Werking van UV-sensoren: opbouw en meetfouten

Een UV-sensor zet optische straling om in een elektrisch signaal. De meetwaarde ontstaat door detector, filter, optiek, elektronica, kalibratie en meetgeometrie; het is daarom nooit uitsluitend een eigenschap van de detector. Voor de vergelijkbaarheid van UV-metingen zijn vooral de spectrale gevoeligheid, de cosinusrespons, het dynamisch bereik, strooilicht en de overeenstemming met de daadwerkelijke bron van belang.

Deze pagina volgt het signaalpad en laat zien waar meetfouten daarlangs ontstaan. Breedbandradiometers en spectroradiometers dienen als de twee uitvoeringen waarin verschillende foutenbronnen het duidelijkst naar voren komen. Voor de hoekgevoeligheid zijn beide termen gebruikelijk: cosinuscorrectie verwijst naar de maatregel die aan de sensor is getroffen, cosinusrespons naar het resultaat.

Elke UV-meting begint met de vraag welke grootheid moet worden bepaald. In de industriële praktijk is dit vrijwel altijd de bestralingssterkte E in W/m², het stralingsvermogen dat op een oppervlak terechtkomt. Geïntegreerd over de tijd wordt de bestralingssterkte de stralingsexpositie H in J/m², vaak de "dosis" genoemd – de bepalende grootheid bij veilige UV-desinfectie net zo goed als bij UV-uitharding. De omrekening tussen beide wordt afgehandeld door onze radiometriecalculator voor UV en licht.

Voor een puntvormige bron die in alle richtingen straalt, geldt de omgekeerde-kwadratenwet: verdubbel de meetafstand en dezelfde stralingsflux wordt verspreid over een vier keer zo groot oppervlak, waardoor de bestralingssterkte tot een kwart daalt.

Deze wet geldt onder één voorwaarde die in de praktijk regelmatig wordt genegeerd: de bron moet, gezien vanuit de sensor, puntvormig zijn. De gevestigde vuistregel is een meetafstand van r ≥ 10 · d, waarbij d de grootste afmeting van het stralende oppervlak is.

Twee verdere voorwaarden zijn even belangrijk: de oriëntatie van de sensor ten opzichte van de bron, en de vraag welk spectraal bereik überhaupt wordt gewogen. Beide leiden rechtstreeks tot het ontwerp van de instrumenten.

Een breedbandradiometer weegt de binnenkomende straling met een vaste spectrale gevoeligheidsfunctie s(λ) die in de optiek is ingebouwd en geeft een enkel getal terug. De meetkop is een stapeling van optische componenten, en hun volgorde is geen toeval.

Optisch venster. Meestal kwartsglas, omdat gewoon soda-kalkglas onder ongeveer 300 nm vrijwel opaak is. Het venster beschermt de componenten erachter en dicht de kop af tegen procesmedia.

Diffusor. Deze verstrooit de binnenkomende straling en creëert daardoor de cosinusvormige hoekrespons. De diffusor is geen accessoire, maar de component die de meetwaarde überhaupt tot een oppervlaktegerelateerde grootheid maakt.

Filterstapel. Hier ontstaat de daadwerkelijke spectrale weging – doorgaans uit een combinatie van interferentiefilters en gekleurd glas. De stapel bepaalt of het instrument UV-A, UV-B, UV-C of een toepassingsspecifiek actiespectrum meet.

Detector. Siliciumfotodiodes zijn de standaard; voor UV-C-toepassingen worden steeds meer SiC-diodes gebruikt, omdat deze intrinsiek blind zijn voor zichtbaar licht en daardoor de filterstapel ontlasten.

Een transimpedantieversterker zet vervolgens de fotostroom om in een spanning, en een A/D-converter digitaliseert deze. Het grote voordeel van dit ontwerp: een fotostroom kan lineair worden gemeten over vele decaden. Radiometers behalen daardoor een dynamisch bereik dat een arrayspectrometer niet kan evenaren – en ze zijn robuust, compact en relatief goedkoop.

ASTM G130-12(2020) classificeert deze instrumenten op basis van de halfwaardebreedte Δλ van hun gevoeligheidsfunctie in smalbandradiometers (Δλ ≤ 20 nm), breedbandinstrumenten (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) en wijdbandinstrumenten (Δλ ≥ 70 nm). Deze classificatie is meer dan terminologie: hoe breder het spectrale bereik, hoe sterker de meetwaarde afhangt van het spectrum van de te meten bron.

Een spectroradiometer splitst de straling op in zijn spectrale componenten en meet de spectrale bestralingssterkte E(λ) in W/(m²·nm). Elk spectraal bereik en elk actiespectrum kan vervolgens door berekening worden afgeleid van dat spectrum – en precies daarin ligt de veelzijdigheid van deze instrumentklasse.

De optische weg begint, net als bij de radiometer, met een invoeroptiek, meestal een diffusor die als cosinusontvanger fungeert. Een optische vezel voert de straling naar de ingangsspleet. Een collimerende spiegel vormt een parallelle bundel die op een optisch tralie valt. Het tralie splitst de straling naar golflengte, en een focusserende spiegel projecteert het resulterende spectrum op een detectorarray – CCD of CMOS.

Hoe elegant het principe ook is, de fysische zwakte ervan is onvergeeflijk. Een tralie produceert niet alleen de gewenste eerste diffractieorde, maar ook hogere orden die uit de bundelweg moeten worden gestuurd. Daarbij komt verstrooiing aan spiegels, houders en behuizingsoppervlakken. Beide mechanismen zorgen ervoor dat langgolvige signaalcomponenten terechtkomen op de positie van een korte golflengte.

Een breedbandige radiometer meet nooit "de UV-A-straling". Hij vormt een gewogen integraal van het product van het bronspectrum en de responsiviteitsfunctie. Zolang het spectrum van de gemeten bron overeenkomt met dat van de kalibratielamp, is dit geen probleem. Wanneer het afwijkt, treedt de spectrale-mismatchfout op.

Het wordt vooral kritisch wanneer de emissie van het testobject op een flank van de responsiviteitscurve valt. Fabricagetoleranties van het filter vertalen zich dan direct in de meetwaarde. Dit is geen theoretisch probleem: voor een UV-B-longpassfilter van het type WG320 kan de 50%-flank binnen de fabrieksspecificatie ergens liggen tussen ongeveer 314 nm en 326 nm. Afhankelijk van welk exemplaar is ingebouwd, levert dezelfde bron afwijkingen op die variëren van enkele tienden van een procent tot een percentage in de enkele cijfers – zonder dat het instrument "defect" is.

CIE 220:2016 "Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (opgesteld door CIE-commissie TC 2-47) beschrijft een systematische aanpak. Het rapport draagt de kwaliteitsindices die bekend zijn uit de fotometrie volgens ISO/CIE 19476:2014 over naar UV-radiometers – waaronder f1′ voor spectrale mismatch, f2 voor hoekresponsie, f3 voor lineariteit, plus indices voor vermoeiing, temperatuur- en vochteffecten. Omdat UV-radiometers, in tegenstelling tot lichtsterktemeters, niet zijn ontworpen voor één enkele referentielichtbron, definieert CIE 220:2016 drie referentiespectra en voegt het in de bijlage tien reële bronspectra toe – van lage- en hogedrukkwiklampen tot xenon- en HMI-bronnen tot het zonnespectrum.

Praktisch gevolg: wie de spectrale responsiviteit van zijn radiometer en het spectrum van zijn bron kent, kan de mismatchfactor berekenen en als correctiefactor toepassen. Dit vereist wel dat de fabrikant de individueel gemeten relatieve spectrale responsiviteit en het spectrum van de kalibratielamp in het kalibratiecertificaat vermeldt.

Meten in het UV-C-gebied brengt een probleem met zich mee dat op het eerste gezicht paradoxaal lijkt: het probleem is niet het UV, maar alles daaromheen. Een middendruk-kwiklamp zendt vele malen meer vermogen uit in het zichtbare en nabij-infrarode gebied dan in het UV-C-spectrale bereik. Als slechts een fractie van dat vermogen op het 254 nm-kanaal binnen het instrument verstrooit, ontstaat daar een schijnbaar signaal dat de werkelijke aflezing kan overschrijden. Hoe uitgesproken deze onbalans is bij een bepaalde lamp, laat de verkenner van de spectrale database zien.

De ordes van grootte verschillen dramatisch: een dubbelmonochromator bereikt een relatief strooilicht van circa 10⁻⁷ tot 10⁻⁹, een array-spectrometer ligt op 10⁻³ tot 10⁻⁵, en een micro-array-spectrometer slechts op 10⁻¹ tot 10⁻².

Een dubbelmonochromator laat de straling tweemaal over een tralie passeren en onderdrukt strooilicht daardoor met meerdere decaden meer dan een enkeltraps systeem. De prijs daarvoor is omvang, meettijd en kosten – daarom wordt deze eerder als laboratoriumreferentie-instrument ingezet dan in het veld.

De situatie wordt verergerd door de infraroodgevoeligheid van op silicium gebaseerde detectorarrays: zij zijn juist daar het gevoeligst waar de storende straling het sterkst is. Zonder geschikte ordefilters en een gedocumenteerde strooilichtcorrectie kennen UV-C-metingen met compacte array-spectrometers aanzienlijke en vaak onbekende onzekerheden.

Bestralingssterkte wordt gedefinieerd als stralingsvermogen per oppervlakte-eenheid – gemeten op een vlak oppervlak. Wanneer straling schuin invalt, wordt dezelfde flux over een groter oppervlak verdeeld, waardoor het signaal moet afnemen volgens cos θ. Een reële sensor benadert dit slechts: bij grote invalshoeken treden reflecties op aan de grensvlakken.

De kwaliteitsindex f2 beschrijft de gemiddelde afwijking van de ideale cosinuscurve. Deze is bepalend overal waar straling niet loodrecht invalt: in UV-desinfectiereactoren, in bestralingskamers met reflecterende wanden, bij het uitharden van banen. In een kamer met sterk reflecterende wanden kan de diffuse component de directe component overtreffen – een sensor met een slechte hoekrespons meet dan systematisch te laag.

In de praktijk blijkt de kwaliteit van de cosinuscorrectie vaak al uit het ontwerp zelf: uit de grootte en diffusiviteit van de invoeroptiek, en uit hoever deze boven de rand van de behuizing uitsteekt.

De in de UV-technologie gebruikte bronnen verschillen in spectrale bestralingssterkte met meer dan zeven decaden – van de deuteriumlamp die als kalibratiestandaard wordt gebruikt tot de 6 kW-kwiklamp in een uithardingslijn.

Een volledig digitale radiometer bestrijkt dit bereik door fotostroommeting en bereikomschakeling. Een array-spectrometer wordt beperkt door de full-well-capaciteit van de pixels en door de uitleesruisdrempel; deze werkt via aanpassing van de integratietijd, wat meettijd kost en aan beide uiteinden van het bereik tegen grenzen aanloopt.

Hetzelfde onderscheid geldt voor de analoog-digitaalomzetter. De resolutie ervan – 12, 16 of 24 bit – bepaalt hoe fijn de meetwaarde wordt weergegeven en hoe breed het bruikbare dynamische bereik is. Dit zegt niets over de meetnauwkeurigheid: die volgt uit de kalibratie en uit de spectrale overeenkomst met de te meten bron.

Een gemeten waarde zonder metrologische herleidbaarheid is een getal zonder referentiekader. De metrologische keten loopt van het nationale metrologie-instituut tot aan het instrument op de productielijn – en de onzekerheid neemt bij elke stap toe.

Aan de top staat het nationale metrologie-instituut – PTB in Duitsland, NIST in de Verenigde Staten – dat de eenheid realiseert. Daaronder volgt het kalibratielaboratorium geaccrediteerd volgens ISO/IEC 17025, dat werkt met eigen standaarden en waarvan de bekwaamheid regelmatig wordt beoordeeld door een accreditatie-instantie. Testlaboratoria meten volgens een schriftelijke procedure. Een fabriekskalibratie kan best herleidbaar zijn, maar wordt niet geborgd door onafhankelijke beoordeling. Helemaal onderaan staat de niet-herleidbare kalibratie: deze levert reproduceerbare getallen, maar geen verdedigbare meetonzekerheid.

De gebruikelijke route begint bij een spectrale standaard – een 1000 W FEL-lamp voor het UV-A- en zichtbare gebied, een deuteriumlamp voor het kortgolvige gebied. Een spectroradiometer wordt tegen deze standaard gekalibreerd (ASTM G138-12(2020)e1). De gekalibreerde spectroradiometer meet vervolgens een productiegelijkende UV-lamp – dat wil zeggen een bron die spectraal zo veel mogelijk overeenkomt met het uiteindelijke meetobject. De referentieradiometer wordt tegen die lamp gekalibreerd (ASTM G130-12(2020)), en van daaruit wordt de kalibratie uiteindelijk overgedragen naar de veldinstrumenten (ASTM E824-26).

De kunst schuilt in de derde stap: door een productiegelijkende lamp als overdrachtsbron te gebruiken, wordt de radiometer gekalibreerd onder dezelfde spectrale omstandigheden waarin hij later zal meten. Spectrale mismatch – de belangrijkste foutbron van de breedbandradiometer – wordt daardoor grotendeels geëlimineerd. Precies daarom kan een correct gekalibreerde breedbandradiometer voor een bekend lamptype nauwkeuriger presteren dan een spectroradiometer.

Twee lampfamilies dienen de kalibratie zelf: lijnbronnen, zoals lagedruk-kwiklampen, voor de golflengtekalibratie, en continuümbronnen – deuterium- en wolfraam-halogeenlampen – voor de kalibratie van de spectrale gevoeligheid. Halogeenlampen vereisen bijzondere zorg, omdat hun sterke langgolvige uitstraling binnen het instrument wordt verstrooid en, indien niet gecorrigeerd, precies de strooilichtfout veroorzaakt die men probeert te meten.

Voor de meetonzekerheid betekent dit: het kalibratiecertificaat levert niet alleen een factor, het definieert ook de bron en de geometrie waarvoor die factor geldt. Hoe verder de meting afwijkt van die omstandigheden, hoe groter de bijdrage van de kalibratie aan de totale onzekerheid. Hoe de kalibratie in detail werkt, is beschreven onder de UV-kalibratieprocedure.

CIE 250:2022 "Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) is de huidige referentietekst voor spectroradiometrische metingen in het bereik van 200 nm tot 2500 nm. Hij vervangt de bijna veertig jaar oude CIE 063-1984 en geeft een gedetailleerd overzicht van de fysische effecten die in aanmerking moeten worden genomen bij het schatten van de meetonzekerheid.

In de praktijk is een karakteristiek patroon te zien: de kleinst haalbare meetonzekerheid is het grootst in het kortgolvige UV en neemt af naar langere golflengten toe. Typische waarden voor geaccrediteerde kalibraties liggen rond 6 % in het bereik nabij 200–230 nm, ongeveer 3,5 % in het UV-B en UV-A, en net onder 3 % in het zichtbare bereik (uitgebreide meetonzekerheid, k = 2). De redenen voor dit patroon zijn fysisch van aard: lagere stralingsdichtheid van de standaarden, sterkere strooilichteffecten en de grotere gevoeligheid van optische materialen voor veroudering en verontreiniging.

Elk van de twee ontwerpen heeft precies één dominante foutenbron, en de twee zijn complementair: spectrale mismatch voor de breedbandradiometer, strooilicht voor de spectroradiometer. De keuze volgt daaruit:

• Als het lamptype bekend is en constant blijft, levert een geschikt gekalibreerde breedbandradiometer de kleinere meetonzekerheid op – met een groter dynamisch bereik, kortere responstijd en grotere robuustheid.
• Als de bron verandert, onbekend is, of een actiespectrum moet worden geëvalueerd, is er geen ontkomen aan de spectrale meting.
• In veel installaties is de combinatie de beste oplossing: spectrale verificatie op langere intervallen, continue procesbewaking door breedbandmeting.

De volledige vergelijking naast elkaar, criterium voor criterium, staat onder het kiezen van een breedbandradiometer of een spectroradiometer.

Waarom vraagt een UV-C-meting bijzondere zorg?
Omdat de meeste UV-bronnen orden van grootte meer vermogen uitstralen in het zichtbare en infrarode gebied dan in UV-C – en op siliciumbasis gebaseerde detectoren zijn net in dat gebied het meest gevoelig. Strooilicht binnen het instrument kan daardoor een schijnbaar UV-C-signaal opleveren dat groter is dan het werkelijke signaal.

Wat is spectrale mismatch?
De fout die ontstaat wanneer het spectrum van de gemeten bron afwijkt van het spectrum van de lamp die is gebruikt om het instrument te kalibreren. CIE 220:2016 beschrijft hoe dit te kwantificeren is en hoe het als correctiefactor toegepast kan worden.

Op welke afstand van de lamp moet er gemeten worden?
Ver genoeg zodat de bron zich, gezien vanuit de sensor, als puntbron gedraagt – als vuistregel minstens tien keer de grootste afmeting van de bron. Metingen op kortere afstand blijven geldige waarden, maar mogen niet met de kwadratenwet naar andere afstanden worden omgerekend.

Waarom is het kalibratiecertificaat zo belangrijk?
Omdat het de kalibratiebron, de spectrale gevoeligheid en de meetonzekerheid vermeldt. Zonder deze drie gegevens kan een meetwaarde niet worden vergeleken met een grenswaarde, met een ander instrument of met een eerdere meting.

Hoe beïnvloedt temperatuur de bestralingssterkte?
Temperatuur werkt op beide kanten van de meting in: de fotodiode en de filters van een sensor zijn temperatuurafhankelijk, sterker in UVC dan in UVA, en zowel kwiklampen als UV-LED's veranderen zowel stralingsvermogen als piekgolflengte met de bedrijfstemperatuur. Reproduceerbare waarden vereisen daarom een vastgelegde bedrijfstemperatuur en een vaste, gedocumenteerde afstand.

Zes vragen bepalen of een UV-meting betrouwbaar is:

• Komt de spectrale gevoeligheid overeen met de emissie van de bron en de beoogde wegingsfunctie?
• Wordt gerichte of ruimtelijk verdeelde straling gemeten, en is de hoekrespons daarvoor geschikt?
• Ligt de meetwaarde veilig binnen het meetbereik en het dynamisch bereik?
• Kunnen secundaire golflengten of strooilicht het resultaat vertekenen?
• Verwijst de kalibratie naar een voldoende vergelijkbare bron en geometrie?
• Is de meetonzekerheid klein genoeg voor de procesgrens?

Zoek de juiste sensor: De UV Sensor Finder stelt de drie best passende UV-sensoren en meters voor op basis van toepassing, golflengte en vormfactor – met kernwaarden, systeempartner en redenen.