UV-dosis en bestralingssterkte correct meten
Bestralingssterkte en UV-dosis beschrijven verschillende eigenschappen van een UV-proces. Bestralingssterkte is het momentane stralingsvermogen per oppervlakte; de dosis – in normterminologie de stralingsexpositie – is de integraal daarvan over de tijd. Betrouwbare resultaten vereisen dat het spectrale bereik, het meetbereik, de kalibratiebron, de meetafstand en de meetgeometrie op de toepassing zijn afgestemd. Bij bewegende processen komt daar het tijdsverloop van de bestraling bij.
Deze pagina brengt de grootheden in kaart, benoemt de invloeden op het meetresultaat en laat zien welke instrumentklasse welke taak oplost. De keuze van specifieke instrumenten wordt behandeld in de categorie UV-meters en radiometers.
Bestralingssterkte, stralingsexpositie en dosis
Bestralingssterkte E is het stralingsvermogen dat op een oppervlak invalt, uitgedrukt in W/m² of – gebruikelijk in de UV-techniek – in mW/cm². Stralingsexpositie H is de integraal daarvan over de tijd, uitgedrukt in J/m² of mJ/cm². Wanneer de bestralingssterkte constant is over de tijd, geldt H = E · t; wanneer deze varieert, moet het werkelijke verloop worden geïntegreerd.
In de praktijk wordt stralingsexpositie meestal "dosis" genoemd. De term is ingeburgerd maar niet nauwkeurig: bij waterdesinfectie beschrijft fluentie de straling die vanuit alle richtingen op een volume-element invalt, terwijl in de fotobiologie de dosis bovendien wordt gewogen met een actiespectrum. Wie waarden tussen installaties, leveranciers of testrapporten wil vergelijken, moet daarom altijd aangeven welke grootheid, welk spectraal bereik en welke meetgeometrie bedoeld worden.
Grootheden, eenheden en betekenis
| Grootheid | Eenheid | Betekenis |
|---|---|---|
| Bestralingssterkte E | W/m², mW/cm² | momentaan stralingsvermogen per oppervlakte op het meetpunt |
| Stralingsexpositie H ("dosis") | J/m², mJ/cm² | integraal van de bestralingssterkte over tijd |
| Spectrale bestralingssterkte E(λ) | W/(m²·nm) | verdeling van de bestralingssterkte over de golflengte |
| Fluentie | J/m² | straling die vanuit alle richtingen op een volume-element aankomt |
| Effectieve bestralingssterkte | W/m² | spectraal gewogen met een actiespectrum, bijvoorbeeld erythemaal effectief |
| Fotonenfluxdichtheid (PPFD) | µmol/(m²·s) | aantal fotonen per oppervlakte en tijd, gangbaar in de fotobiologie |
Wat het meetresultaat bepaalt
Een meetwaarde is slechts zo betrouwbaar als de omstandigheden waaronder deze is bepaald. Vijf invloeden zijn bepalend:
- Spectrale gevoeligheid. Een breedbandige radiometer beoordeelt de bron met de gevoeligheidscurve van zijn sensor. Als het spectrum van de bron afwijkt van de calibratiebron, treedt spectrale mismatch op – systematisch de grootste fout bij wisselende bronnen.
- Meetgeometrie. Bestralingssterkte van een uitgebreide bron of vlakke bron vereist cosinusgecorrigeerde invoeroptiek. Zonder cosinuscorrectie wordt schuin invallende straling onderschat.
- Meetafstand en meetvlak. Meet daar waar het proces plaatsvindt – in het vlak van het onderdeel of het monster, niet in de vrije bundel. Bij punt- en spotbronnen verandert de bestralingssterkte sterk met de afstand.
- Kalibratie. De kalibratie moet overeenkomen met het spectrale bereik, het meetbereik en, zo mogelijk, het type gebruikte bron, en moet herleidbaar zijn gedocumenteerd.
- Meetbereik, lineariteit en temperatuur. Zeer hoge bestralingssterkte, gepulste bronnen en verhoogde temperaturen op het meetpunt beperken de sensoren die kunnen worden gebruikt.
Kalibraties voor radiometers en UV-sensoren worden uitgevoerd door het geaccrediteerde kalibratielaboratorium; de procedure wordt beschreven onder UV-kalibratie.
Statisch of tijdens het proces meten
Bij een stationaire bron en een stationair onderdeel is een statische meting van de bestralingssterkte in het vlak van het onderdeel voldoende; de dosis volgt uit de bestralingssterkte en de bestralingstijd. Zodra het onderdeel of de bron beweegt, wordt de bestralingssterkte op het onderdeel tijdsafhankelijk. De piekbestralingssterkte, het tijdsprofiel en de daaruit geïntegreerde dosis moeten dan worden geregistreerd – een enkele statische aflezing onder de lamp beschrijft het proces niet.
Hoe zo'n meting wordt opgezet in transportband-, druk- en doorvoerlijnen, wordt behandeld op de pagina UV-meting voor transportbandsystemen.
Welk instrument past bij welke taak
- Stabiele bron met een bekend spectrum, puntmeting: een gekalibreerde breedbandradiometer zoals RMD Pro of RM-12 met de sensor die past bij het spectrale bereik.
- Wisselende bronnen, LED-golflengtes, verouderingsstudies: een spectraal meetinstrument zoals UVpad, UVpad E of SR900 in het laboratorium.
- Dosis in het lopende proces: platte loggers zoals curelog of tinyTracker die samen met het werkstuk door de lijn gaan.
- Permanente installatiebewaking: vast geïnstalleerde UV-sensoren met geschikte uitleeselektronica.
Voor elk van deze ketens geldt hetzelfde: sensor, uitlezing en kalibratie moeten aansluiten bij de te bewijzen procesgrootheid. Een keuzehulp per meettaak vindt u in de categorie UV-meters, en het onderscheid tussen de instrumentklassen op de pagina spectroradiometer of breedbandradiometer.
Veelgestelde vragen over bestralingssterkte en dosis
Welke grootheid moet bij een UV-systeem worden bewaakt?
Primair de bestralingssterkte in W/m² op het toegankelijke punt dat het dichtst bij het proces ligt, en daaruit de dosis als tijdsintegraal in J/m². Voor de omrekening: 10 W/m² komt overeen met 1 mW/cm². Sensor- en brontemperatuur horen daarnaast te worden gemeten. Een procesvenster moet in twee dimensies worden gespecificeerd, met een onder- en een bovengrens voor beide grootheden. Het elektrische lampvermogen is geen meetgrootheid van het proces.
Waar in het proces wordt de meting uitgevoerd?
Op het niveau van het onderdeel of het monster, waar het proces daadwerkelijk plaatsvindt – niet in de vrije straal en niet bij de lamphuisbehuizing. Uitgebreide bronnen en vlakke bronnen vereisen cosinusgecorrigeerde invoeroptiek, anders wordt schuin invallende straling onderbewogen. Bij punt- en spotbronnen verandert de bestralingssterkte sterk met de afstand; als vuistregel moet de meetafstand ten minste 10 maal de grootste afmeting van het uitstralende oppervlak zijn.
Hoe hoog is de bestralingssterkte van een UV-systeem in vergelijking met de zon?
De referentie is de zon op grondniveau: onder optimale omstandigheden ongeveer 1.000 W/m² globale straling, waarvan circa 62 W/m² UVA en 5,6 W/m² UVB. Een UVA-testkamer met 80 W/m² ligt daarmee op 1,3 maal, een UVB-kamer met 50 W/m² op negen maal die waarde. UV-LED-systemen bereiken 8.000 W/m² en meer, ongeveer 130 maal de zonne-UVA. In het UVC is geen vergelijking mogelijk, omdat straling onder 280 nm het aardoppervlak niet bereikt. Bij elke dergelijke factor horen nog twee verdere gegevens: het spectrale bereik waarop deze betrekking heeft en het meetvlak waarin deze is gemeten – zonder beide kan het getal niet worden gecontroleerd.
Auteur: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia is algemeen directeur van Opsytec Dr. Gröbel GmbH in Ettlingen en leidt het geaccrediteerde kalibratielaboratorium. Na zijn onderzoek naar gepulseerde xenon-excimerontladingen aan het Institute of Lighting Technology van het KIT, ligt zijn focus vandaag op optische stralingsmeting. Hij is vicevoorzitter van het DIN-normcomité FNL 7 „Optische straling" en lid van de DVGW-projectgroep over UV-desinfectie.
