Zasada działania czujników UV: konstrukcja i błędy pomiarowe

Czujnik UV przekształca promieniowanie optyczne w sygnał elektryczny. Odczyt powstaje w wyniku działania detektora, filtra, optyki, elektroniki, wzorcowania i geometrii pomiaru; nigdy nie jest więc jedynie właściwością samego detektora. Dla porównywalności pomiarów UV kluczowe znaczenie mają przede wszystkim widmowa czułość, odpowiedź kosinusowa, zakres dynamiki, światło rozproszone oraz zgodność z rzeczywistym źródłem.

Niniejsza strona podąża za drogą sygnału i pokazuje, gdzie na jej przebiegu powstają błędy pomiarowe. Radiometry szerokopasmowe i spektroradiometry służą jako dwie konstrukcje, w których różne źródła błędów są widoczne najbardziej wyraźnie. Dla odpowiedzi kątowej stosuje się dwa powszechne terminy: korekcja kosinusowa odnosi się do działania podjętego na czujniku, natomiast odpowiedź kosinusowa - do wyniku.

Każdy pomiar UV zaczyna się od pytania, jaką wielkość należy wyznaczyć. W praktyce przemysłowej niemal zawsze jest to natężenie napromienienia E w W/m², czyli moc promieniowania docierająca do powierzchni. Scałkowane w czasie natężenie napromienienia staje się napromienieniem H w J/m², powszechnie nazywanym „dawką" – wielkością decydującą zarówno w bezpiecznej dezynfekcji UV, jak i w utwardzaniu UV. Przeliczenie między tymi wielkościami umożliwia nasz kalkulator radiometryczny dla UV i światła.

Dla źródła punktowego promieniującego we wszystkich kierunkach obowiązuje prawo odwrotności kwadratu odległości: podwojenie odległości pomiarowej powoduje rozłożenie tego samego strumienia promieniowania na powierzchnię czterokrotnie większą, w związku z czym natężenie napromienienia spada do jednej czwartej.

Prawo to obowiązuje pod jednym warunkiem, który w praktyce jest często pomijany: źródło musi być punktowe z punktu widzenia czujnika. Utrwaloną regułą jest odległość pomiarowa r ≥ 10 · d, gdzie d oznacza największy wymiar powierzchni emitującej.

Równie istotne są dwa dalsze warunki: orientacja czujnika względem źródła oraz to, jaki zakres widmowy w ogóle jest ważony. Oba te aspekty mają bezpośredni wpływ na konstrukcję przyrządów.

Radiometr szerokopasmowy waży padające promieniowanie za pomocą stałej funkcji czułości widmowej s(λ) wbudowanej w jego optykę i zwraca pojedynczą liczbę. Głowica pomiarowa to zestaw elementów optycznych, a ich kolejność nie jest przypadkowa.

Okienko optyczne. Zazwyczaj wykonane z krzemionki topionej, ponieważ zwykłe szkło sodowo-wapniowe jest praktycznie nieprzezroczyste poniżej ok. 300 nm. Okienko chroni znajdujące się za nim elementy i uszczelnia głowicę przed mediami procesowymi.

Dyfuzor. Rozprasza padające promieniowanie i dzięki temu tworzy kosinusową charakterystykę kątową. Dyfuzor nie jest akcesorium, lecz elementem, który w ogóle sprawia, że odczyt staje się wielkością odniesioną do powierzchni.

Zestaw filtrów. To właśnie tutaj powstaje rzeczywiste ważenie widmowe – zazwyczaj dzięki kombinacji filtrów interferencyjnych i szkła barwnego. Zestaw filtrów decyduje o tym, czy przyrząd mierzy UV-A, UV-B, UV-C, czy widmo działania specyficzne dla danego zastosowania.

Detektor. Standardem są fotodiody krzemowe; w zastosowaniach UV-C coraz częściej stosuje się diody SiC, ponieważ są one z natury nieczułe na światło widzialne, co odciąża zestaw filtrów.

Wzmacniacz transimpedancyjny przekształca następnie fotoprąd w napięcie, a przetwornik A/C dokonuje jego digitalizacji. Wielką zaletą tej konstrukcji jest to, że fotoprąd można mierzyć liniowo w wielu dekadach. Radiometry osiągają zatem zakres dynamiki, którego nie jest w stanie dorównać spektrometr matrycowy – są przy tym wytrzymałe, kompaktowe i stosunkowo niedrogie.

Norma ASTM G130-12(2020) klasyfikuje te przyrządy według połówkowej szerokości Δλ ich funkcji czułości na radiometry wąskopasmowe (Δλ ≤ 20 nm), przyrządy szerokopasmowe (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) oraz przyrządy bardzo szerokopasmowe (Δλ ≥ 70 nm). Ta klasyfikacja to więcej niż terminologia: im szerszy zakres widmowy, tym silniej odczyt zależy od widma mierzonego źródła.

Spektroradiometr rozszczepia promieniowanie na jego składowe widmowe i mierzy widmowe natężenie napromienienia E(λ) w W/(m²·nm). Z tego widma można następnie obliczeniowo wyprowadzić dowolny zakres widmowy i dowolne widmo działania – i właśnie w tym tkwi wszechstronność tej klasy przyrządów.

Droga optyczna zaczyna się, podobnie jak w radiometrze, od optyki wejściowej, zwykle dyfuzora pełniącego funkcję odbiornika kosinusowego. Światłowód prowadzi promieniowanie do szczeliny wejściowej. Zwierciadło kolimujące formuje wiązkę równoległą, która pada na siatkę dyfrakcyjną. Siatka rozszczepia promieniowanie według długości fali, a zwierciadło ogniskujące odwzorowuje powstałe widmo na matrycy detektora – CCD lub CMOS.

Choć zasada działania jest elegancka, jej fizyczna słabość nie wybacza błędów. Siatka dyfrakcyjna wytwarza nie tylko pożądany pierwszy rząd dyfrakcji, lecz także rzędy wyższe, które muszą zostać wyprowadzone z toru wiązki. Do tego dochodzi rozpraszanie na zwierciadłach, oprawach i powierzchniach obudowy. Oba te mechanizmy powodują osadzanie się długofalowych składowych sygnału w miejscu odpowiadającym krótkiej długości fali.

Radiometr szerokopasmowy nigdy nie mierzy „promieniowania UV-A". Tworzy on ważoną całkę iloczynu widma źródła i funkcji czułości widmowej. Dopóki widmo mierzonego źródła odpowiada widmu lampy wzorcującej, nie stanowi to problemu. Gdy się różni, pojawia się błąd niezgodności widmowej.

Staje się to szczególnie krytyczne, gdy emisja badanego obiektu przypada na zbocze krzywej czułości widmowej. Tolerancje produkcyjne filtra przekładają się wtedy bezpośrednio na wynik odczytu. Nie jest to kwestia teoretyczna: w przypadku filtra górnoprzepustowego UV-B typu WG320 krawędź 50 % może, zgodnie ze specyfikacją producenta, znajdować się gdziekolwiek pomiędzy około 314 nm a 326 nm. W zależności od tego, jaki egzemplarz jest zamontowany, to samo źródło daje odchylenia sięgające od kilku dziesiątych procenta do zakresu kilku procent – bez tego, aby przyrząd był „wadliwy".

Norma CIE 220:2016 „Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (opracowana przez komitet CIE TC 2-47) opisuje systematyczne podejście. Raport przenosi na radiometry UV wskaźniki jakości znane z fotometrii z normy ISO/CIE 19476:2014 – m.in. f1′ dla niezgodności widmowej, f2 dla odpowiedzi kątowej, f3 dla liniowości, a także wskaźniki dla efektów zmęczenia, temperatury i wilgotności. Ponieważ radiometry UV, w odróżnieniu od mierników natężenia oświetlenia, nie są zaprojektowane dla jednego wzorcowego iluminantu, norma CIE 220:2016 definiuje trzy widma wzorcowe i dodaje w załączniku dziesięć rzeczywistych widm źródeł – od lamp rtęciowych niskiego i średniego ciśnienia, przez źródła ksenonowe i HMI, aż po widmo słoneczne.

Praktyczna konsekwencja: każdy, kto zna czułość widmową swojego radiometru oraz widmo swojego źródła, może obliczyć współczynnik niezgodności i zastosować go jako współczynnik korekcyjny. Wymaga to jednak, aby producent podał w świadectwie wzorcowania indywidualnie zmierzoną względną czułość widmową oraz widmo lampy wzorcującej.

Pomiary w zakresie UV-C stwarzają trudność, która na pierwszy rzut oka wydaje się paradoksalna: problemem nie jest UV, lecz wszystko inne. Lampa rtęciowa średniociśnieniowa emituje o rzędy wielkości więcej mocy w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni niż w zakresie widmowym UV-C. Jeśli nawet ułamek tej mocy rozproszy się na kanał 254 nm wewnątrz przyrządu, powstaje tam pozorny sygnał, który może przewyższyć rzeczywisty odczyt. To, jak wyraźna jest ta nierównowaga dla danej lampy, pokazuje eksplorator bazy danych widmowych.

Rzędy wielkości różnią się drastycznie: monochromator podwójny osiąga względne światło rozproszone na poziomie ok. 10⁻⁷ do 10⁻⁹, spektrometr matrycowy leży w zakresie 10⁻³ do 10⁻⁵, a mikrospektrometr matrycowy jedynie na poziomie 10⁻¹ do 10⁻².

Monochromator podwójny przepuszcza promieniowanie dwukrotnie przez siatkę dyfrakcyjną i dzięki temu tłumi światło rozproszone o kilka rzędów wielkości bardziej niż system jednostopniowy. Cenę stanowią rozmiar, czas pomiaru i koszt – dlatego jest on stosowany jako laboratoryjny przyrząd wzorcowy, a nie w warunkach terenowych.

Sytuację pogarsza czułość na podczerwień detektorów matrycowych opartych na krzemie: są one najbardziej czułe właśnie tam, gdzie promieniowanie zakłócające jest najsilniejsze. Bez odpowiednich filtrów porządkujących widmo i udokumentowanej korekcji światła rozproszonego, pomiary UV-C wykonywane kompaktowymi spektrometrami matrycowymi obarczone są istotnymi i często nieznanymi niepewnościami.

Natężenie napromienienia definiuje się jako moc promieniowania na jednostkę powierzchni – mierzoną na powierzchni płaskiej. Gdy promieniowanie pada ukośnie, ten sam strumień rozkłada się na większej powierzchni, dlatego sygnał musi maleć zgodnie z cos θ. Rzeczywisty odbiornik jedynie przybliża tę zależność: przy dużych kątach padania na granicach ośrodków występują odbicia.

Wskaźnik jakości f2 opisuje średnie odchylenie od idealnej krzywej kosinusowej. Ma on decydujące znaczenie wszędzie tam, gdzie promieniowanie nie pada prostopadle: w reaktorach do dezynfekcji UV, w komorach napromieniowania ze ściankami odbijającymi, przy utwardzaniu materiałów w postaci wstęgi. W komorze o silnie odbijających ściankach składowa rozproszona może przewyższać składową bezpośrednią – czujnik o słabej charakterystyce kątowej wykazuje wówczas systematycznie zaniżone wartości.

W praktyce jakość korekcji kosinusowej często wynika już z samej konstrukcji: z wielkości i rozpraszania optyki wejściowej oraz z tego, jak daleko wystaje ona poza krawędź obudowy.

Źródła stosowane w technologii UV różnią się widmowym natężeniem napromienienia o ponad siedem rzędów wielkości – od lampy deuterowej stosowanej jako wzorzec kalibracyjny po lampę rtęciową 6 kW w linii utwardzania.

W pełni cyfrowy radiometr obejmuje ten zakres dzięki pomiarowi fotoprądu i przełączaniu zakresów. Spektrometr matrycowy jest ograniczony przez pojemność pełnej studni pikseli oraz przez poziom szumu odczytu; działa poprzez regulację czasu całkowania, co kosztuje czas pomiaru i napotyka ograniczenia na obu krańcach zakresu.

To samo rozróżnienie dotyczy przetwornika analogowo-cyfrowego. Jego rozdzielczość – 12, 16 lub 24 bity – określa, jak dokładnie wyświetlany jest odczyt i jak szeroki jest użyteczny zakres dynamiczny. Nie mówi nic o dokładności pomiaru: ta wynika ze wzorcowania oraz z dopasowania widmowego do mierzonego źródła.

Wartość zmierzona bez spójności pomiarowej jest liczbą bez układu odniesienia. Łańcuch metrologiczny prowadzi od krajowego instytutu metrologicznego aż po przyrząd na linii produkcyjnej – a niepewność rośnie na każdym etapie.

Na szczycie znajduje się krajowy instytut metrologiczny – PTB w Niemczech, NIST w Stanach Zjednoczonych – który realizuje jednostkę. Poniżej znajduje się laboratorium wzorcujące akredytowane zgodnie z ISO/IEC 17025, które pracuje z własnymi wzorcami i którego kompetencje są regularnie oceniane przez jednostkę akredytującą. Laboratoria badawcze wykonują pomiary zgodnie z pisemną procedurą. Wzorcowanie fabryczne może być spójne pomiarowo, jednak nie jest ono zabezpieczone niezależną oceną. Na samym dole znajduje się wzorcowanie niespójne pomiarowo: dostarcza ono powtarzalne liczby, ale bez możliwej do obrony niepewności pomiaru.

Typowa droga zaczyna się od wzorca widmowego – lampy FEL 1000 W dla zakresu UV-A i widzialnego oraz lampy deuterowej dla zakresu krótkofalowego. Względem tego wzorca wzorcowany jest spektroradiometr (ASTM G138-12(2020)e1). Skalibrowany spektroradiometr mierzy następnie lampę UV zbliżoną do produkcyjnej – czyli źródło widmowo jak najbardziej podobne do docelowego obiektu pomiaru. Radiometr referencyjny jest wzorcowany względem tej lampy (ASTM G130-12(2020)), a stamtąd wzorcowanie zostaje ostatecznie przeniesione na przyrządy terenowe (ASTM E824-26).

Sedno tkwi w trzecim kroku: dzięki zastosowaniu lampy zbliżonej do produkcyjnej jako źródła transferu, radiometr jest wzorcowany w tych samych warunkach widmowych, w jakich będzie później dokonywał pomiaru. Niedopasowanie widmowe – główne źródło błędu radiometru szerokopasmowego – zostaje dzięki temu w dużej mierze wyeliminowane. Właśnie dlatego prawidłowo wzorcowany radiometr szerokopasmowy może pod względem dokładności przewyższać spektroradiometr dla znanego typu lampy.

Do samego wzorcowania służą dwie rodziny lamp: źródła liniowe, takie jak niskociśnieniowe lampy rtęciowe, do wzorcowania długości fali, oraz źródła ciągłe – lampy deuterowe i halogenowe – do wzorcowania czułości widmowej. Lampy halogenowe wymagają szczególnej staranności, ponieważ ich silne promieniowanie długofalowe ulega rozproszeniu wewnątrz przyrządu i, jeśli nie zostanie skorygowane, powoduje dokładnie ten błąd światła rozproszonego, który próbuje się zmierzyć.

Dla niepewności pomiaru oznacza to, że świadectwo wzorcowania nie dostarcza jedynie współczynnika, lecz określa również źródło i geometrię, dla których ten współczynnik obowiązuje. Im bardziej pomiar odbiega od tych warunków, tym większy jest udział wzorcowania w całkowitej niepewności. Sposób działania wzorcowania w szczegółach opisano w części dotyczącej procedury wzorcowania UV.

CIE 250:2022 „Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) to aktualny tekst referencyjny dotyczący pomiarów spektroradiometrycznych w zakresie od 200 nm do 2500 nm. Zastępuje on niemal czterdziestoletnią normę CIE 063-1984 i zawiera szczegółowy opis efektów fizycznych, które należy uwzględnić przy szacowaniu niepewności pomiaru.

W praktyce widoczny jest charakterystyczny wzorzec: najmniejsza możliwa do osiągnięcia niepewność pomiaru jest największa w zakresie krótkofalowego UV i maleje w kierunku dłuższych fal. Typowe wartości dla akredytowanych wzorcowań wynoszą około 6 % w zakresie od 200 do 230 nm, około 3,5 % w zakresie UV-B i UV-A oraz nieco poniżej 3 % w zakresie widzialnym (rozszerzona niepewność pomiaru, k = 2). Przyczyny tego wzorca mają charakter fizyczny: mniejsza radiancja wzorców, silniejsze efekty światła rozproszonego oraz większa podatność materiałów optycznych na starzenie i zanieczyszczenia.

Każda z tych dwóch konstrukcji ma dokładnie jedno dominujące źródło błędu, a oba są komplementarne: niedopasowanie widmowe w przypadku szerokopasmowego radiometru, światło rozproszone w przypadku spektroradiometru. Z tego wynika sposób doboru:

• Jeśli typ lampy jest znany i pozostaje stały, odpowiednio wzorcowany szerokopasmowy radiometr zapewnia mniejszą niepewność pomiarową – przy szerszym zakresie dynamiki, krótszym czasie odpowiedzi i większej odporności mechanicznej.
• Jeśli źródło się zmienia, jest nieznane lub konieczna jest ocena widma działania, nie da się uniknąć pomiaru widmowego.
• W wielu instalacjach najlepszym rozwiązaniem jest połączenie obu metod: weryfikacja widmowa w dłuższych odstępach czasu i ciągłe monitorowanie procesu za pomocą pomiaru szerokopasmowego.

Pełne zestawienie porównawcze, kryterium po kryterium, znajduje się pod adresem wybór między szerokopasmowym radiometrem a spektroradiometrem.

Dlaczego pomiar UV-C wymaga szczególnej staranności?
Ponieważ większość źródeł UV emituje moc o rzędy wielkości większą w zakresie widzialnym i podczerwonym niż w UV-C – a detektory krzemowe są najbardziej czułe właśnie w tym zakresie. Światło rozproszone wewnątrz przyrządu może zatem generować pozorny sygnał UV-C większy niż rzeczywisty.

Czym jest niedopasowanie widmowe?
Jest to błąd powstający wtedy, gdy widmo mierzonego źródła różni się od widma lampy użytej do wzorcowania przyrządu. CIE 220:2016 opisuje, jak go określić ilościowo i jak zastosować jako współczynnik korekcyjny.

W jakiej odległości od lampy należy wykonywać pomiary?
Na tyle dużej, aby źródło zachowywało się jak źródło punktowe z punktu widzenia czujnika – w przybliżeniu co najmniej dziesięciokrotność jego największego wymiaru. Pomiary wykonane z mniejszej odległości pozostają ważnymi odczytami, ale nie wolno ich przeliczać na inne odległości za pomocą prawa odwrotności kwadratu.

Dlaczego świadectwo wzorcowania ma tak duże znaczenie?
Ponieważ podaje ono źródło wzorcujące, czułość widmową oraz niepewność pomiaru. Bez tych trzech informacji odczytu nie można porównać z wartością graniczną, z innym przyrządem ani z wcześniejszym pomiarem.

Jak temperatura wpływa na natężenie napromienienia?
Temperatura oddziałuje po obu stronach pomiaru: fotodioda i filtry czujnika są zależne od temperatury, silniej w zakresie UVC niż w UVA, a lampy rtęciowe oraz diody LED UV zmieniają wraz z temperaturą pracy zarówno moc promieniowania, jak i szczytową długość fali. Powtarzalne wartości wymagają zatem określonej temperatury pracy oraz stałej, udokumentowanej odległości.

Sześć pytań decyduje o tym, czy odczyt UV jest wiarygodny:

• Czy widmowa czułość odpowiada emisji źródła i zamierzonej funkcji wagowej?
• Czy mierzone jest promieniowanie kierunkowe czy przestrzennie rozproszone, i czy charakterystyka kątowa jest do niego dostosowana?
• Czy odczyt mieści się bezpiecznie w zakresie pomiarowym i zakresie dynamiki?
• Czy długości fal drugorzędnych lub światło rozproszone mogą zniekształcić wynik?
• Czy wzorcowanie odnosi się do wystarczająco podobnego źródła i geometrii?
• Czy niepewność pomiaru jest wystarczająco mała w stosunku do granicy procesu?

Znajdź odpowiedni czujnik: Wyszukiwarka czujników UV proponuje trzy najlepiej dopasowane czujniki i mierniki UV według zastosowania, długości fali i formy – wraz z kluczowymi wartościami, partnerem systemowym i uzasadnieniem.