Mesurer correctement la dose UV et l'éclairement énergétique
L'éclairement énergétique et la dose UV décrivent des propriétés différentes d'un processus UV. L'éclairement énergétique est la puissance radiante instantanée par unité de surface ; la dose – dans la terminologie normative l'exposition énergétique – est son intégrale dans le temps. Des résultats fiables exigent que la plage spectrale, la plage de mesure, la source d'étalonnage, la distance de mesure et la géométrie de mesure correspondent à l'application. Pour les processus en mouvement, le profil temporel de l'irradiation s'ajoute.
Cette page clarifie les grandeurs, indique les influences sur le résultat de mesure et montre quelle classe d'appareil résout quelle tâche. La sélection d'appareils spécifiques est traitée dans la catégorie instruments de mesure UV et radiomètres.
Éclairement énergétique, exposition énergétique et dose
L'éclairement énergétique E est la puissance radiative arrivant sur une surface, exprimée en W/m² ou – couramment en ingénierie UV – en mW/cm². L'exposition énergétique H en est l'intégrale dans le temps, exprimée en J/m² ou mJ/cm². Lorsque l'éclairement énergétique est constant dans le temps, H = E · t\u00a0; lorsqu'il varie, il faut intégrer le profil réel.
Dans la pratique, l'exposition énergétique est généralement appelée «\u00a0dose\u00a0». Ce terme est établi mais imprécis\u00a0: dans la désinfection de l'eau, la fluence désigne le rayonnement arrivant sur un élément de volume depuis toutes les directions, tandis qu'en photobiologie la dose est en outre pondérée par un spectre d'action. Quiconque compare des valeurs entre installations, fournisseurs ou rapports d'essai devrait donc toujours préciser quelle grandeur, quelle plage spectrale et quelle géométrie de mesure sont concernées.
Grandeurs, unités et signification
| Grandeur | Unité | Signification |
|---|---|---|
| Éclairement énergétique E | W/m², mW/cm² | puissance radiante instantanée par unité de surface au point de mesure |
| Exposition énergétique H (« dose ») | J/m², mJ/cm² | intégrale de l'éclairement énergétique sur le temps |
| Éclairement énergétique spectrique E(λ) | W/(m²·nm) | répartition de l'éclairement énergétique en fonction de la longueur d'onde |
| Fluence | J/m² | rayonnement parvenant à un élément de volume depuis toutes les directions |
| Éclairement énergétique efficace | W/m² | pondéré spectralement avec un spectre d'action, par exemple à effet érythémal |
| Densité de flux de photons (PPFD) | µmol/(m²·s) | nombre de photons par surface et par temps, courant en photobiologie |
Ce qui détermine le résultat de mesure
Une mesure n'est fiable que dans la mesure des conditions dans lesquelles elle a été effectuée. Cinq facteurs sont déterminants :
- Réponse spectrale. Un radiomètre à large bande évalue la source avec la courbe de réponse de son capteur. Si le spectre de la source diffère de celui de la source d'étalonnage, une erreur de correspondance spectrale se produit – systématiquement la plus grande source d'erreur en cas de changement de source.
- Géométrie de mesure. L'éclairement énergétique d'une source étendue ou surfacique nécessite une optique d'entrée à correction cosinus. Sans correction cosinus, le rayonnement incident oblique est sous-estimé.
- Distance et plan de mesure. Mesurez à l'endroit où le procédé a lieu – au niveau du composant ou du plan de l'échantillon, et non dans le faisceau libre. Pour les sources ponctuelles et les spots, l'éclairement énergétique varie fortement avec la distance.
- Étalonnage. L'étalonnage doit correspondre à la plage spectrale, à la plage de mesure et, autant que possible, au type de source utilisé, et doit être documenté de manière traçable.
- Plage de mesure, linéarité et température. Un éclairement énergétique très élevé, des sources pulsées et des températures élevées au point de mesure limitent les capteurs pouvant être utilisés.
Les étalonnages des radiomètres et des capteurs UV sont réalisés par le laboratoire d'étalonnage accrédité ; la procédure est décrite sous Étalonnage UV.
Mesurer de manière statique ou en cours de processus
Avec une source fixe et une pièce fixe, une mesure statique de l'éclairement énergétique dans le plan du composant suffit ; la dose résulte de l'éclairement énergétique et du temps d'exposition. Dès que la pièce ou la source se déplace, l'éclairement énergétique au niveau de la pièce devient dépendant du temps. L'éclairement énergétique de crête, le profil temporel et la dose qui en est intégrée doivent alors être enregistrés – une seule lecture statique sous la lampe ne décrit pas le processus.
La façon dont une telle mesure est mise en place dans les lignes de convoyage, d'impression et de passage est traitée sur la page Mesure UV pour systèmes de convoyage.
Quel instrument convient à quelle tâche
- Source stable avec un spectre connu, mesure ponctuelle : un radiomètre large bande étalonné tel que RMD Pro ou RM-12 avec le capteur adapté à la plage spectrale.
- Sources changeantes, longueurs d'onde LED, études de vieillissement : un instrument à mesure spectrale tel que UVpad, UVpad E ou SR900 en laboratoire.
- Dose dans le processus en cours : des enregistreurs plats tels que curelog ou tinyTracker qui accompagnent la pièce à travailler tout au long de la ligne.
- Surveillance permanente de l'installation : des capteurs UV installés en permanence avec une électronique d'évaluation adaptée.
La même règle s'applique à chacune de ces chaînes : le capteur, l'évaluation et l'étalonnage doivent correspondre à la valeur de processus à démontrer. Une aide à la sélection par tâche de mesure est proposée dans la catégorie mesureurs UV, et la distinction entre les classes d'instruments sur la page spectroradiomètre ou radiomètre large bande.
Questions fréquentes sur l'éclairement énergétique et la dose
Quelle grandeur doit être surveillée sur une installation UV ?
Avant tout l'éclairement énergétique en W/m² au point accessible le plus proche du procédé, et à partir de celui-ci la dose comme intégrale temporelle en J/m². Pour la conversion : 10 W/m² correspond à 1 mW/cm². La température du capteur et de la source en font également partie. Une fenêtre de procédé doit être définie selon deux dimensions, avec une limite inférieure et une limite supérieure pour les deux grandeurs. La puissance électrique de la lampe n'est pas une grandeur mesurée du procédé.
À quel endroit du procédé la mesure est-elle effectuée ?
Au niveau de la pièce ou de l'échantillon, là où le procédé a réellement lieu – ni dans le faisceau libre, ni au niveau du boîtier de la lampe. Les sources étendues et surfaciques nécessitent une optique d'entrée à correction cosinus, faute de quoi le rayonnement incident obliquement est sous-pondéré. Avec des sources ponctuelles ou concentrées, l'éclairement énergétique varie fortement avec la distance ; en règle générale, la distance de mesure doit être au moins 10 fois supérieure à la plus grande dimension de la surface émettrice.
Quel est le niveau de l'éclairement énergétique d'une installation UV par rapport au soleil ?
La référence est le soleil au niveau du sol : dans des conditions optimales, environ 1 000 W/m² de rayonnement global, dont environ 62 W/m² en UVA et 5,6 W/m² en UVB. Une chambre d'essai UVA de 80 W/m² se situe donc à 1,3 fois cette valeur, une chambre UVB de 50 W/m² à neuf fois cette valeur. Les installations à LED UV atteignent 8 000 W/m² et plus, soit environ 130 fois l'UVA solaire. Dans l'UVC, aucune comparaison n'est possible, car le rayonnement en dessous de 280 nm n'atteint pas la surface de la terre. Chaque facteur de ce type s'accompagne de deux indications supplémentaires : la plage spectrale à laquelle il se rapporte et le plan de mesure dans lequel il a été mesuré – sans ces deux éléments, le chiffre ne peut être vérifié.
Auteur : Dr Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia est le directeur général d'Opsytec Dr. Gröbel GmbH à Ettlingen et dirige le laboratoire d'étalonnage accrédité. Après ses recherches sur les décharges excimères au xénon pulsées à l'Institut de technique de l'éclairage du KIT, il se consacre aujourd'hui à la mesure du rayonnement optique. Il est vice-président du comité de normalisation DIN FNL 7 « Rayonnement optique » et membre du groupe de projet DVGW sur la désinfection UV.
