Miernik UVC i radiometr UVC do zakresu 200–280 nm

Promieniowanie UVC dezynfekuje wodę, powietrze i powierzchnie, napędza procesy fotochemiczne i jest wykorzystywane w badaniach do inaktywacji wirusów, bakterii i grzybów. To, czy źródło UVC osiąga wymagany efekt i czy osoby przebywające w pobliżu są chronione, można wykazać wyłącznie poprzez wzorcowany pomiar natężenia napromienienia. Mierniki UVC firmy Opsytec obejmują zakres widmowy od 200 do 280 nm i mierzą natężenie napromienienia oraz – w zależności od przyrządu – dawkę UVC na lampach, diodach LED, w komorach i instalacjach.

O doborze odpowiedniego przyrządu decydują cztery pytania: Jakie widmo ma źródło? Jakiego natężenia napromienienia należy się spodziewać w punkcie pomiarowym? Jak wygląda geometria pomiaru? Oraz czy wymagana jest wartość chwilowa, dawka czy stały monitoring?

Pomiar natężenia napromienienia UVC i dawki UVC

Natężenie napromienienia to moc promieniowania padająca na powierzchnię, podawana w W/m², mW/cm² lub µW/cm²; 1 mW/cm² odpowiada 10 W/m². Dawka UVC to całka natężenia napromienienia po czasie – w przypadku źródła o stałej mocy po prostu natężenie napromienienia pomnożone przez czas – podawana w J/m² lub mJ/cm². W dezynfekcji wody wielkość odniesiona do ośrodka nazywana jest fluencją. To dawka decyduje o inaktywacji mikroorganizmów: przy 1 mW/cm² wartość 10 mJ/cm² zostaje osiągnięta po 10 sekundach.

Nie każdy miernik ręczny sam wyznacza dawkę. RM-12 wskazuje chwilowe natężenie napromienienia. RMD i RMD Pro oraz RMD Touch całkują natężenie napromienienia w czasie i wyświetlają dawkę bezpośrednio; RMD Pro i RMD Touch zapisują ponadto serie pomiarowe w postaci plików CSV. tinyTracker mierzy dawkę jako dozymetr o wysokości zaledwie 10 mm, który przemieszcza się przez instalację razem z produktem.

Pomiar UVC przy 254 nm

Lampy rtęciowe niskoprężne emitują większość swojej mocy UV w jednej linii przy 253,7 nm. Pomiar tej linii to klasyczne zadanie radiometrii UVC: czujnik UVC na zakres od 200 do 280 nm jest wzorcowany na lampie niskoprężnej i mierzy to źródło bez korekcji widmowej. Wszystkie analizowane tutaj badania – od 0,065 mW/cm² za niemal całkowicie osłoniętą rurą do 20 mW/cm² w błysku UVC – mieszczą się w zakresie pomiarowym jednego czujnika UVC na urządzeniu RMD.

Lampy średnioprężne emitują natomiast szerokie widmo ze składowymi w zakresach UVC, UVB i UVA; czujnik wzorcowany przy 254 nm wskazuje tutaj systematycznie błędne wartości. W jaki sposób powstaje linia 254 nm i które zadania pomiarowe należy w instalacjach rozpatrywać oddzielnie, wyjaśniono w artykule Pomiar i monitorowanie promieniowania UVC przy 254 nm.

Prawidłowy pomiar diod LED UVC

W zależności od materiału półprzewodnikowego diody LED UVC emitują zazwyczaj promieniowanie od 265 do 280 nm, o szerokości pasma około 10 nm. Część ich emisji leży zatem dokładnie na krawędzi filtra czujnika UVC przy 280 nm. W przypadku diody LED o 275 nm czujnik obcina długofalowe zbocze; przy 280 nm szczyt emisji leży na samej krawędzi. Nawet niewielkie przesunięcia szczytowej długości fali – pomiędzy partiami diod LED lub wskutek nagrzewania się podczas pracy – zmieniają wtedy wskazanie bardziej niż rzeczywista moc promienista.

Dla diod LED UVC firma Opsytec zaleca zatem czujnik UVBB (230–400 nm), którego zakres widmowy obejmuje całą emisję diody LED, wzorcowany na diodzie LED o odpowiadającej szczytowej długości fali. W przypadku lamp niskociśnieniowych właściwym wyborem pozostaje czujnik UVC. Laboratorium wzorcujące dysponuje diodami UV LED o różnych długościach fali jako źródłami wzorcowymi. Jak duży może być błąd przy nieodpowiednim wzorcowaniu, pokazano w artykule Niedopasowanie widmowe czujników UV.

Far-UVC 222 nm i VUV 172 nm

Lampy ekscymerowe na chlorku kryptonu (KrCl*) emitują przy 222 nm w zakresie far-UVC od 200 do 230 nm. Ta długość fali działa bakteriobójczo, a jednocześnie z trudem wnika w skórę – to podstawa do stosowania w pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, co badali m.in. Buonanno i in. [2] oraz Welch i in. [3]. Lampy niefiltrowane wykazują dodatkowo emisje wtórne w zakresie UVC o większych długościach fali, które decydują o ocenie bezpieczeństwa; oprawy far-UVC do zastosowań wewnętrznych są dlatego wyposażone w filtr.

Czujnik UVC obejmuje spektralnie 222 nm, jednak dla tego typu lamp musi być wzorcowany na źródle 222 nm; wzorcowanie przy 254 nm systematycznie zafałszowałoby natężenie napromienienia lampy KrCl. Dlatego laboratorium wzorcujące Opsytec wzorcuje czujniki UVC na lampie ekscymerowej 222 nm. Dopiero pomiar widmowy pokazuje, czy filtr rzeczywiście tłumi emisje wtórne. Zmierzone widma filtrowanych i niefiltrowanych lamp KrCl są dostępne w bazie widm lamp UV.

Lampy ekscymerowe ksenonowe (Xe₂*) przy 172 nm emitują w zakresie próżniowego UV. Promieniowanie to jest pochłaniane przez powietrze już po kilku milimetrach; czujniki UVC z filtrem i dyfuzorem go nie rejestrują. Do tego celu służy tinyTracker 172 nm, który mierzy dawkę w gazie obojętnym bezpośrednio przy podłożu. Szczegóły podano w artykule Pomiar promieniowania VUV 172 nm z ksenonowych lamp ekscymerowych.

Dezynfekcja UV wody do picia: radiometr referencyjny DVGW

W instalacjach UV do dezynfekcji wody do picia zgodnych z DIN 19294-1 i DVGW W 294-1 natężenie napromienienia monitoruje czujnik zamontowany na stałe. Radiometr referencyjny sprawdza ten czujnik systemowy w regularnych odstępach czasu. Wymagania wobec radiometru referencyjnego określa DIN 19294-3 dla instalacji niskociśnieniowych oraz DIN 19294-4 dla instalacji średniociśnieniowych; w Austrii obowiązuje ÖNORM M 5873-1.

Czujnik DVGW nie ocenia promieniowania w całym zakresie UVC, lecz wąskopasmowo od 240 do 290 nm wokół linii 253,7 nm. DIN 19294-3 tak to przewiduje, aby radiometry systemowe różnych producentów dostarczały porównywalne wartości w tej samej instalacji. Czujnik mierzy do 200 W/m², ma kąt akceptancji 160° i pracuje z RMD Pro. Dla instalacji średniociśnieniowych dostępny jest oddzielny czujnik referencyjny zgodny z DIN 19294-4. Wszystkie dane podano na stronie radiometr referencyjny DVGW.

Stały monitoring instalacji UVC

Miernik ręczny umożliwia kontrole wyrywkowe. Jeżeli instalacja musi być monitorowana podczas pracy, czujnik zainstalowany na stałe mierzy w sposób ciągły i przekazuje swój sygnał do układu sterowania:

• UVC-SE – odporny na wodę pod ciśnieniem czujnik UVC (180–280 nm, do 1000 W/m²) ze zintegrowanym wzmacniaczem do reaktorów i procesów mokrych; wyjście 0–10 V, 4–20 mA lub 0–1 V.
• UVx-SE – wodoszczelny czujnik z przyłączem G 3/4″, także do lamp średniociśnieniowych i środowisk CIP, do 200 mW/cm².
• PLC.D – cyfrowe czujniki UV z RS-485, RS-232 lub USB oraz statusem wzorcowania w protokole danych.
• Czujniki PLC z wyjściem 4–20 mA, 0–10 V lub 0–2 V do układów sterowania.

Zainstalowany czujnik jest w stałych odstępach czasu porównywany z wzorcowanym miernikiem ręcznym w tej samej pozycji, na przykład co tydzień za pomocą RMD Pro.

Dekontaminacja pomieszczeń i powierzchni promieniowaniem UVC

Podczas dezynfekcji pomieszczeń i powierzchni za pomocą mobilnych urządzeń UVC dawka zależy w dużym stopniu od odległości i orientacji. Powierzchnie znajdujące się w cieniu lub daleko od źródła otrzymują wielokrotnie mniej niż powierzchnie w linii widzenia. W sali szpitalnej Lindblad i in. zastosowali radiometr RM-22, poprzednika RMD, i zmierzyli dawki od 15,9 do 1 068 mJ/cm² w zależności od położenia, przy medianie 266 mJ/cm² [4]. Pomiary wykonuje się zatem w punktach, które mają zostać zdezynfekowane – a nie wyłącznie przy źródle.

Malayeri i in. zestawili dawki wymagane do uzyskania określonej redukcji logarytmicznej bakterii, wirusów, pierwotniaków i glonów [1]. Wymagany czas ekspozycji wynika ze zmierzonego natężenia napromienienia jako dawka podzielona przez natężenie napromienienia. Informacje o ochronie osób podczas dezynfekcji UV znajdą Państwo w rozdziale Bezpieczeństwo dezynfekcji UV.

[1] Malayeri, A. H. i in.: Fluence (UV Dose) Required to Achieve Incremental Log Inactivation of Bacteria, Protozoa, Viruses and Algae, IUVA.
[2] Buonanno, M. i in.: Germicidal Efficacy and Mammalian Skin Safety of 222-nm UV Light. Radiat. Res. 187 (2017) 483–491, doi:10.1667/RR0010CC.1
[3] Welch, D. i in.: Far-UVC light: A new tool to control the spread of airborne-mediated microbial diseases. Sci. Rep. 8 (2018), doi:10.1038/s41598-018-21058-w
[4] Lindblad, M. i in.: Ultraviolet-C decontamination of a hospital room: Amount of UV light needed. Burns 46 (2020) 842–849, doi:10.1016/j.burns.2019.10.004

Gdzie mierzono UVC – poziomy natężenia napromienienia z badań

Ile promieniowania UVC dociera tam, gdzie zachodzi dezynfekcja? W badaniach prowadzonych z użyciem mierników i komór napromieniowania Opsytec zakres sięga od 0,065 mW/cm² za niemal całkowicie osłoniętą świetlówką do 20 mW/cm² w impulsie UVC – ponad trzystukrotnie więcej. Większość punktów pomiarowych mieści się w przedziale od 0,3 do 15 mW/cm². O różnicy decydują odległość, liczba lamp oraz to, czy promieniowanie dociera bezpośrednio, czy też w cieniu. Dlatego pomiary wykonuje się tam, gdzie ma wystąpić efekt.

W dolnym zakresie przyrząd o rozdzielczości 0,01 mW/cm² wskazuje tylko jedną lub dwie cyfry; RMD rozdziela 0,001 µW/cm².

Wzorcowane czujniki UVC z akredytowanego laboratorium

Jakość pomiaru UVC zależy od wzorcowania czujnika – oraz od tego, czy źródło użyte do wzorcowania odpowiada mierzonemu widmu. Wszystkie radiometry i czujniki są dostarczane jako wzorcowane, ze spójnością pomiarową względem wzorców państwowych. Laboratorium wzorcujące Opsytec jest akredytowane przez DAkkS zgodnie z DIN EN ISO/IEC 17025 i wzorcuje czujniki w zakresie od 200 do 1000 nm przy natężeniu napromienienia od 0,2 µW/cm² do ponad 10 W/cm². Typowa niepewność wzorcowania czujników UVC wynosi 4,5–6,0 % (k = 2); w praktyce dochodzą do tego niedopasowanie widmowe, temperatura, starzenie i geometria (Niepewność pomiaru w pomiarach UV).

Oprócz czujników standardowych dostępne są rozwiązania do specjalnych zadań pomiarowych: czujniki XT do bardzo wysokiego natężenia napromienienia, sondy UV do trudno dostępnych punktów pomiarowych oraz konstrukcje na zamówienie do własnych geometrii. Wyszukiwarka czujników UV proponuje odpowiedni czujnik według zastosowania i długości fali.

Czy miernikiem UVC można mierzyć także diody LED UVC?
Tak, ale nie każdym czujnikiem równie dobrze. Emisja diod LED UVC w zakresie 265–280 nm sięga krawędzi filtra czujnika UVC przy 280 nm; niewielkie przesunięcia szczytowej długości fali zniekształcają wówczas wskazanie. Do diod LED UVC firma Opsytec zaleca czujnik UVBB (230–400 nm), wzorcowany na diodzie LED o odpowiadającej długości fali. Do niskociśnieniowych lamp rtęciowych o długości fali 254 nm właściwym wyborem jest czujnik UVC.

Który miernik UVC mierzy dawkę UVC?
RMD, RMD Pro i RMD Touch wyświetlają obok natężenia napromienienia również dawkę w J/m²; RMD Pro i RMD Touch zapisują ponadto serie pomiarowe jako pliki CSV. tinyTracker mierzy dawkę jako płaski dozymetr przejeżdżający przez instalację. RM-12 pokazuje wyłącznie chwilowe natężenie napromienienia – dawka to wówczas natężenie napromienienia pomnożone przez czas.

Czy RMD może mierzyć bardzo niskie natężenie napromienienia UVC, np. 0,2 µW/cm²?
Tak. Z czujnikiem UVC do zastosowań bhp (zakres pomiarowy 0–10 mW/cm²) RMD niezawodnie wykrywa natężenie napromienienia od około 0,05 µW/cm², na przykład promieniowanie rozproszone na stanowisku pracy. Do takich pomiarów zalecamy czas uśredniania 2 s, korektę offsetu oraz statyw.

Która wartość UVC jest istotna dla bezpieczeństwa pracy?
Graniczną wartością ekspozycji na sztuczne promieniowanie optyczne jest skuteczna dawka 30 J/m² na dzień, ważona widmem skuteczności S(λ). Ponieważ w tym zakresie UVC jest ważone szczególnie silnie, nawet bardzo niskie natężenia napromienienia zbliżają się w ciągu dnia pracy do wartości granicznej. Dlatego dla RMD dostępny jest dedykowany, wysoce czuły czujnik UVC o zakresie 0–10 mW/cm², służący do wykazania bezpieczeństwa pracy. Ocena i środki: Bezpieczeństwo dezynfekcji UV.

Czy RMD nadaje się do przenośników dezynfekcyjnych i instalacji ciągłych?
RMD Pro rejestruje wyniki pomiarów i zasadniczo nadaje się do zastosowań przenośnikowych. Ze względu na małą wysokość zwykle lepiej pasują jednak tinyTracker, curelog lub mierzący widmowo UVpad, ponieważ przejeżdżają przez instalację razem z produktem.

mW/cm² czy W/m² – która jednostka jest właściwa?
Obie. 1 mW/cm² to 10 W/m², 1 mJ/cm² to 10 J/m². Badania dotyczące dezynfekcji stosują zwykle mW/cm² i mJ/cm², normy dotyczące dezynfekcji wody – W/m² i J/m². Kalkulator radiometryczny przelicza jednostki.

Czym radiometr UVC różni się od prostego miernika UV?
Wiele prostych mierników UV jest przeznaczonych do UVA lub indeksu UV i nie wykrywa UVC wcale albo tylko niedokładnie. Radiometr UVC wymaga czujnika o zakresie widmowym 200–280 nm, korekcji kosinusowej dla promieniowania padającego ukośnie oraz wzorcowania na źródle o odpowiadającym widmie – udokumentowanego świadectwem wzorcowania.

Jak często należy wzorcować miernik UVC?
Nie istnieje ogólnie zalecany interwał. Dwanaście miesięcy to praktyczny punkt wyjścia dla wielu mierników UV, który należy potwierdzić lub skorygować na podstawie własnej historii pomiarów. Częste użytkowanie, wysokie dawki, ciepło i zanieczyszczenia przemawiają za krótszym interwałem. Więcej na ten temat w: Interwał wzorcowania przyrządów pomiarowych UV.