Mismatch spettrale per i sensori UV

Il mismatch spettrale è la differenza tra la responsività spettrale effettiva di un sensore UV e la funzione di ponderazione ideale e rettangolare. Si verifica in ogni sensore filtrato, poiché i filtri ottici non presentano bande di stop e di passaggio ideali. Di conseguenza, un sensore tarato su una particolare lampada mostrerà sistematicamente letture divergenti su una sorgente con uno spettro diverso.

A differenza dei luxmetri, i sensori UV sono progettati per spettri e intervalli spettrali diversi. Per garantire che un sensore UV abbia la sensibilità spettrale desiderata, vengono utilizzati filtri ottici specifici del produttore per adattare la sensibilità spettrale.

L'immagine seguente illustra la struttura di un sensore UV o radiometro, tipicamente utilizzato per misurare la radiazione ultravioletta. Il sensore è costituito da diversi filtri ottici e un fotodiodo. Gli altri componenti elettrici, l'amplificazione e la conversione analogico-digitale non sono mostrati qui.

Idealmente, la curva di sensibilità corrisponde a una funzione di pesatura costante e rettangolare. In pratica, tuttavia, si verificano delle deviazioni - il cosiddetto spectral mismatch. Questo descrive la differenza tra la sensibilità effettiva del sensore e la funzione di pesatura ideale. 

Le ragioni di ciò sono tipiche di tutti i sensori UV filtrati, poiché i filtri ottici utilizzati non presentano intervalli di taglio e di passaggio ideali né bordi del filtro "infinitamente" ripidi. Anche i fotodiodi mostrano una tipica sensibilità spettrale. 

Influenza della sensibilità spettrale

La sensibilità spettrale è una proprietà caratteristica di ogni sensore UV. Mentre i sensori dello stesso tipo mostrano caratteristiche simili, sensori diversi - a seconda del produttore, del tipo e dell'intervallo spettrale - differiscono in modo significativo.
Il valore misurato di un sensore UV dipende fortemente dallo spettro di emissione della fonte luminosa. Un sensore tarato per una fonte specifica (ad es. lampada a vapori di mercurio o LED UV) può mostrare deviazioni significative con una fonte diversa.
 

Il risultato del disallineamento spettrale è un'incertezza di misura dipendente dalla fonte. Ad esempio, se un sensore viene tarato con una lampada a banda larga ma utilizzato con un LED UV a banda stretta, il valore indicato può deviare dal valore effettivo reale di diverse decine di percento. Queste deviazioni sono riproducibili e quindi di natura sistematica.

Esempio di un disallineamento spettrale

Un sensore UV ha una funzione di pesatura reale (grigio), mentre la curva ideale (nero) descrive una risposta uniforme.

Per un LED a 400 nm, la sensibilità relativa è 1,0.
Per un LED a 425 nm, la sensibilità relativa scende a 0,9.

Il valore indicato è quindi inferiore di circa il 10 %. I moderni strumenti di misura come il radiometro RMD compensano internamente questo effetto, a condizione che il rispettivo tipo di lampada (ad es. 400 nm o 425 nm) sia selezionato correttamente.

Metodi per ridurre il mismatch spettrale

1. taratura in funzione della sorgente
Presso Opsytec, i sensori UV vengono tarati sulla lampada o sul LED effettivamente utilizzati per l'applicazione specifica. Per questo scopo sono disponibili in laboratorio numerose sorgenti UV industriali, al fine di adattare con precisione la taratura all'intervallo spettrale desiderato.

2. correzione matematica
Con i radiometri moderni, il fattore di taratura può essere salvato direttamente nel sensore. Il range di taratura appropriato - ad es. 365 nm per i LED UVA o 450 nm per i LED blu - viene semplicemente selezionato sullo strumento di misura. Per sistemi più vecchi o esterni, Opsytec può determinare un fattore di correzione, che viene indicato nel certificato di taratura.

3. utilizzo di spettroradiometri
Gli spettroradiometri acquisiscono lo spettro completo; il mismatch dovuto alle curve dei filtri viene eliminato, mentre la luce diffusa e la taratura della lunghezza d'onda rimangono fonti di incertezza. La taratura specifica per lunghezza d'onda significa che qualsiasi deviazione viene corretta per calcolo. I modelli UVpad e UVpad E sono particolarmente indicati per l'uso mobile.

Importanza per misure UV precise

La conoscenza e la correzione del mismatch sono quindi un presupposto per misure UV affidabili, in particolare nelle applicazioni con sorgenti a banda stretta o spettralmente variabili come i sistemi UV LED. Su richiesta, Opsytec effettua la taratura rispetto alla sorgente effettivamente utilizzata.

Se si deve misurare solo una lampada UV, il mismatch spettrale può essere corretto molto bene; è sufficiente indicare la lampada o l'applicazione.

Ad esempio, una lampada a vapori di mercurio a bassa pressione viene spesso utilizzata come sorgente di taratura per i rilevatori impiegati nella disinfezione. La taratura viene eseguita, ad esempio, nell'intervallo spettrale 200–280 nm o 240–290 nm.

Sebbene questo spettro efficace coprio un ampio intervallo di lunghezze d'onda, in pratica viene solitamente utilizzata solo la riga a 253,7 nm della lampada a vapori di mercurio per determinare la sensibilità del radiometro UV per questa singola riga spettrale.

Il risultato di questa taratura fornisce quindi un valore di taratura per una specifica condizione operativa, senza però fornire informazioni sulla sensibilità spettrale del rilevatore.

Se si desidera misurare molte diverse lampade UV e LED UV, si raccomanda uno spettroradiometro.
 

Per il lettore interessato:

Standard e norme di taratura

Il mismatch spettrale è descritto negli standard internazionali, in particolare nella CIE 220:2016 - Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers.
La raccomandazione è di far corrispondere la sorgente di taratura quanto più possibile alla sorgente luminosa effettiva dell'applicazione.

Per applicazioni con più lampade UV o LED UV, Opsytec raccomanda l'utilizzo di uno spettroradiometro per acquisire e valutare completamente lo spettro di emissione.
 

Cosa significa questo per il monitoraggio continuo in una linea di produzione – frequenza di campionamento, banda del sensore e interfaccia – viene trattato nella pagina applicativa tecnologia UV per l'automazione e l'integrazione dei processi.

Come viene calcolato il mismatch spettrale?
Tramite il fattore di mismatch F. Esso relaziona quello che la funzione di responsività ideale darebbe sulla sorgente misurata con quello che il sensore reale indica in quel punto – entrambi normalizzati rispetto alla sorgente di taratura:
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]
Sono necessarie quattro grandezze: l'irradianza spettrale della sorgente di taratura e della sorgente misurata, oltre alla responsività spettrale reale e ideale del sensore. La lettura viene moltiplicata per F. Poiché la deviazione è sistematica e riproducibile, può essere indicata come fattore di correzione fisso nel certificato di taratura oppure memorizzata nel radiometro come range di taratura.

Quanto è grande l'errore nella pratica?
Ciò dipende da quanto distanti siano spettralmente la sorgente di taratura e la sorgente misurata. All'interno di un'unica curva di responsività del sensore è spesso di alcuni punti percentuali: per un sensore la cui responsività relativa è 1,0 a 400 nm e 0,9 a 425 nm, il LED a 425 nm viene letto circa il 10 % in meno. Se invece un sensore tarato con una lampada a banda larga viene utilizzato su un LED UV a banda stretta, la lettura può deviare dal valore pesato reale di diverse decine di punti percentuali. La deviazione è riproducibile e quindi sistematica – può essere corretta, ma non può essere eliminata mediante misurazioni ripetute.

Come si può correggere il mismatch spettrale?
In tre modi. Primo, mediante taratura specifica per la sorgente: il sensore viene tarato rispetto alla lampada o al LED effettivamente utilizzato. Secondo, in modo computazionale – i radiometri moderni memorizzano il fattore di taratura nel sensore e sullo strumento viene selezionato il range corrispondente; per sistemi più vecchi o di terze parti è possibile determinare un fattore di correzione e indicarlo nel certificato di taratura. Terzo, con uno spettroradiometro, che acquisisce l'intero spettro ed è quindi in linea di principio esente da mismatch spettrale. Con un'unica sorgente da misurare, la correzione funziona molto bene; con molte sorgenti diverse lo spettroradiometro è la via sicura.

Perché una taratura a 253,7 nm non dice nulla sulla responsività spettrale?
Perché essa stabilisce soltanto un singolo punto operativo. Nella disinfezione, una lampada a vapori di mercurio a bassa pressione serve spesso come sorgente di taratura, e la taratura è riferita a un intervallo spettrale di circa 200–280 nm o 240–290 nm. In pratica ne viene utilizzata quasi esclusivamente la riga a 253,7 nm. Il risultato è un valore di taratura valido esattamente per quella condizione – esso non dice nulla sulla forma della responsività spettrale del rilevatore, e non è trasferibile ad altre sorgenti nello stesso intervallo spettrale. La CIE 220:2016 raccomanda pertanto di far corrispondere la sorgente di taratura quanto più possibile alla sorgente dell'applicazione.