UV-annoksen ja irradianssin mittaaminen oikein

Irradianssi ja UV-annos kuvaavat UV-prosessin eri ominaisuuksia. Irradianssi on hetkellinen säteilyteho pinta-alaa kohti; annos – standarditerminologiassa säteilyaltistus – on sen integraali ajan suhteen. Luotettavat tulokset edellyttävät, että spektrialue, mittausalue, kalibrointilähde, mittausetäisyys ja mittausgeometria vastaavat sovellusta. Liikkuvissa prosesseissa lisäksi säteilytyksen aikaprofiili on otettava huomioon.

Tällä sivulla selvennetään suureet, nimetään mittaustulokseen vaikuttavat tekijät ja osoitetaan, mikä laiteluokka soveltuu mihin tehtävään. Tarkempien laitteiden valikoima esitellään kategoriassa UV-mittarit ja radiometrit.

Irradianssi E on pinnalle saapuva säteilyteho, joka ilmoitetaan yksikössä W/m² tai – UV-tekniikassa yleisesti – mW/cm². Säteilyaltistus H on sen aikaintegraali, joka ilmoitetaan yksikössä J/m² tai mJ/cm². Kun irradianssi pysyy vakiona ajan suhteen, H = E · t; kun se vaihtelee, todellinen profiili on integroitava.

Käytännössä säteilyaltistusta kutsutaan yleensä "annokseksi". Termi on vakiintunut mutta epätarkka: vedendesinfioinnissa fluenssi kuvaa tilavuusalkioon kaikista suunnista saapuvaa säteilyä, kun taas fotobiologiassa annos painotetaan lisäksi vaikutusspektrillä. Siksi jokaisen, joka vertailee arvoja laitosten, toimittajien tai testiraporttien välillä, tulisi aina ilmoittaa, mitä suuretta, mitä spektrialuetta ja mitä mittausgeometriaa tarkoitetaan.

Lukema on luotettava vain siinä määrin kuin olosuhteet, joissa se otettiin. Viisi tekijää ratkaisee:

• Spektrinen herkkyys. Laajakaistainen radiometri arvioi lähteen anturinsa herkkyyskäyrän perusteella. Jos lähteen spektri poikkeaa kalibrointilähteen spektristä, syntyy spektrinen yhteensopimattomuus – järjestelmällisesti suurin virhe lähdettä vaihdettaessa.
• Mittausgeometria. Laajan tai pinta-alaltaan suuren lähteen irradianssin mittaaminen vaatii kosinikorjattua tulo-optiikkaa. Ilman kosinikorjausta viistosti tulevaa säteilyä aliarvioidaan.
• Mittausetäisyys ja -taso. Mitatkaa siinä kohdassa, missä prosessi tapahtuu – komponentin tai näytteen tasossa, ei vapaassa säteessä. Piste- ja pistemäisillä lähteillä irradianssi muuttuu voimakkaasti etäisyyden mukaan.
• Kalibrointi. Kalibroinnin on vastattava käytettyä spektrialuetta, mittausaluetta ja mahdollisimman pitkälti käytetyn lähteen tyyppiä, ja se on dokumentoitava jäljitettävästi.
• Mittausalue, lineaarisuus ja lämpötila. Erittäin suuri irradianssi, pulssimaiset lähteet ja korkeat lämpötilat mittauspisteessä rajoittavat käytettävissä olevia antureita.

Radiometrien ja UV-anturien kalibroinnit suorittaa akkreditoitu kalibrointilaboratorio; menettely on kuvattu kohdassa UV-kalibrointi.

Kun lähde ja mitattava osa pysyvät paikallaan, riittää staattinen irradianssin mittaus komponenttitasolla; annos saadaan irradianssista ja altistusajasta. Kun osa tai lähde alkaa liikkua, irradianssi osan kohdalla muuttuu ajan funktiona. Silloin on tallennettava huippuirradianssi, aikaprofiili ja siitä integroitu annos – yksittäinen staattinen lukema lampun alla ei kuvaa prosessia.

Miten tällainen mittaus toteutetaan kuljetin-, painatus- ja läpivientilinjoissa, käsitellään sivulla UV-mittaus kuljetinjärjestelmiin.

• Vakaa lähde, jonka spektri tunnetaan, pistemittaus: kalibroitu laajakaistainen radiometri, kuten RMD Pro tai RM-12, jonka anturi vastaa spektrialuetta.
• Muuttuvat lähteet, LED-aallonpituudet, vanhenemistutkimukset: spektrisesti mittaava laite, kuten UVpad, UVpad E tai SR900 laboratoriossa.
• Annos käynnissä olevassa prosessissa: litteät loggerit, kuten curelog tai tinyTracker, jotka kulkevat linjan läpi työkappaleen mukana.
• Pysyvä laitosvalvonta: kiinteästi asennetut UV-anturit sopivalla arviointielektroniikalla.

Sama pätee jokaiseen näistä ketjuista: anturin, arvioinnin ja kalibroinnin on vastattava osoitettavaa prosessiarvoa. Valinnan apuna mittaustehtävän mukaan toimii kategoria UV-mittarit, ja laiteluokkien välinen ero on esitetty sivulla spektroradiometri vai laajakaistainen radiometri.

Mitä suureita UV-järjestelmässä tulisi valvoa?
Ensisijaisesti irradianssia yksikössä W/m² lähimmässä prosessiin nähden saavutettavissa olevassa pisteessä, ja siitä johdettua annosta aikaintegraalina yksikössä J/m². Muunnos: 10 W/m² vastaa 1 mW/cm². Niiden lisäksi kuuluvat anturin ja lähteen lämpötila. Prosessi-ikkuna on määritettävä kaksiulotteisesti, molemmille suureille alaraja ja yläraja. Lampun sähköinen teho ei ole prosessin mitattu suure.

Missä kohdassa prosessia mittaus suoritetaan?
Kappaleen tai näytteen tasolla, jossa prosessi todellisuudessa tapahtuu – ei vapaassa säteessä eikä lampun kotelossa. Laajat ja pinta-lähteet vaativat kosinikorjatun tulo-optiikan, muuten vinosti tulevaa säteilyä painotetaan liian vähän. Piste- ja spottilähteillä irradianssi muuttuu voimakkaasti etäisyyden mukaan; nyrkkisääntönä mittausetäisyyden tulisi olla vähintään 10 kertaa säteilevän alueen suurin mitta.

Kuinka suuri UV-järjestelmän irradianssi on verrattuna aurinkoon?
Vertailukohtana on aurinko maan pinnalla: optimaalisissa olosuhteissa noin 1 000 W/m² globaalisäteilyä, josta noin 62 W/m² on UVA-säteilyä ja 5,6 W/m² UVB-säteilyä. UVA-testikammio, jonka teho on 80 W/m², on siten 1,3-kertainen, ja UVB-kammio, jonka teho on 50 W/m², on yhdeksänkertainen tähän arvoon nähden. UV-LED-järjestelmät saavuttavat 8 000 W/m² ja enemmän, noin 130 kertaa auringon UVA-säteilyn. UVC-alueella vertailu ei ole mahdollista, koska alle 280 nm:n säteily ei saavuta maan pintaa. Jokaiseen tällaiseen kertoimeen liittyy kaksi muuta tietoa: spektrialue, johon se viittaa, ja mittaustaso, jossa se on mitattu – näiden tietojen puuttuessa lukua ei voida varmentaa.

Dr.-Ing. Mark Paravia on Opsytec Dr. Gröbel GmbH:n toimitusjohtaja Ettlingenissä ja johtaa akkreditoitua kalibrointilaboratoriota. Tutkittuaan pulssitettuja ksenoni-eksimeeripurkauksia KIT:n valaistustekniikan instituutissa hänen painopisteenään on nykyään optisen säteilyn mittaus. Hän on DIN-standardointikomitean FNL 7 "Optinen säteily" varapuheenjohtaja ja DVGW:n UV-desinfiointia käsittelevän projektiryhmän jäsen.