Grandezze radiometriche con simboli e unità

Le grandezze radiometriche descrivono la radiazione elettromagnetica in termini energetici, indipendentemente dalla sensibilità dell'occhio – nell'uso tecnico soprattutto la radiazione UV e IR. Le quattro grandezze fondamentali sono il flusso radiante Φ in watt, l'irradianza E in W/m² o mW/cm², la radianza L e l'intensità radiante I. Il campo si chiama radiometria; le corrispondenti grandezze pesate sull'occhio sono le grandezze fotometriche.

Le grandezze radiometriche sono grandezze misurate che si riferiscono alla radiazione elettromagnetica totale. Nelle applicazioni tecniche, questa viene utilizzata come radiazione UV o radiazione IR. Il campo si chiama radiometria. La radiazione viene classificata in base alla lunghezza d'onda della radiazione.

Il seguente diagramma mostra le quattro grandezze radiometriche. La tabella contiene una rappresentazione visiva, la definizione matematica, l'unità e una breve spiegazione per ciascuna grandezza.

1. Flusso radiante Φ
2. Irradianza E
3. Radianza L
4. Intensità radiante I

Tabella da scaricare: Grandezze e unità radiometriche (XLSX) – con fattori di conversione e gli intervalli spettrali secondo DIN/ISO 20473. Gli equivalenti ponderati sull'occhio sono elencati in grandezze fotometriche, quelli relativi al colore in grandezze colorimetriche, i limiti di banda in intervalli spettrali e norme. Tutte le grandezze insieme – con simbolo, unità e il relativo strumento di calcolo – si trovano nel glossario delle grandezze ottiche.

Flusso radiante

Il flusso radiante, noto anche come potenza radiante, è la quantità totale di energia emessa da una fonte di radiazione in tutte le direzioni per unità di tempo. L'unità del flusso radiante è il watt (W).

• Simbolo della formula: Φ
• Unità: W
• Definizione: La potenza radiante totale emessa.

Esempio:

Una lampada a incandescenza standard con una potenza assorbita di 60 watt emette circa 57 watt come flusso radiante, mentre il resto viene perso come calore. Questi 57 watt sono distribuiti tra lo spettro visibile e l'infrarosso.

Il flusso radiante viene misurato in una sfera integratrice.

Irradianza

L'irradianza è una grandezza fisica che descrive la densità di potenza della radiazione che colpisce una superficie. È definita come la potenza radiante per area incidente su un elemento di superficie. L'unità dell'irradianza è watt per metro quadrato (W/m²) o milliwatt per centimetro quadrato (mW/cm²). Un misuratore UV è adatto per misurare l'irradianza.

• Simbolo della formula: E
• Unità: W/m², mW/cm²
• Definizione: Potenza radiante incidente su un elemento di superficie, riferita alla sua area.

L'irradianza indica quanta energia sotto forma di radiazione cade su una determinata superficie per unità di tempo. La radiazione incidente obliquamente conta con il coseno dell'angolo di incidenza; le testine di misura sono quindi corrette con il coseno.
Suggerimento: Convertire W/m² in mW/cm²

Esempio:

L'irradianza media del sole sulla superficie terrestre in una giornata serena è di circa 1000 W/m². Ciò significa che ogni metro quadrato della superficie terrestre riceve 1000 watt di radiazione.

L'irradianza viene misurata con un radiometro.

Radianza

La radianza è una grandezza fisica che descrive la potenza radiante emessa da una fonte di radiazione per unità di superficie e per unità di angolo solido. Si misura in watt per metro quadrato per steradiante (W/(m²-sr)).

• Simbolo della formula: L
• Unità: W/(sr m²)
• Definizione: Quoziente del flusso radiante emesso e del prodotto dell'elemento di superficie e dell'angolo solido.

La radianza tiene conto sia dell'area della fonte di radiazione sia dell'angolo solido con cui la radiazione viene emessa.

Esempio:

Il sole ha un'elevata radianza perché emette una grande quantità di energia radiante nello spazio su un'area relativamente piccola.

Intensità radiante

L'intensità radiante è una grandezza fisica che descrive il flusso di radiazione in una determinata direzione per unità di angolo solido. Viene utilizzata per indicare l'intensità della radiazione in una direzione specifica. L'unità dell'intensità radiante è watt per steradiante (W/sr).

• Simbolo della formula: I
• Unità: W/sr
• Definizione: Quoziente del flusso radiante emesso in una direzione definita e dell'elemento di angolo solido.

L'intensità radiante descrive la quantità di energia emessa da una fonte di radiazione in una direzione specifica all'interno di un angolo solido. È una misura della dipendenza direzionale della potenza radiata.

Esempio:

Un LED con un flusso radiante di 1 W ha un'intensità radiante di 10 W/sr se emette la luce con un angolo solido di 0,1 sr. Ciò significa che l'energia emessa è fortemente concentrata su un piccolo angolo solido.

Qual è la differenza tra irradianza e dose?
L'irradianza E (W/m² o mW/cm²) è la potenza istantanea per unità di superficie; l'esposizione radiante – colloquialmente la dose – è il suo integrale nel tempo, H (J/m² o mJ/cm²). A irradianza costante, H = E · t. L'irradianza determina la velocità con cui si raggiunge una dose; se l'effetto desiderato si verifichi è invece deciso solitamente dalla dose. Entrambe le grandezze devono quindi essere documentate separatamente – un tempo da solo non costituisce prova.

Cosa distingue la fluenza dalla dose?
L'esposizione radiante si riferisce a una superficie ricevente fissa e piana e pesa la radiazione incidente obliquamente con il coseno dell'angolo di incidenza. La fluenza, invece, si riferisce a un oggetto che può ricevere radiazione da tutte le direzioni – ad esempio un microrganismo in un reattore o in un condotto d'aria. In un campo di radiazione diretto le due coincidono; in un campo diffuso la fluenza può essere considerevolmente maggiore dell'esposizione misurata su un piano. Dove questa differenza è determinante per il processo è illustrato in disinfezione UV.

Perché la potenza elettrica della lampada non è una grandezza misurabile?
Tra la potenza elettrica assorbita e l'effetto nel punto del processo si interpongono l'efficienza elettro-ottica, la distribuzione spettrale della sorgente, distanza e angolo di incidenza, la trasmittanza di finestre e guaine protettive, e contaminazione e invecchiamento. Nessuno di questi fattori è costante durante la vita utile. La potenza nominale descrive quindi lo stato di funzionamento della sorgente, non il risultato sul pezzo in lavorazione, sull'organismo o sul campione. Come questo diventi un rilascio di processo affidabile in un impianto è trattato in automazione e integrazione di processo.

Cosa distingue l'irradianza dalla radianza?
L'irradianza è una grandezza del ricevitore: descrive ciò che arriva su una superficie, indipendentemente dalla direzione. La radianza è una grandezza della sorgente: descrive ciò che una sorgente emette per unità di superficie e angolo solido. Il rilascio di un processo dipende dall'irradianza nel punto di azione; la valutazione di sorgenti estese secondo IEC 62471, invece, dipende dalla radianza – vedere sicurezza sul lavoro e sicurezza fotobiologica.

Quando è sufficiente una misura a banda larga e quando è necessaria una misura spettrale?
Una misura a banda larga è sufficiente se la sorgente è nota e spettralmente stabile e il sensore è stato tarato proprio su quella sorgente. Una misura spettrale è necessaria non appena si confrontano diverse tecnologie di sorgente, lo spettro si sposta a causa di invecchiamento o dimmerazione, deve essere applicato uno spettro d'azione, oppure devono essere valutate separatamente diverse bande spettrali. L'errore alla base di ciò è lo spectral mismatch.