cómo funcionan los sensores UV: diseño y errores de medición

Un sensor UV convierte la radiación óptica en una señal eléctrica. La lectura surge del detector, el filtro, la óptica, la electrónica, la calibración y la geometría de medición; por tanto, nunca es una propiedad exclusiva del detector. Para la comparabilidad de las mediciones UV, lo que importa sobre todo es la responsividad espectral, la respuesta coseno, el rango dinámico, la luz parásita y la coincidencia con la fuente real.

Esta página sigue la trayectoria de la señal y muestra dónde surgen los errores de medición a lo largo de ella. Los radiómetros de banda ancha y los espectrorradiómetros sirven como los dos diseños en los que se manifiestan con mayor claridad las distintas fuentes de error. Para la respuesta angular se emplean dos términos habituales: corrección coseno se refiere a la medida adoptada en el sensor, y respuesta coseno, al resultado.

Toda medición UV comienza con la pregunta de qué magnitud debe determinarse. En la práctica industrial, casi siempre se trata de la irradiancia E en W/m², la potencia radiante que incide sobre una superficie. Integrada en el tiempo, la irradiancia se convierte en la exposición radiante H en J/m², comúnmente denominada «dosis», la magnitud determinante tanto en la desinfección UV segura como en el curado UV. La conversión entre ambas la gestiona nuestra calculadora de radiometría para UV y luz.

Para una fuente puntual que radia en todas direcciones, se aplica la ley del cuadrado inverso: al duplicar la distancia de medición, el mismo flujo radiante se distribuye sobre una superficie cuatro veces mayor, por lo que la irradiancia se reduce a una cuarta parte.

Esta ley es válida bajo una condición que en la práctica suele pasarse por alto: la fuente debe ser puntual desde el punto de vista del sensor. La regla empírica establecida es una distancia de medición de r ≥ 10 · d, donde d es la mayor dimensión de la superficie emisora.

Otras dos condiciones son igualmente importantes: la orientación del sensor hacia la fuente y la cuestión de qué rango espectral se está ponderando. Ambas influyen directamente en el diseño de los instrumentos.

Un radiómetro de banda ancha pondera la radiación incidente con una función de responsividad espectral fija s(λ) integrada en su óptica y devuelve un único valor numérico. El cabezal de medición es un conjunto apilado de componentes ópticos, y su orden no es casual.

Ventana óptica. Generalmente de sílice fundida, ya que el vidrio sodocálcico común es prácticamente opaco por debajo de aproximadamente 300 nm. La ventana protege los componentes situados detrás de ella y sella el cabezal frente a los medios de proceso.

Difusor. Dispersa la radiación incidente y con ello crea la respuesta angular de forma cosenoidal. El difusor no es un accesorio, sino el componente que convierte la lectura, en primer lugar, en una magnitud relacionada con el área.

Conjunto de filtros. Aquí es donde se genera la ponderación espectral propiamente dicha, típicamente mediante una combinación de filtros de interferencia y vidrio coloreado. Este conjunto determina si el instrumento mide UV-A, UV-B, UV-C o un espectro de acción específico para la aplicación.

Detector. Los fotodiodos de silicio son el estándar; para aplicaciones de UV-C se emplean cada vez más diodos de SiC, ya que son intrínsecamente ciegos a la luz visible y con ello alivian la carga del conjunto de filtros.

A continuación, un amplificador de transimpedancia convierte la fotocorriente en una tensión, y un convertidor A/D la digitaliza. La gran ventaja de este diseño: una fotocorriente puede medirse de forma lineal a lo largo de muchas décadas. Por ello, los radiómetros alcanzan un rango dinámico que un espectrómetro de matriz no puede igualar, y son robustos, compactos y comparativamente económicos.

La norma ASTM G130-12(2020) clasifica estos instrumentos según el ancho medio Δλ de su función de responsividad en radiómetros de banda estrecha (Δλ ≤ 20 nm), instrumentos de banda ancha (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) e instrumentos de banda muy ancha (Δλ ≥ 70 nm). Esta clasificación es más que una cuestión terminológica: cuanto más amplio es el rango espectral, más fuertemente depende la lectura del espectro de la fuente que se está midiendo.

Un espectrorradiómetro dispersa la radiación en sus componentes espectrales y mide la irradiancia espectral E(λ) en W/(m²·nm). A partir de ese espectro se puede entonces derivar por cálculo cualquier rango espectral y cualquier espectro de acción, y precisamente ahí reside la versatilidad de esta clase de instrumentos.

El camino óptico comienza, como en el radiómetro, con una óptica de entrada, generalmente un difusor que actúa como receptor coseno. Una fibra óptica conduce la radiación hasta la rendija de entrada. Un espejo colimador forma un haz paralelo que incide sobre una red de difracción óptica. La red dispersa la radiación según la longitud de onda, y un espejo de enfoque proyecta el espectro resultante sobre una matriz de detectores, CCD o CMOS.

Por elegante que sea el principio, su debilidad física es implacable. Una red de difracción no solo genera el primer orden de difracción deseado, sino también órdenes superiores que deben desviarse fuera del camino del haz. A esto se suma la dispersión en espejos, monturas y superficies de la carcasa. Ambos mecanismos depositan componentes de señal de onda larga en la posición correspondiente a una longitud de onda corta.

Un radiómetro de banda ancha nunca mide «la radiación UV-A». Forma una integral ponderada del producto entre el espectro de la fuente y la función de respuesta espectral. Mientras el espectro de la fuente medida coincida con el de la lámpara de calibración, esto no resulta problemático. Cuando difiere, aparece el error de desajuste espectral.

Resulta especialmente crítico cuando la emisión del objeto de ensayo cae en un flanco de la curva de respuesta. Las tolerancias de fabricación del filtro se traducen entonces directamente en la lectura. No se trata de una preocupación teórica: en un filtro paso alto UV-B del tipo WG320, el flanco del 50 % puede situarse en cualquier punto entre aproximadamente 314 nm y 326 nm dentro de la especificación del fabricante. Según el ejemplar montado, la misma fuente da lugar a desviaciones que van desde algunas décimas de por ciento hasta el rango de un dígito porcentual, sin que el instrumento esté «defectuoso».

La CIE 220:2016 «Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers» (elaborada por el comité CIE TC 2-47) describe un planteamiento sistemático. El informe traslada a los radiómetros UV los índices de calidad conocidos de la fotometría en la ISO/CIE 19476:2014, entre ellos f1′ para el desajuste espectral, f2 para la respuesta angular, f3 para la linealidad, además de índices para los efectos de fatiga, temperatura y humedad. Dado que los radiómetros UV, a diferencia de los luxómetros, no están concebidos para un único iluminante de referencia, la CIE 220:2016 define tres espectros de referencia y añade en su anexo diez espectros de fuentes reales: desde lámparas de mercurio de baja y media presión, pasando por fuentes de xenón y HMI, hasta el espectro solar.

Consecuencia práctica: quien conoce la respuesta espectral de su radiómetro y el espectro de su fuente puede calcular el factor de desajuste y aplicarlo como factor de corrección. Para ello es necesario que el fabricante indique en el certificado de calibración la respuesta espectral relativa medida individualmente y el espectro de la lámpara de calibración.

La medición en el UV-C presenta una dificultad que, a primera vista, parece paradójica: el problema no es el UV, sino todo lo demás. Una lámpara de mercurio de media presión emite órdenes de magnitud más potencia en el visible y el infrarrojo cercano que en el rango espectral UV-C. Si incluso una fracción de esa potencia se dispersa hacia el canal de 254 nm dentro del instrumento, surge allí una señal aparente que puede superar la lectura real. El explorador de la base de datos espectral muestra cuán pronunciado es este desequilibrio para una lámpara determinada.

Las órdenes de magnitud difieren drásticamente: un monocromador doble alcanza una luz parásita relativa de aproximadamente 10⁻⁷ a 10⁻⁹, un espectrómetro de array se sitúa en 10⁻³ a 10⁻⁵, y un microespectrómetro de array solo en 10⁻¹ a 10⁻².

Un monocromador doble hace pasar la radiación dos veces por una red de difracción, suprimiendo así la luz parásita varias décadas más que un sistema de una sola etapa. El precio es el tamaño, el tiempo de medición y el coste, razón por la cual se emplea como instrumento de referencia de laboratorio en lugar de en campo.

La situación se agrava por la sensibilidad al infrarrojo de los arrays detectores basados en silicio: son más sensibles precisamente donde la radiación interferente es más intensa. Sin filtros adecuados de separación de órdenes y una corrección documentada de la luz parásita, las mediciones UV-C con espectrómetros de array compactos conllevan incertidumbres considerables y, a menudo, desconocidas.

La irradiancia se define como la potencia radiante por unidad de superficie, medida sobre una superficie plana. Cuando la radiación llega de forma oblicua, el mismo flujo se reparte sobre una superficie mayor, por lo que la señal debe disminuir según cos θ. Un receptor real solo se aproxima a esto: en ángulos de incidencia grandes se producen reflexiones en las interfaces.

El índice de calidad f2 describe la desviación media respecto a la curva coseno ideal. Es determinante en todos los casos en que la radiación no llega de forma perpendicular: en reactores de desinfección UV, en cámaras de irradiación con paredes reflectantes, en el curado en banda continua. En una cámara con paredes muy reflectantes, la componente difusa puede superar a la directa; un sensor con una mala respuesta angular obtiene entonces sistemáticamente valores por debajo de lo real.

En la práctica, la calidad de la corrección coseno suele apreciarse ya en el propio diseño: por el tamaño y la difusividad de la óptica de entrada, y por cuánto sobresale del borde de la carcasa.

Las fuentes utilizadas en la tecnología UV difieren en irradiancia espectral en más de siete órdenes de magnitud, desde la lámpara de deuterio empleada como patrón de calibración hasta la lámpara de mercurio de 6 kW en una línea de curado.

Un radiómetro totalmente digital cubre este rango mediante la medición de fotocorriente y la conmutación de rangos. Un espectrómetro de matriz está limitado por la capacidad de pozo completo de sus píxeles y por el nivel de ruido de lectura; funciona mediante el ajuste del tiempo de integración, lo que cuesta tiempo de medición y encuentra límites en ambos extremos del rango.

La misma distinción se aplica al convertidor analógico-digital. Su resolución –12, 16 o 24 bits– determina con qué precisión se muestra la lectura y qué tan amplio es el rango dinámico utilizable. No dice nada sobre la exactitud de la medición: esta se deriva de la calibración y de la coincidencia espectral con la fuente que se está midiendo.

Un valor medido sin trazabilidad metrológica es un número sin marco de referencia. La cadena metrológica se extiende desde el instituto nacional de metrología hasta el instrumento en la línea de producción, y la incertidumbre aumenta en cada paso.

En la cúspide se encuentra el instituto nacional de metrología, PTB en Alemania, NIST en Estados Unidos, que materializa la unidad. Por debajo sigue el laboratorio de calibración acreditado según ISO/IEC 17025, que trabaja con sus propios patrones y cuya competencia es evaluada periódicamente por un organismo de acreditación. Los laboratorios de ensayo miden conforme a un procedimiento escrito. Una calibración de fábrica puede ser trazable, pero no está respaldada por una evaluación independiente. En el extremo inferior se sitúa la calibración no trazable: proporciona cifras reproducibles, pero sin una incertidumbre de medición defendible.

El camino habitual comienza con un patrón espectral: una lámpara FEL de 1000 W para el rango UV-A y visible, y una lámpara de deuterio para el rango de onda corta. Un espectrorradiómetro se calibra frente a este patrón (ASTM G138-12(2020)e1). El espectrorradiómetro calibrado mide entonces una lámpara UV representativa de la producción, es decir, una fuente espectralmente lo más parecida posible al objeto de medición final. El radiómetro de referencia se calibra frente a esa lámpara (ASTM G130-12(2020)), y a partir de ahí la calibración se transfiere finalmente a los instrumentos de campo (ASTM E824-26).

El truco está en el tercer paso: al utilizar una lámpara representativa de la producción como fuente de transferencia, el radiómetro se calibra en las mismas condiciones espectrales en las que posteriormente realizará las mediciones. De este modo se elimina en gran medida el desajuste espectral, la principal fuente de error del radiómetro de banda ancha. Precisamente por ello, un radiómetro de banda ancha correctamente calibrado puede superar en precisión a un espectrorradiómetro para un tipo de lámpara conocido.

Dos familias de lámparas sirven para la propia calibración: fuentes de líneas, como las lámparas de mercurio de baja presión, para la calibración de la longitud de onda, y fuentes de espectro continuo -lámparas de deuterio y de halógeno de tungsteno- para la calibración de la respuesta espectral. Las lámparas halógenas requieren especial cuidado, ya que su fuerte emisión en la zona de onda larga se dispersa dentro del instrumento y, si no se corrige, produce precisamente el error de luz difusa que se pretende medir.

Para la incertidumbre de medición esto significa lo siguiente: el certificado de calibración no solo proporciona un factor, sino que también define la fuente y la geometría para las que ese factor es válido. Cuanto más se aleje la medición de esas condiciones, mayor será la contribución de la calibración a la incertidumbre global. Los detalles de cómo funciona la calibración se describen en el procedimiento de calibración UV.

La norma CIE 250:2022 "Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) es el texto de referencia actual para las mediciones espectrorradiométricas en el rango de 200 nm a 2500 nm. Sustituye a la casi cuarentañera CIE 063-1984 y ofrece una descripción detallada de los efectos físicos que deben tenerse en cuenta al estimar la incertidumbre de medición.

En la práctica se observa un patrón característico: la menor incertidumbre de medición alcanzable es mayor en el UV de onda corta y disminuye hacia longitudes de onda más largas. Los valores típicos para calibraciones acreditadas rondan el 6 % en el rango cercano a 200–230 nm, aproximadamente el 3,5 % en el UV-B y el UV-A, y algo menos del 3 % en el rango visible (incertidumbre de medición expandida, k = 2). Las razones de este patrón son de carácter físico: menor radiancia de los patrones, efectos de luz parásita más intensos y una mayor sensibilidad de los materiales ópticos al envejecimiento y a la contaminación.

Cada uno de los dos diseños tiene exactamente una fuente de error dominante, y ambas son complementarias: desajuste espectral para el radiómetro de banda ancha, luz parásita para el espectrorradiómetro. La selección se deriva de ello:

• Si el tipo de lámpara se conoce y permanece constante, un radiómetro de banda ancha calibrado adecuadamente ofrece la menor incertidumbre de medición, con un rango dinámico más amplio, un tiempo de respuesta más corto y mayor robustez.
• Si la fuente cambia, es desconocida o hay que evaluar un espectro de acción, no hay forma de evitar la medición espectral.
• En muchas instalaciones, la combinación es la mejor solución: verificación espectral a intervalos más largos, monitorización continua del proceso mediante medición de banda ancha.

La comparación completa, criterio por criterio, se presenta en cómo elegir entre un radiómetro de banda ancha y un espectrorradiómetro.

¿Por qué una medición UV-C requiere un cuidado especial?
Porque la mayoría de las fuentes UV emiten órdenes de magnitud más potencia en el visible y en el infrarrojo que en el UV-C, y los detectores basados en silicio son más sensibles precisamente en ese rango. Por ello, la luz parásita dentro del instrumento puede producir una señal UV-C aparente mayor que la real.

¿Qué es el desajuste espectral?
Es el error que surge cuando el espectro de la fuente medida difiere del espectro de la lámpara utilizada para calibrar el instrumento. La norma CIE 220:2016 describe cómo cuantificarlo y cómo aplicarlo como factor de corrección.

¿A qué distancia de la lámpara deben tomarse las mediciones?
La suficiente para que la fuente se comporte como una fuente puntual vista por el sensor; como regla general, al menos diez veces su dimensión mayor. Las mediciones a distancias más cortas siguen siendo lecturas válidas, pero no deben escalarse a otras distancias mediante la ley del inverso del cuadrado.

¿Por qué es tan importante el certificado de calibración?
Porque indica la fuente de calibración, la responsividad espectral y la incertidumbre de medición. Sin estos tres datos, una lectura no puede compararse con un valor límite, con otro instrumento ni con una medición anterior.

¿Cómo cambia la temperatura la irradiancia?
La temperatura actúa en ambos lados de la medición: el fotodiodo y los filtros de un sensor dependen de la temperatura, más intensamente en el UVC que en el UVA, y tanto las lámparas de mercurio como los LED UV cambian tanto la potencia radiante como la longitud de onda de pico con la temperatura de servicio. Por ello, para obtener valores reproducibles se requiere una temperatura de servicio definida y una distancia fija y documentada.

Seis preguntas determinan si una lectura UV es fiable:

• ¿La responsividad espectral coincide con la emisión de la fuente y la función de ponderación prevista?
• ¿Se está midiendo radiación dirigida o distribuida espacialmente, y la respuesta angular es adecuada para ello?
• ¿La lectura se encuentra de forma segura dentro del rango de medición y del rango dinámico?
• ¿Pueden longitudes de onda secundarias o la luz parásita distorsionar el resultado?
• ¿La calibración se refiere a una fuente y geometría suficientemente similares?
• ¿La incertidumbre de medición es suficientemente pequeña para el límite del proceso?

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