UV-antureiden spektripoikkeama

Spektripoikkeama on UV-anturin todellisen spektrisen herkkyyden ja ihanteellisen, suorakaiteenmuotoisen painotusfunktion välinen ero. Sitä esiintyy kaikissa suodatetuissa antureissa, koska optisilla suotimilla ei ole ihanteellisia esto- ja läpäisyalueita. Tämän seurauksena anturi, joka on kalibroitu yhdelle tietylle lampulle, näyttää systemaattisesti poikkeavia lukemia lähteellä, jonka spektri on erilainen.

Toisin kuin valaistusvoimakkuusmittarit, UV-anturit on suunniteltu eri spektreille ja eri spektrialueille. Sen varmistamiseksi, että UV-anturilla on halutt u spektriherkkyys, spektriherkkyyden säätämiseen käytetään valmistajakohtaisia optisia suotimia.

Seuraava kuva havainnollistaa UV-anturin tai radiometrin rakennetta, jota käytetään tyypillisesti ultraviolettisäteilyn mittaamiseen. Anturi koostuu useista optisista suotimista ja fotodiodista. Muita sähköisiä komponentteja, vahvistusta ja analogia-digitaalimuunnosta ei ole esitetty tässä.

Ihannetapauksessa herkkyyskäyrä vastaa vakiomaista, suorakaiteen muotoista painotusfunktiota. Käytännössä esiintyy kuitenkin poikkeamia - niin sanottua spektristä poikkeamaa. Tämä kuvaa eroa anturin todellisen herkkyyden ja ihanteellisen painotusfunktion välillä. 

Syyt tähän ovat tyypillisiä kaikille suodatetuille UV-antureille, sillä käytetyillä optisilla suodattimilla ei ole ihanteellisia leikkaus- ja läpäisyalueita tai "äärettömän" jyrkkiä suodattimen reunoja. Myös valodiodeilla on tyypillinen spektrinen herkkyys. 

Spektriherkkyyden vaikutus

Spektriherkkyys on jokaisen UV-anturin tyypillinen laiteominaisuus. Samantyyppiset anturit osoittavat samankaltaisia ominaisuuksia, mutta eri anturit - valmistajasta, tyypistä ja spektrialueesta riippuen - poikkeavat toisistaan merkittävästi.
UV-anturin mittausarvo riippuu voimakkaasti valonlähteen emissiospektristä. Tiettyyn lähteeseen (esim. elohopeahöyrylamppuun tai UV-LED:iin) kalibroitu anturi voi näyttää merkittäviä poikkeamia eri lähteen kanssa.
 

Spektrisen epäsuhdan seurauksena on lähderiippuvainen mittausepävarmuus. Esimerkiksi jos anturi on kalibroitu laajakaistaisella lampulla, mutta sitä käytetään kapeakaistaisen UV-LED:in kanssa, näytetty arvo voi poiketa todellisesta vaikuttavasta arvosta useita kymmeniä prosentteja. Nämä poikkeamat ovat toistettavia ja siten luonteeltaan systemaattisia.

Esimerkki spektrisestä epäsuhdasta

UV-anturilla on todellinen painotusfunktio (harmaa), kun ideaalikäyrä (musta) kuvaa tasaista vastetta.

400 nm:n LED:lle suhteellinen herkkyys on 1,0.
425 nm:n LED:lle suhteellinen herkkyys laskee arvoon 0,9.

Näytetty arvo on siten noin 10 % pienempi. Nykyaikaiset mittalaitteet, kuten RMD-radiometri, kompensoivat tämän vaikutuksen sisäisesti, kunhan vastaava lampputyyppi (esim. 400 nm tai 425 nm) on valittu oikein.

Menetelmät spektrisen yhteensopimattomuuden vähentämiseksi

1. lähderiippuvainen kalibrointi
Opsytecillä UV-anturit kalibroidaan kyseiseen sovellukseen käytettävän lampun tai LEDin mukaan. Laboratoriossa on tähän tarkoitukseen käytettävissä lukuisia teollisia UV-lähteitä, jotta kalibrointi voidaan sovittaa tarkasti halutulle spektrialueelle.

2. matemaattinen korjaus
Nykyaikaisissa radiometreissä kalibrointikerroin voidaan tallentaa suoraan anturiin. Sopiva kalibrointialue - esim. 365 nm UVA-LEDeille tai 450 nm sinisille LEDeille - valitaan yksinkertaisesti mittalaitteesta. Vanhemmille tai ulkoisille järjestelmille Opsytec voi määrittää korjauskertoimen, joka on merkitty kalibrointitodistukseen.

3. spektroradiometrien käyttö
Spektroradiometrit tallentavat koko spektrin; suodatinkäyristä johtuva yhteensopimattomuus poistuu, mutta hajavalo ja aallonpituuskalibrointi jäävät epävarmuustekijöiksi. Aallonpituuskohtaisen kalibroinnin ansiosta mahdolliset poikkeamat korjataan laskennallisesti. UVpad- ja UVpad E -mallit soveltuvat erityisen hyvin mobiilikäyttöön.

Merkitys tarkoille UV-mittauksille

Yhteensopimattomuuden tunteminen ja korjaaminen on siis edellytys luotettaville UV-mittauksille, erityisesti sovelluksissa, joissa käytetään kapeakaistaisia tai spektrisesti muuttuvia lähteitä, kuten UV-LED-järjestelmiä. Pyynnöstä Opsytec kalibroi todellisuudessa käytettyä lähdettä vastaan.

Jos mitattavana on vain yksi UV-lamppu, spektrinen yhteensopimattomuus voidaan korjata erittäin hyvin; lampun tai sovelluksen ilmoittaminen riittää.

Esimerkiksi matalapaineinen elohopealamppu toimii usein kalibrointilähteenä desinfiointiin käytettäville antureille. Kalibrointi suoritetaan esimerkiksi spektrialueella 200–280 nm tai 240–290 nm.

Vaikka tämä tehollinen spektri kattaa laajan aallonpituusalueen, käytännössä UV-radiometrin herkkyyden määrittämiseen käytetään yleensä ainoastaan elohopealampun 253,7 nm:n linjaa tälle yksittäiselle spektriviivalle.

Tämän kalibroinnin tuloksena saadaan siis kalibrointiarvo tietylle käyttöolosuhteelle, mutta se ei anna tietoa anturin spektrisestä herkkyydestä.

Jos haluatte mitata monia erilaisia UV-lamppuja ja UV-LEDejä, suosittelemme spektroradiometriä.
 

Kiinnostuneille lukijoille:

Kalibrointistandardit ja normit

Spektrinen yhteensopimattomuus kuvataan kansainvälisissä standardeissa, erityisesti CIE 220:2016 -standardissa - UV-radiometrien karakterisointi- ja kalibrointimenetelmät.
Suositus on sovittaa kalibrointilähde mahdollisimman tarkasti vastaamaan sovelluksen todellista valonlähdettä.

Sovelluksiin, joissa käytetään useita UV-lamppuja tai UV-LEDejä, Opsytec suosittelee spektroradiometrin käyttöä emissiospektrin täydelliseen tallentamiseen ja arviointiin.
 

Mitä tämä tarkoittaa jatkuvalle valvonnalle tuotantolinjalla - näytteenottotaajuus, anturin kaista ja liitäntä - käsitellään sovellussivulla UV-teknologia automaatioon ja prosessi-integraatioon.

Miten spektrinen epäsovitus lasketaan?
Epäsovituskertoimen F avulla. Se suhteuttaa sen, minkä ideaalinen vastefunktio antaisi mitattavalle lähteelle, siihen, mitä todellinen anturi siinä näyttää – kumpikin normalisoituna kalibrointilähteeseen:
F = [∫E_meas(λ)·s_ideal(λ)dλ / ∫E_meas(λ)·s_real(λ)dλ] · [∫E_cal(λ)·s_real(λ)dλ / ∫E_cal(λ)·s_ideal(λ)dλ]
Tarvitaan neljä suuretta: kalibrointilähteen ja mitattavan lähteen spektrinen irradianssi sekä anturin todellinen ja ideaalinen spektrinen vaste. Mittaustulos kerrotaan kertoimella F. Koska poikkeama on systemaattinen ja toistettava, se voidaan ilmoittaa kiinteänä korjauskertoimena kalibrointitodistuksessa tai tallentaa radiometriin kalibrointialueena.

Kuinka suuri virhe on käytännössä?
Se riippuu siitä, kuinka kaukana kalibrointilähde ja mitattava lähde ovat spektrisesti toisistaan. Yhden anturin vastekäyrän sisällä se on usein joitakin prosentteja: anturilla, jonka suhteellinen vaste on 1,0 aallonpituudella 400 nm ja 0,9 aallonpituudella 425 nm, 425 nm:n LED näyttää noin 10 % liian vähän. Jos laajakaistaisella lampulla kalibroitua anturia käytetään kapeakaistaisen UV-LEDin mittaamiseen, mittaustulos voi kuitenkin poiketa todellisesta painotetusta arvosta useita kymmeniä prosentteja. Poikkeama on toistettava ja siten systemaattinen – se voidaan korjata, mutta sitä ei saa poistettua keskiarvoistamalla toistomittauksilla.

Miten spektrinen epäsovitus voidaan korjata?
Kolmella tavalla. Ensinnäkin lähdekohtaisella kalibroinnilla: anturi kalibroidaan sitä lamppua tai LEDiä vasten, jota todella käytetään. Toiseksi laskennallisesti – nykyaikaiset radiometrit tallentavat kalibrointikertoimen anturiin ja sopiva alue valitaan laitteesta; vanhemmille tai muiden valmistajien järjestelmille voidaan määrittää korjauskerroin ja ilmoittaa se kalibrointitodistuksessa. Kolmanneksi spektroradiometrillä, joka mittaa koko spektrin ja on siksi periaatteessa vapaa spektrisestä epäsovituksesta. Kun mitattavana on yksi lähde, korjaus toimii erittäin hyvin; kun lähteitä on monta erilaista, spektroradiometri on varma valinta.

Miksi kalibrointi aallonpituudella 253,7 nm ei kerro mitään spektrisestä vasteesta?
Koska se määrittää vain yhden toimintapisteen. Desinfioinnissa kalibrointilähteenä toimii usein pienpaineinen elohopealamppu, ja kalibrointi viitataan noin 200–280 nm:n tai 240–290 nm:n spektrialueeseen. Käytännössä siitä käytetään lähes yksinomaan 253,7 nm:n viivaa. Tuloksena on kalibrointiarvo täsmälleen tuolle ehdolle – se ei kerro mitään ilmaisimen spektrisen vasteen muodosta eikä ole siirrettävissä muihin saman spektrialueen lähteisiin. CIE 220:2016 suosittelee siksi, että kalibrointilähde vastaisi mahdollisimman tarkasti sovelluksen lähdettä.