en fjerdedel.

Denne lov gælder under én betingelse, som ofte overses i praksis: kilden skal fremstå punktformet set fra sensoren. Den etablerede tommelfingerregel er en måleafstand på r ≥ 10 · d, hvor d er den største dimension af den udstrålende overflade.

To yderligere betingelser er lige så vigtige: sensorens orientering i forhold til kilden, og spørgsmålet om, hvilket spektralt område der overhovedet vægtes. Begge fører direkte til udformningen af instrumenterne.

Et bredbåndsradiometer vejer den indkommende stråling med en fast spektral følsomhedsfunktion s(λ), der er indbygget i optikken, og returnerer et enkelt tal. Målehovedet er en stak af optiske komponenter, og deres rækkefølge er ikke tilfældig.

Optisk vindue. Sædvanligvis kvartsglas, fordi almindeligt soda-kalkglas i praksis er uigennemsigtigt under ca. 300 nm. Vinduet beskytter komponenterne bagved og forsegler hovedet mod procesmedier.

Diffusor. Den spreder den indkommende stråling og skaber derved den cosinusformede vinkelrespons. Diffusoren er ikke tilbehør, men den komponent, der overhovedet gør aflæsningen til en arealrelateret størrelse.

Filterstak. Her opstår den egentlige spektrale vægtning – typisk fra en kombination af interferensfiltre og farvet glas. Stakken bestemmer, om instrumentet måler UV-A, UV-B, UV-C eller et applikationsspecifikt aktionsspektrum.

Detektor. Silicium-fotodioder er standarden; til UV-C-applikationer bruges i stigende grad SiC-dioder, fordi de i sig selv er blinde i det synlige område og dermed letter kravene til filterstakken.

En transimpedansforstærker omdanner derefter fotostrømmen til en spænding, og en A/D-konverter digitaliserer den. Den store fordel ved denne konstruktion: en fotostrøm kan måles lineært over mange dekader. Radiometre opnår derfor et dynamikområde, som et array-spektrometer ikke kan matche – og de er robuste, kompakte og relativt billige.

ASTM G130-12(2020) klassificerer disse instrumenter efter halvbredden Δλ af deres følsomhedsfunktion i narrow-band-radiometre (Δλ ≤ 20 nm), broad-band-instrumenter (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) og wide-band-instrumenter (Δλ ≥ 70 nm). Denne klassificering er mere end terminologi: jo bredere det spektrale område er, desto stærkere afhænger aflæsningen af spektret for den kilde, der måles.

Et spektroradiometer spreder strålingen i dens spektrale komponenter og måler spektral irradians E(λ) i W/(m²·nm). Ethvert spektralområde og ethvert aktionsspektrum kan derefter udledes ved beregning fra dette spektrum – og netop dér ligger denne instrumentklasses alsidighed.

Den optiske vej begynder, som i radiometeret, med en indgangsoptik, som normalt er en diffusor, der fungerer som en kosinusreceptor. En optisk fiber leder strålingen til indgangsspalten. Et kollimeringsspejl former en parallel stråle, der rammer et optisk gitter. Gitteret spreder strålingen efter bølgelængde, og et fokuseringsspejl afbilder det resulterende spektrum på et detektorarray – CCD eller CMOS.

Så elegant som princippet er, er dets fysiske svaghed ubarmhjertig. Et gitter frembringer ikke kun den ønskede første diffraktionsorden, men også højere ordener, som skal styres ud af strålevejen. Hertil kommer spredning ved spejle, monteringer og kabinetoverflader. Begge mekanismer aflejrer langbølgede signalkomponenter på positionen for en kort bølgelængde.

Et bredbåndsradiometer måler aldrig "UV-A-strålingen". Det danner en vægtet integral af produktet af kildespektret og responsivitetsfunktionen. Så længe spektret for den målte kilde svarer til kalibreringslampens, er dette uproblematisk. Når det afviger, opstår spektral mismatch-fejlen.

Det bliver særligt kritisk, når testobjektets emission falder på en flanke af responsivitetskurven. Fremstillingstolerancer i filteret slår da direkte igennem i aflæsningen. Dette er ikke et teoretisk problem: for et UV-B-langpasfilter af typen WG320 kan 50 %-kanten ligge et sted mellem cirka 314 nm og 326 nm inden for producentens specifikation. Afhængigt af hvilket eksemplar der er monteret, giver den samme kilde afvigelser fra nogle få tiendedele procent op til enkeltcifrede procentsatser – uden at instrumentet er "defekt".

CIE 220:2016 "Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (udarbejdet af CIE-udvalget TC 2-47) beskriver en systematisk tilgang. Rapporten overfører de kvalitetsindekser, der kendes fra fotometri i ISO/CIE 19476:2014, til UV-radiometre – heriblandt f1′ for spektral mismatch, f2 for vinkelrespons, f3 for linearitet samt indekser for udmattelse, temperatur- og fugtighedseffekter. Da UV-radiometre, i modsætning til luxmetre, ikke er designet til en enkelt referencelyskilde, definerer CIE 220:2016 tre referencespektre og tilføjer ti reelle kildespektre i sit bilag – fra kviksølvlavtryks- og mellemtrykslamper over xenon- og HMI-kilder til solspektret.

Praktisk konsekvens: den, der kender sit radiometers spektrale responsivitet og sin kildes spektrum, kan beregne mismatch-faktoren og anvende den som korrektionsfaktor. Det kræver dog, at producenten angiver den individuelt målte relative spektrale responsivitet og kalibreringslampens spektrum i kalibreringscertifikatet.

Måling i UV-C indebærer en vanskelighed, der umiddelbart virker paradoksal: problemet er ikke UV'en, det er alt det andet. En mellemtryks-kviksølvlampe udsender størrelsesordener mere effekt i det synlige og nærinfrarøde område end i UV-C-spektralområdet. Hvis blot en brøkdel af den effekt spredes ind på 254 nm-kanalen inde i instrumentet, opstår der et tilsyneladende signal, som kan overstige den reelle aflæsning. Hvor udtalt denne ubalance er for en given lampe, viser spektral database explorer.

Størrelsesordenerne adskiller sig dramatisk: en dobbeltmonokromator opnår et relativt spredt lys på ca. 10⁻⁷ til 10⁻⁹, et array-spektrometer ligger på 10⁻³ til 10⁻⁵, og et mikroarray-spektrometer kun på 10⁻¹ til 10⁻².

En dobbeltmonokromator leder strålingen over et gitter to gange og undertrykker derved spredt lys med flere dekader mere end et etrins-system. Prisen er størrelse, måletid og omkostninger – derfor anvendes den som laboratorie-referenceinstrument snarere end i felten.

Situationen forværres af infrarødfølsomheden hos silicium-baserede detektor-arrays: de er mest følsomme netop dér, hvor den forstyrrende stråling er stærkest. Uden egnede ordenssorterende filtre og en dokumenteret spredt-lys-korrektion er UV-C-målinger med kompakte array-spektrometre behæftet med betydelige og ofte ukendte usikkerheder.

Irradians er defineret som strålingseffekt pr. arealenhed – målt på en plan overflade. Når strålingen kommer skråt ind, spredes den samme flux over et større areal, så signalet skal falde som cos θ. En reel receptor tilnærmer kun dette: ved store indfaldsvinkler opstår der reflektioner ved grænsefladerne.

Kvalitetsindekset f2 beskriver den gennemsnitlige afvigelse fra den ideelle cosinuskurve. Det er afgørende alle steder, hvor strålingen ikke kommer lodret ind: i UV-desinfektionsreaktorer, i bestrålingskamre med reflekterende vægge, i banehærdning. I et kammer med stærkt reflekterende vægge kan den diffuse komponent overstige den direkte – en sensor med dårlig vinkelrespons underestimerer da systematisk.

I praksis kan kvaliteten af cosinuskorrektionen ofte ses direkte på konstruktionen: på størrelsen og diffusiviteten af indgangsoptikken, og på hvor langt den stikker ud over husets kant.

Kilderne, der anvendes i UV-teknologi, adskiller sig i spektral irradians med mere end syv dekader – fra deuteriumlampen, der bruges som kalibreringsstandard, til den 6 kW kviksølvlampe i en hærdningslinje.

Et fuldt digitalt radiometer dækker dette område gennem fotostrømsmåling og områdeomskiftning. Et array-spektrometer er begrænset af pixlernes fuld-brønd-kapacitet og af læsestøjgulvet; det fungerer gennem justering af integrationstid, hvilket koster måletid og løber ind i begrænsninger i begge ender af området.

Den samme sondring gælder for analog-til-digital-konverteren. Dens opløsning – 12, 16 eller 24 bit – bestemmer, hvor finmasket aflæsningen vises, og hvor bredt det brugbare dynamiske område er. Den siger ingenting om målenøjagtighed: den følger af kalibreringen og af det spektrale match til den kilde, der måles.

En måleværdi uden metrologisk sporbarhed er et tal uden referenceramme. Den metrologiske kæde løber fra det nationale metrologiinstitut ned til instrumentet på produktionslinjen - og usikkerheden vokser for hvert trin.

Øverst sidder det nationale metrologiinstitut - PTB i Tyskland, NIST i USA - som realiserer enheden. Derunder følger kalibreringslaboratoriet akkrediteret efter ISO/IEC 17025, som arbejder med egne standarder, og hvis kompetence løbende vurderes af et akkrediteringsorgan. Prøvningslaboratorier måler efter en skriftlig procedure. En fabrikskalibrering kan sagtens være sporbar, men den er ikke sikret ved uafhængig vurdering. Nederst står den ikke-sporbare kalibrering: den leverer reproducerbare tal, men ingen forsvarlig måleusikkerhed.

Den sædvanlige vej begynder ved en spektral standard – en 1000 W FEL-lampe til UV-A- og det synlige område, en deuteriumlampe til kortbølgeområdet. Et spektroradiometer kalibreres mod denne standard (ASTM G138-12(2020)e1). Det kalibrerede spektroradiometer måler derefter en produktionslignende UV-lampe – det vil sige en kilde, der spektralt er så lig det endelige målingsobjekt som muligt. Referenceradiometeret kalibreres mod denne lampe (ASTM G130-12(2020)), og herfra overføres kalibreringen endelig til feltinstrumenterne (ASTM E824-26).

Tricket ligger i det tredje trin: ved at bruge en produktionslignende lampe som overførselskilde kalibreres radiometeret under de samme spektrale betingelser, som det senere skal måle under. Spektralt mismatch – bredbåndsradiometerets primære fejlkilde – elimineres derved i vid udstrækning. Det er netop derfor, at et korrekt kalibreret bredbåndsradiometer kan overgå et spektroradiometer i nøjagtighed for en kendt lampetype.

To lampefamilier bruges til selve kalibreringen: linjekilder, såsom lavtryksmercurylamper, til bølgelængdekalibrering, og kontinuumkilder – deuterium- og wolfram-halogenlamper – til kalibrering af spektral følsomhed. Halogenlamper kræver særlig omhu, da deres kraftige langbølgede udstråling spredes inde i instrumentet og, hvis ikke korrigeret, netop giver den strølysfejl, man forsøger at måle.

For måleusikkerheden betyder dette: kalibreringscertifikatet giver ikke blot en faktor, det definerer også kilden og geometrien, som denne faktor gælder for. Jo længere målingen afviger fra disse betingelser, desto større bliver kalibreringens bidrag til den samlede usikkerhed. Hvordan kalibreringen fungerer i detaljer, er beskrevet under UV-kalibreringsproceduren.

CIE 250:2022 "Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) er den aktuelle referencetekst for spektroradiometriske målinger i området fra 200 nm til 2500 nm. Den afløser den næsten fyrre år gamle CIE 063-1984 og giver en detaljeret gennemgang af de fysiske effekter, der skal tages i betragtning ved estimering af målingsusikkerhed.

I praksis viser der sig et karakteristisk mønster: den mindst opnåelige målingsusikkerhed er størst i den kortbølgede UV og falder mod længere bølgelængder. Typiske værdier for akkrediterede kalibreringer er omkring 6 % i området nær 200-230 nm, ca. 3,5 % i UV-B og UV-A, og lidt under 3 % i det synlige område (udvidet målingsusikkerhed, k = 2). Årsagerne til dette mønster er fysiske: lavere strålingsstyrke for standarderne, stærkere spredtlyseffekter og de optiske materialers større følsomhed for ældning og kontaminering.

Hver af de to konstruktioner har præcis én dominerende fejlkilde, og de to er komplementære: spektral mismatch for det bredbåndede radiometer, spredt lys for spektroradiometeret. Valget følger deraf:

• Hvis lampetypen er kendt og forbliver konstant, giver et passende kalibreret bredbåndet radiometer den mindre måleusikkerhed – med bredere dynamikområde, kortere reaktionstid og større robusthed.
• Hvis kilden ændrer sig, er ukendt, eller et virkningsspektrum skal evalueres, er der ingen vej udenom den spektrale måling.
• I mange installationer er kombinationen den bedste løsning: spektral verifikation ved længere intervaller, kontinuerlig procesovervågning ved bredbåndet måling.

Den fulde side-om-side-sammenligning, kriterium for kriterium, findes under valg af et bredbåndet radiometer eller et spektroradiometer.

Hvorfor kræver en UV-C-måling særlig omhu?
Fordi de fleste UV-kilder udsender størrelsesordener mere effekt i det synlige og infrarøde område end i UV-C – og silicium-baserede detektorer er mest følsomme netop i det område. Strølys inden i instrumentet kan derfor give et tilsyneladende UV-C-signal, der er større end det reelle.

Hvad er spektral mismatch?
Den fejl, der opstår, når spektret af den målte kilde afviger fra spektret af den lampe, der er brugt til at kalibrere instrumentet. CIE 220:2016 beskriver, hvordan man kvantificerer den, og hvordan man anvender den som en korrektionsfaktor.

I hvilken afstand fra lampen bør målinger foretages?
Langt nok væk, for at kilden opfører sig som en punktkilde set fra sensoren – som tommelfingerregel mindst ti gange dens største dimension. Målinger ved kortere afstande er stadig gyldige aflæsninger, men må ikke skaleres til andre afstande ved hjælp af den omvendte kvadratlov.

Hvorfor er kalibreringscertifikatet så vigtigt?
Fordi det angiver kalibreringskilden, den spektrale følsomhed og målingens usikkerhed. Uden disse tre kan en aflæsning ikke sammenlignes med en grænseværdi, med et andet instrument eller med en tidligere måling.

Hvordan påvirker temperaturen irradiansen?
Temperaturen påvirker begge sider af målingen: fotodioden og filtrene i en sensor er temperaturafhængige, stærkere i UVC end i UVA, og både kviksølvlamper og UV-LED'er ændrer både strålingseffekt og topbølgelængde med driftstemperaturen. Reproducerbare værdier kræver derfor en defineret driftstemperatur og en fast, dokumenteret afstand.

Seks spørgsmål afgør, om en UV-måling er pålidelig:

• Matcher den spektrale responsivitet emissionen fra kilden og den tilsigtede vægtningsfunktion?
• Måles der rettet eller rumligt fordelt stråling, og passer det vinkelafhængige respons til dette?
• Ligger måleværdien sikkert inden for måleområdet og det dynamiske område?
• Kan sekundære bølgelængder eller strølys forvrænge resultatet?
• Refererer kalibreringen til en tilstrækkeligt lignende kilde og geometri?
• Er målingens usikkerhed lille nok i forhold til procesgrænsen?

Find den rigtige sensor: UV Sensor Finder foreslår de tre bedst matchende UV-sensorer og målere efter anvendelse, bølgelængde og formfaktor – med nøgleværdier, systempartner og begrundelser.