Misurare correttamente la dose UV e l'irradianza
L'irradianza e la dose UV descrivono proprietà diverse di un processo UV. L'irradianza è la potenza radiante istantanea per unità di superficie; la dose – nella terminologia normativa l'esposizione radiante – è il suo integrale nel tempo. Risultati attendibili richiedono che l'intervallo spettrale, l'intervallo di misura, la sorgente di taratura, la distanza di misura e la geometria di misura siano adeguati all'applicazione. Per i processi in movimento si aggiunge il profilo temporale dell'irraggiamento.
Questa pagina chiarisce le grandezze, indica le influenze sul risultato della misura e mostra quale classe di strumento risolve quale compito. La selezione di strumenti specifici è trattata nella categoria Radiometri e misuratori UV.
Irradianza, esposizione radiante e dose
L'irradianza E è la potenza radiante che arriva su una superficie, espressa in W/m² o – comunemente nell'ingegneria UV – in mW/cm². L'esposizione radiante H è il suo integrale nel tempo, espresso in J/m² o mJ/cm². Quando l'irradianza è costante nel tempo, H = E · t; quando varia, occorre integrare l'andamento effettivo.
In pratica, l'esposizione radiante viene solitamente chiamata "dose". Il termine è consolidato ma impreciso: nella disinfezione dell'acqua, la fluenza descrive la radiazione che arriva su un elemento di volume da tutte le direzioni, mentre nella fotobiologia la dose è inoltre ponderata con uno spettro d'azione. Chiunque confronti valori tra impianti, fornitori o rapporti di prova dovrebbe quindi sempre indicare quale grandezza, quale intervallo spettrale e quale geometria di misura sono intesi.
Grandezze, unità e significato
| Grandezza | Unità | Significato |
|---|---|---|
| Irradianza E | W/m², mW/cm² | potenza radiante istantanea per area nel punto di misura |
| Esposizione radiante H ("dose") | J/m², mJ/cm² | integrale dell'irradianza nel tempo |
| Irradianza spettrale E(λ) | W/(m²·nm) | distribuzione dell'irradianza in funzione della lunghezza d'onda |
| Fluenza | J/m² | radiazione che arriva a un elemento di volume da tutte le direzioni |
| Irradianza effettiva | W/m² | pesata spettralmente con uno spettro d'azione, ad esempio efficace a livello eritemale |
| Densità di flusso fotonico (PPFD) | µmol/(m²·s) | numero di fotoni per area e tempo, comune in fotobiologia |
Cosa determina il risultato della misura
Un valore di misura è affidabile solo quanto le condizioni in cui è stato rilevato. Cinque fattori sono determinanti:
- Responsività spettrale. Un radiometro a banda larga valuta la sorgente con la curva di responsività del proprio sensore. Se lo spettro della sorgente differisce da quello della sorgente di taratura, si verifica un errore di mismatch spettrale – sistematicamente il maggiore in caso di cambio di sorgente.
- Geometria di misura. L'irradianza proveniente da una sorgente estesa o piana richiede un'ottica di ingresso con correzione del coseno. Senza correzione del coseno, la radiazione incidente obliquamente viene sottostimata.
- Distanza e piano di misura. Misurare dove avviene il processo – nel piano del componente o del campione, non nel fascio libero. Per sorgenti puntiformi e a fascio ristretto, l'irradianza varia fortemente con la distanza.
- Taratura. La taratura deve corrispondere all'intervallo spettrale, al campo di misura e, nella misura del possibile, al tipo di sorgente utilizzata, ed essere documentata in modo riferibile.
- Campo di misura, linearità e temperatura. Irradianze molto elevate, sorgenti pulsate e temperature elevate nel punto di misura limitano i sensori utilizzabili.
Le tarature per radiometri e sensori UV sono eseguite dal laboratorio di taratura accreditato; la procedura è descritta alla pagina Taratura UV.
Misurare in modo statico o durante il processo
Con una fonte fissa e un componente fisso, è sufficiente una misurazione statica dell'irradianza sul piano del componente; la dose deriva dall'irradianza e dal tempo di esposizione. Non appena il componente o la fonte si muove, l'irradianza sul componente diventa dipendente dal tempo. L'irradianza di picco, il profilo temporale e la dose integrata da esso devono quindi essere registrati – una singola lettura statica sotto la lampada non descrive il processo.
Come viene impostata una tale misurazione in linee a nastro, di stampa e di transito è trattato nella pagina misurazione UV per sistemi a nastro.
Quale strumento è adatto a quale compito
- Sorgente stabile con spettro noto, misura puntuale: un radiometro a banda larga tarato come RMD Pro o RM-12 con il sensore corrispondente all'intervallo spettrale.
- Sorgenti variabili, lunghezze d'onda LED, studi di invecchiamento: uno strumento a misura spettrale come UVpad, UVpad E o SR900 in laboratorio.
- Dose nel processo in corso: logger piatti come curelog o tinyTracker che percorrono la linea insieme al pezzo.
- Monitoraggio permanente dell'impianto: sensori UV installati in modo permanente con l'elettronica di valutazione adeguata.
Lo stesso vale per ciascuna di queste catene: sensore, valutazione e taratura devono corrispondere al valore di processo da dimostrare. Un ausilio alla scelta in base al compito di misura è disponibile nella categoria radiometri UV, e la distinzione tra le classi di strumenti nella pagina spettroradiometro o radiometro a banda larga.
Domande frequenti su irradianza e dose
Quale grandezza deve essere monitorata su un impianto UV?
Principalmente l'irradianza in W/m² nel punto accessibile più vicino al processo, e da essa la dose come integrale nel tempo in J/m². Per la conversione: 10 W/m² corrisponde a 1 mW/cm². Ad esse si aggiungono la temperatura del sensore e della sorgente. Una finestra di processo deve essere specificata in due dimensioni, con un limite inferiore e uno superiore per entrambe le grandezze. La potenza elettrica della lampada non è una grandezza misurata del processo.
In quale punto del processo viene effettuata la misurazione?
A livello del pezzo o del campione, dove il processo effettivamente avviene – non nel fascio libero e non all'alloggiamento della lampada. Le sorgenti estese e superficiali richiedono un'ottica di ingresso con correzione del coseno, altrimenti la radiazione incidente obliquamente viene sottopesata. Con sorgenti puntiformi e a spot l'irradianza cambia fortemente con la distanza; come regola empirica la distanza di misura dovrebbe essere almeno 10 volte la dimensione maggiore dell'area emittente.
Quanto è alta l'irradianza di un impianto UV rispetto al sole?
Il riferimento è il sole al livello del suolo: in condizioni ottimali circa 1.000 W/m² di radiazione globale, di cui circa 62 W/m² sono UVA e 5,6 W/m² UVB. Una camera di prova UVA con 80 W/m² si trova quindi a 1,3 volte, una camera UVB con 50 W/m² a nove volte quel valore. I sistemi UV-LED raggiungono 8.000 W/m² e oltre, circa 130 volte l'UVA solare. Nell'UVC non è possibile alcun confronto, poiché la radiazione sotto i 280 nm non raggiunge la superficie terrestre. Ogni fattore di questo tipo è accompagnato da altre due indicazioni: l'intervallo spettrale a cui si riferisce e il piano di misura in cui è stato misurato – senza entrambi, il numero non può essere verificato.
Autore: Dr. Mark Paravia
Il Dr.-Ing. Mark Paravia è l'amministratore delegato di Opsytec Dr. Gröbel GmbH a Ettlingen e dirige il laboratorio di taratura accreditato. In seguito alle sue ricerche sulle scariche a eccimeri di xeno pulsato presso l'Institute of Lighting Technology del KIT, oggi si concentra sulla misurazione della radiazione ottica. È vicepresidente del comitato normativo DIN FNL 7 "Radiazione ottica" e membro del gruppo di progetto DVGW sulla disinfezione UV.
