Slik fungerer UV-sensorer: konstruksjon og målefeil

En UV-sensor omdanner optisk stråling til et elektrisk signal. Måleverdien oppstår gjennom detektor, filter, optikk, elektronikk, kalibrering og målegeometri; den er derfor aldri en egenskap ved detektoren alene. Det som betyr noe for sammenlignbarheten til UV-målinger er først og fremst spektral følsomhet, cosinusrespons, dynamisk område, spredt lys og samsvaret med den faktiske kilden.

Denne siden følger signalveien og viser hvor målefeil oppstår langs den. Bredbåndsradiometre og spektroradiometre er de to konstruksjonene der ulike feilkilder viser seg tydeligst. Begge betegnelsene er vanlige for vinkelresponsen: cosinuskorreksjon refererer til tiltaket som gjøres på sensoren, cosinusrespons til resultatet.

Hver UV-måling begynner med spørsmålet om hvilken størrelse som skal bestemmes. I industriell praksis er det nesten alltid irradians E i W/m², strålingseffekten som treffer en flate. Integrert over tid blir irradians til stråleeksponering H i J/m², ofte kalt «dosen» – den avgjørende størrelsen både ved sikker UV-desinfeksjon og ved UV-herding. Omregningen mellom de to håndteres av radiometrikalkulatoren vår for UV og lys.

For en punktformet kilde som stråler i alle retninger, gjelder kvadratlovens avstandsregel: dobler man måleavstanden, fordeles samme strålingsfluks over fire ganger arealet, slik at irradiansen faller til en fjerdedel.

Denne loven gjelder under en betingelse som ofte overses i praksis: kilden må være punktformet sett fra sensoren. Den etablerte tommelfingerregelen er en måleavstand på r ≥ 10 · d, der d er den største dimensjonen til den emitterende flaten.

To ytterligere forhold er like viktige: sensorens orientering mot kilden, og spørsmålet om hvilket spektralområde som overhodet vektlegges. Begge har direkte betydning for utformingen av instrumentene.

Et bredbåndsradiometer vekter den innkommende strålingen med en fast spektral responsivitetsfunksjon s(λ) som er bygget inn i optikken, og returnerer et enkelt tall. Målehodet er en stabel av optiske komponenter, og rekkefølgen deres er ingen tilfeldighet.

Optisk vindu. Vanligvis smeltet kvarts, fordi vanlig kalknatronglass i praksis er ugjennomsiktig under omtrent 300 nm. Vinduet beskytter komponentene bak det og forsegler hodet mot prosessmedier.

Diffusor. Den sprer den innkommende strålingen og skaper dermed den cosinusformede vinkelresponsen. Diffusoren er ikke tilbehør, men komponenten som i det hele tatt gjør avlesningen til en arealrelatert størrelse.

Filterstabel. Det er her selve den spektrale vektingen skapes – vanligvis fra en kombinasjon av interferensfiltre og farget glass. Stabelen bestemmer om instrumentet måler UV-A, UV-B, UV-C eller et applikasjonsspesifikt aksjonsspektrum.

Detektor. Silisium-fotodioder er standarden; for UV-C-applikasjoner brukes SiC-dioder i økende grad fordi de i utgangspunktet er blinde i det synlige området og dermed avlaster filterstabelen.

En transimpedansforsterker omdanner deretter fotostrømmen til en spenning, og en A/D-omformer digitaliserer den. Den store fordelen med denne utformingen: en fotostrøm kan måles lineært over mange dekader. Radiometre oppnår derfor et dynamisk område som et array-spektrometer ikke kan matche – og de er robuste, kompakte og relativt billige.

ASTM G130-12(2020) klassifiserer disse instrumentene etter halvbredden Δλ av responsivitetsfunksjonen deres i smalbåndsradiometre (Δλ ≤ 20 nm), bredbåndsinstrumenter (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) og vidbåndsinstrumenter (Δλ ≥ 70 nm). Denne klassifiseringen er mer enn terminologi: jo bredere det spektrale området er, desto sterkere avhenger avlesningen av spekteret til kilden som måles.

Et spektroradiometer spalter strålingen opp i sine spektrale komponenter og måler spektral irradians E(λ) i W/(m²·nm). Ethvert spektralområde og ethvert virkningsspektrum kan deretter utledes ved beregning fra dette spekteret – og det er nettopp her fleksibiliteten til denne instrumentklassen ligger.

Den optiske banen begynner, som i radiometeret, med en inngangsoptikk, vanligvis en diffusor som fungerer som en kosinusmottaker. En optisk fiber leder strålingen til inngangsspalten. Et kollimerende speil former en parallell stråle som treffer et optisk gitter. Gitteret spalter strålingen etter bølgelengde, og et fokuserende speil avbilder det resulterende spekteret på en detektorarray – CCD eller CMOS.

Selv om prinsippet er elegant, er den fysiske svakheten ubarmhjertig. Et gitter produserer ikke bare den ønskede første diffraksjonsordenen, men også høyere ordener som må styres ut av strålebanen. I tillegg kommer spredning ved speil, holdere og kabinettflater. Begge mekanismene plasserer langbølgede signalkomponenter på posisjonen til en kort bølgelengde.

Et bredbånds radiometer måler aldri «UV-A-strålingen». Det danner en veid integral av produktet av kildespekteret og responsfunksjonen. Så lenge spekteret til den målte kilden samsvarer med kalibreringslampens spekter, er dette uproblematisk. Når det avviker, oppstår feilen fra spektralt avvik.

Det blir spesielt kritisk når emisjonen fra testobjektet faller på en flanke av responskurven. Produksjonstoleranser i filteret slår da direkte ut i måleresultatet. Dette er ikke en teoretisk bekymring: for et UV-B-langpassfilter av typen WG320 kan 50 %-kanten ligge hvor som helst mellom omtrent 314 nm og 326 nm innenfor produsentens spesifikasjon. Avhengig av hvilket eksemplar som er montert, gir samme kilde avvik fra noen få tidels prosent opp til enkeltsifret prosentandel – uten at instrumentet er «defekt».

CIE 220:2016 «Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers» (utarbeidet av CIE-komité TC 2-47) beskriver en systematisk tilnærming. Rapporten overfører kvalitetsindeksene kjent fra fotometri i ISO/CIE 19476:2014 til UV-radiometre – blant annet f1′ for spektralt avvik, f2 for vinkelrespons, f3 for linearitet, samt indekser for utmattelse, temperatur- og fuktighetseffekter. Fordi UV-radiometre, i motsetning til luxmetre, ikke er utformet for én enkelt referanselyskilde, definerer CIE 220:2016 tre referansespektre og legger til ti reelle kildespektre i vedlegget – fra lav- og mellomtrykks kvikksølvlamper via xenon- og HMI-kilder til solspekteret.

Praktisk konsekvens: den som kjenner den spektrale responsen til radiometeret sitt og spekteret til kilden sin, kan beregne avviksfaktoren og bruke den som en korreksjonsfaktor. Dette forutsetter at produsenten oppgir den individuelt målte relative spektrale responsen og kalibreringslampens spekter i kalibreringssertifikatet.

Måling i UV-C innebærer en vanskelighet som ved første blikk virker paradoksal: problemet er ikke UV-en, det er alt det andre. En middeltrykks kvikksølvlampe avgir størrelsesordener mer effekt i det synlige og nær-infrarøde området enn i UV-C-spekteret. Hvis selv en liten del av denne effekten spres inn på 254 nm-kanalen i instrumentet, oppstår det der et tilsynelatende signal som kan overstige den reelle avlesningen. Hvor uttalt denne ubalansen er for en gitt lampe, vises av utforskeren for spektral database.

Størrelsesordenene skiller seg dramatisk: en dobbelmonokromator oppnår et relativt spredt lys på omtrent 10⁻⁷ til 10⁻⁹, et array-spektrometer ligger på 10⁻³ til 10⁻⁵, og et mikroarray-spektrometer bare på 10⁻¹ til 10⁻².

En dobbelmonokromator sender strålingen over et gitter to ganger og undertrykker dermed spredt lys med flere tierpotenser mer enn et ettrinnssystem. Prisen er størrelse, målетid og kostnad – derfor brukes den som referanseinstrument i laboratoriet snarere enn i felten.

Situasjonen forverres av infrarødfølsomheten til silisiumbaserte detektormatriser: de er mest følsomme nettopp der den forstyrrende strålingen er sterkest. Uten passende ordenssorterende filtre og en dokumentert spredtlyskorrigering har UV-C-målinger med kompakte array-spektrometre betydelige og ofte ukjente usikkerheter.

Irradians er definert som strålingseffekt per arealenhet – målt på en plan flate. Når strålingen kommer inn skrått, spres samme fluks over et større areal, så signalet må avta som cos θ. En reell mottaker tilnærmer bare dette: ved store innfallsvinkler oppstår refleksjoner i grensesjiktene.

Kvalitetsindeksen f2 beskriver den gjennomsnittlige avviket fra den ideelle kosinuskurven. Den er avgjørende der strålingen ikke kommer vinkelrett inn: i UV-desinfeksjonsreaktorer, i bestrålingskammer med reflekterende vegger, ved banehärding. I et kammer med svært reflekterende vegger kan den diffuse komponenten overstige den direkte – en sensor med dårlig vinkelrespons viser da systematisk for lave verdier.

I praksis fremgår kvaliteten på kosinuskorreksjonen ofte allerede av konstruksjonen: av størrelsen og diffusiviteten til inngangsoptikken, og av hvor langt den stikker ut over husets kant.

Kildene som brukes i UV-teknologi, skiller seg i spektral irradians med mer enn sju tiårspotenser – fra deuteriumlampen som brukes som kalibreringsstandard, til 6 kW kvikksølvlampen i en herdelinje.

Et fullt digitalt radiometer dekker dette området gjennom fotostrømmåling og områdeomkobling. Et array-spektrometer er begrenset av full-well-kapasiteten til pikslene og av lesestøygulvet; det fungerer ved justering av integreringstiden, noe som kostet måletid og møter begrensninger i begge ender av området.

Samme forskjell gjelder for analog-til-digital-omformeren. Oppløsningen dens – 12, 16 eller 24 bit – bestemmer hvor finskala avlesningen vises og hvor bredt det brukbare dynamiske området er. Den sier ingenting om målenøyaktigheten: den følger av kalibreringen og av det spektrale samsvaret med kilden som måles.

En målt verdi uten metrologisk sporbarhet er et tall uten referanserammer. Den metrologiske kjeden går fra det nasjonale metrologiinstituttet ned til instrumentet på produksjonslinjen – og usikkerheten øker for hvert trinn.

På toppen står det nasjonale metrologiinstituttet – PTB i Tyskland, NIST i USA – som realiserer enheten. Under det følger kalibreringslaboratoriet akkreditert etter ISO/IEC 17025, som arbeider med egne normaler og hvis kompetanse regelmessig vurderes av et akkrediteringsorgan. Prøvingslaboratorier måler etter en skriftlig prosedyre. En fabrikkalibrering kan godt være metrologisk sporbar, men den er ikke sikret gjennom uavhengig vurdering. Helt nederst står den ikke-sporbare kalibreringen: den gir reproduserbare tall, men ingen forsvarbar målusikkerhet.

Den vanlige veien starter ved en spektral standard – en 1000 W FEL-lampe for UV-A- og det synlige området, en deuteriumlampe for kortbølgeområdet. Et spektroradiometer kalibreres mot denne standarden (ASTM G138-12(2020)e1). Det kalibrerte spektroradiometeret måler deretter en produksjonslik UV-lampe – det vil si en kilde som spektralt er så lik som mulig det endelige måleobjektet. Referanseradiometeret kalibreres mot denne lampen (ASTM G130-12(2020)), og fra der overføres kalibreringen til slutt til feltinstrumentene (ASTM E824-26).

Trikset ligger i det tredje trinnet: ved å bruke en produksjonslik lampe som overføringskilde, kalibreres radiometeret under de samme spektrale forholdene som det senere skal måle under. Spektralt misforhold – hovedfeilkilden til bredbåndsradiometeret – elimineres dermed i stor grad. Dette er nettopp grunnen til at et korrekt kalibrert bredbåndsradiometer kan overgå et spektroradiometer i nøyaktighet for en kjent lampetype.

To lampefamilier brukes til selve kalibreringen: linjekilder, som lavtrykks kvikksølvlamper, for bølgelengdekalibrering, og kontinuumkilder – deuterium- og wolfram-halogenlamper – for kalibrering av spektral responsivitet. Halogenlamper krever spesiell forsiktighet, fordi deres sterke langbølgede utstråling spres inne i instrumentet og, ukorrigert, gir nettopp den strølysfeilen man forsøker å måle.

For måleusikkerheten betyr dette: kalibreringssertifikatet gir ikke bare en faktor, det definerer også kilden og geometrien som denne faktoren gjelder for. Jo mer målingen avviker fra disse forholdene, desto større blir kalibreringens bidrag til den totale usikkerheten. Hvordan kalibrering fungerer i detalj, er beskrevet under UV-kalibreringsprosedyren.

CIE 250:2022 «Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources» (CIE TC 2-80) er den gjeldende referanseteksten for spektroradiometriske målinger i området fra 200 nm til 2500 nm. Den erstatter den nesten førti år gamle CIE 063-1984 og gir en detaljert beskrivelse av de fysiske effektene som må tas i betraktning ved estimering av målingsusikkerhet.

I praksis oppstår et karakteristisk mønster: den minste oppnåelige målingsusikkerheten er størst i kortbølget UV og avtar mot lengre bølgelengder. Typiske verdier for akkrediterte kalibreringer er rundt 6 % i området nær 200–230 nm, omtrent 3,5 % i UV-B og UV-A, og litt under 3 % i det synlige området (utvidet målingsusikkerhet, k = 2). Årsakene til dette mønsteret er fysiske: lavere strålingstetthet hos standardene, sterkere spredt lys-effekter, og halvlederes og optiske materialers større følsomhet for aldring og forurensning.

Hver av de to utformingene har nøyaktig én dominerende feilkilde, og de to er komplementære: spektralt avvik for bredbåndsradiometeret, spredt lys for spektroradiometeret. Valget følger av dette:

• Hvis lampetypen er kjent og holder seg konstant, gir et egnet kalibrert bredbåndsradiometer den mindre måleusikkerheten – med bredere dynamisk område, kortere responstid og større robusthet.
• Hvis kilden endres, er ukjent, eller et virkningsspekter må evalueres, er det ingen vei utenom den spektrale målingen.
• I mange installasjoner er kombinasjonen den beste løsningen: spektral verifisering med lengre intervaller, kontinuerlig prosessovervåking med bredbåndsmåling.

Den fullstendige side-om-side-sammenligningen, kriterium for kriterium, finnes under valg av bredbåndsradiometer eller spektroradiometer.

Hvorfor krever en UV-C-måling spesiell forsiktighet?
Fordi de fleste UV-kilder avgir størrelsesordener mer effekt i det synlige og infrarøde området enn i UV-C – og silisiumbaserte detektorer er mest følsomme nettopp i det området. Spredt lys inne i instrumentet kan derfor gi et tilsynelatende UV-C-signal som er større enn det reelle.

Hva er spektral mismatch?
Feilen som oppstår når spekteret til den målte kilden avviker fra spekteret til lampen som ble brukt til å kalibrere instrumentet. CIE 220:2016 beskriver hvordan man kvantifiserer den og hvordan man anvender den som en korreksjonsfaktor.

På hvilken avstand fra lampen bør målinger tas?
Langt nok unna til at kilden oppfører seg som en punktkilde sett fra sensoren – som en tommelfingerregel minst ti ganger dens største dimensjon. Målinger på kortere avstand er fortsatt gyldige avlesninger, men må ikke skaleres til andre avstander ved hjelp av kvadratloven.

Hvorfor er kalibreringssertifikatet så viktig?
Fordi det angir kalibreringskilden, den spektrale responsen og målusikkerheten. Uten disse tre kan en avlesning ikke sammenlignes med en grenseverdi, med et annet instrument eller med en tidligere måling.

Hvordan endrer temperaturen irradiansen?
Temperaturen påvirker begge sider av målingen: fotodioden og filtrene til en sensor er temperaturavhengige, sterkere i UVC enn i UVA, og både kvikksølvlamper og UV-LED-er endrer både strålingseffekt og toppbølgelengde med driftstemperaturen. Reproduserbare verdier krever derfor en definert driftstemperatur og en fast, dokumentert avstand.

Seks spørsmål avgjør om en UV-måling er pålitelig:

• Stemmer den spektrale responsen med emisjonen fra kilden og den tiltenkte vektingsfunksjonen?
• Måles rettet eller romlig distribuert strålning, og passer vinkelresponsen til dette?
• Ligger avlesningen trygt innenfor måleområdet og det dynamiske området?
• Kan sekundære bølgelengder eller strølys forvrenge resultatet?
• Refererer kalibreringen til en tilstrekkelig lik kilde og geometri?
• Er målusikkerheten liten nok for prosessgrensen?

Finn riktig sensor: UV Sensor Finder foreslår de tre best egnede UV-sensorene og -målerne etter bruksområde, bølgelengde og formfaktor – med nøkkelverdier, systempartner og begrunnelser.