Riktig måling av UV-dose og irradians

Irradians og UV-dose beskriver forskjellige egenskaper ved en UV-prosess. Irradians er den momentane strålingseffekten per areal; dosen – i standardterminologi stråleeksponeringen – er dens integral over tid. Pålitelige resultater krever at det spektrale området, måleområdet, kalibreringskilden, målavstanden og målegeometrien passer til bruksområdet. For bevegelige prosesser kommer tidsprofilen for bestrålingen i tillegg.

Denne siden sorterer størrelsene, angir hvilke faktorer som påvirker måleresultatet, og viser hvilken instrumentklasse som løser hvilken oppgave. Valget av spesifikke instrumenter er dekket i kategorien UV-målere og radiometre.

Irradians E er strålingseffekten som treffer en overflate, angitt i W/m² eller – vanlig i UV-teknikk – i mW/cm². Stråleeksponering H er integralet av denne over tid, angitt i J/m² eller mJ/cm². Der irradiansen er konstant over tid, er H = E · t; der den varierer, må den faktiske profilen integreres.

I praksis kalles stråleeksponering vanligvis «dose». Begrepet er etablert, men upresist: i vannbehandling beskriver fluens strålingen som treffer et volumelement fra alle retninger, mens dosen i fotobiologi i tillegg vektes med et virkningsspektrum. Alle som sammenligner verdier mellom anlegg, leverandører eller testrapporter, bør derfor alltid angi hvilken størrelse, hvilket spektralområde og hvilken målegeometri som er ment.

En avlesning er kun så pålitelig som forholdene den ble tatt under. Fem faktorer avgjør:

• Spektral følsomhet. Et bredbånds radiometer evaluerer kilden med sensorens følsomhetskurve. Hvis kildespekteret avviker fra kalibreringskilden, oppstår spektralt avvik – systematisk den største feilkilden ved skiftende kilder.
• Måle­geometri. Irradians fra en utstrakt eller flatekilde krever cosinuskorrigert inngangsoptikk. Uten cosinuskorreksjon undervurderes skrått innfallende stråling.
• Måleavstand og -plan. Mål der prosessen finner sted – i komponent- eller prøveplanet, ikke i fristrålen. For punkt- og spotkilder endres irradiansen sterkt med avstanden.
• Kalibrering. Kalibreringen må samsvare med det spektrale området, måleområdet og, så langt som mulig, typen kilde som brukes, og må være dokumentert sporbart.
• Måleområde, linearitet og temperatur. Svært høy irradians, pulsede kilder og forhøyet temperatur ved målepunktet begrenser hvilke sensorer som kan brukes.

Kalibreringer for radiometre og UV-sensorer utføres av det akkrediterte kalibreringslaboratoriet; fremgangsmåten er beskrevet under UV-kalibrering.

Med en stasjonær kilde og en stasjonær del er en statisk måling av irradians i komponentplanet tilstrekkelig; dosen følger av irradians og eksponeringstid. Så snart delen eller kilden beveger seg, blir irradians ved delen tidsavhengig. Toppirradians, tidsprofilen og dosen som er integrert fra den, må da registreres – en enkelt statisk avlesning under lampen beskriver ikke prosessen.

Hvordan en slik måling settes opp i transportbånd-, trykk- og gjennomløpslinjer, er beskrevet på siden UV-måling for transportbåndsystemer.

• Stabil kilde med kjent spektrum, punktmåling: et kalibrert bredbåndsradiometer som RMD Pro eller RM-12 med sensoren som passer til det spektrale området.
• Skiftende kilder, LED-bølgelengder, aldringsstudier: et spektralmålende instrument som UVpad, UVpad E eller SR900 i laboratoriet.
• Dose i den løpende prosessen: flate loggere som curelog eller tinyTracker som følger arbeidsstykket gjennom linjen.
• Permanent anleggsovervåking: permanent installerte UV-sensorer med passende evalueringselektronikk.

Det samme gjelder for hver av disse kjedene: sensor, evaluering og kalibrering må stemme med den prosessverdien som skal dokumenteres. En valghjelp etter måleoppgave finnes i kategorien UV-målere, og forskjellen mellom instrumentklassene på siden spektroradiometer eller bredbåndsradiometer.

Hvilken størrelse bør overvåkes på et UV-system?
Primært irradiansen i W/m² på det tilgjengelige punktet nærmest prosessen, og ut fra den dosen som et tidsintegral i J/m². For omregning: 10 W/m² tilsvarer 1 mW/cm². Sensor- og kildetemperatur hører med ved siden av dem. Et prosessvindu må angis i to dimensjoner, med en nedre og en øvre grense for begge størrelser. Den elektriske lampeeffekten er ikke en målt størrelse i prosessen.

Hvor i prosessen tas målingen?
I nivå med delen eller prøven, der prosessen faktisk finner sted – ikke i fristrålen og ikke ved lampehuset. Utstrakte kilder og flatekilder krever kosinuskorrigert inngangsoptikk, ellers blir skrått innfallende stråling undervektet. Med punkt- og spotkilder endrer irradiansen seg sterkt med avstanden; som tommelfingerregel bør måleavstanden være minst 10 ganger den største dimensjonen til den utstrålende flaten.

Hvor høy er irradiansen til et UV-system sammenlignet med solen?
Referansen er solen ved bakkenivå: under optimale forhold ca. 1 000 W/m² globalstråling, hvorav ca. 62 W/m² er UVA og 5,6 W/m² UVB. Et UVA-testkammer med 80 W/m² ligger derfor på 1,3 ganger, et UVB-kammer med 50 W/m² på ni ganger denne verdien. UV-LED-systemer når 8 000 W/m² og mer, omtrent 130 ganger solens UVA. I UVC-området er ingen sammenligning mulig, fordi stråling under 280 nm ikke når jordoverflaten. Hver slik faktor følges av to ytterligere opplysninger: hvilket spektralområde den gjelder for, og hvilket måleplan den ble målt i – uten begge kan tallet ikke verifiseres.

Dr.-Ing. Mark Paravia er daglig leder for Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen og leder det akkrediterte kalibreringslaboratoriet. Etter sin forskning på pulserende xenon-eksimerutladninger ved Institute of Lighting Technology ved KIT, er hans fokus i dag optisk strålingsmåling. Han er nestleder for DIN-standardkomiteen FNL 7 «Optical radiation» og medlem av DVGW-prosjektgruppen for UV-desinfeksjon.