Niezgodność widmowa dla czujników UV

Niezgodność widmowa to różnica między rzeczywistą czułością widmową czujnika UV a idealną, prostokątną funkcją wagową. Występuje w każdym czujniku z filtrem, ponieważ filtry optyczne nie mają idealnych zakresów zaporowych i przepustowych. W efekcie czujnik wzorcowany dla jednej konkretnej lampy będzie systematycznie wykazywał odchylenia odczytów przy źródle o innym widmie.

W przeciwieństwie do luksomierzy, czujniki UV są zaprojektowane dla różnych widm i różnych zakresów spektralnych. Aby zapewnić czujnikowi UV pożądaną czułość widmową, stosuje się filtry optyczne specyficzne dla producenta, które dostosowują czułość widmową.

Poniższy obraz przedstawia budowę czujnika UV lub radiometru, który jest typowo używany do pomiaru promieniowania ultrafioletowego. Czujnik składa się z kilku filtrów optycznych i fotodiody. Pozostałe elementy elektryczne, wzmocnienie i konwersja analogowo-cyfrowa nie są tutaj przedstawione.

Idealnie krzywa czułości odpowiada stałej, prostokątnej funkcji wagowej. W praktyce jednak występują odchylenia - tak zwane niedopasowanie widmowe. Opisuje ono różnicę między rzeczywistą czułością czujnika a idealną funkcją wagową. 

Przyczyny tego są typowe dla wszystkich filtrowanych czujników UV, ponieważ stosowane filtry optyczne nie mają idealnych zakresów odcięcia i przepuszczania ani "nieskończenie" stromych krawędzi filtra. Fotodiody wykazują również typową czułość widmową. 

Wpływ czułości widmowej

Czułość widmowa jest charakterystyczną właściwością każdego czujnika UV. Podczas gdy czujniki tego samego typu wykazują podobne charakterystyki, różne czujniki - w zależności od producenta, typu i zakresu widmowego - różnią się znacząco.
Wartość mierzona przez czujnik UV zależy w dużym stopniu od widma emisji źródła światła. Czujnik wzorcowany dla konkretnego źródła (np. lampy rtęciowej lub UV LED) może wykazywać znaczne odchylenia przy zastosowaniu innego źródła.
 

Wynikiem niezgodności widmowej jest niepewność pomiaru zależna od źródła. Przykładowo, jeśli czujnik jest wzorcowany za pomocą lampy szerokopasmowej, ale używany z wąskopasmową diodą UV LED, wyświetlana wartość może odbiegać od rzeczywistej wartości efektywnej o kilkadziesiąt procent. Odchylenia te są odtwarzalne, a zatem mają charakter systematyczny.

Przykład niezgodności widmowej

Czujnik UV posiada rzeczywistą funkcję wagową (kolor szary), podczas gdy krzywa idealna (kolor czarny) opisuje jednolitą odpowiedź.

Dla diody LED 400 nm względna czułość wynosi 1,0.
Dla diody LED 425 nm względna czułość spada do 0,9.

Wyświetlana wartość jest zatem mniejsza o około 10 %. Nowoczesne przyrządy pomiarowe, takie jak radiometr RMD, kompensują ten efekt wewnętrznie, pod warunkiem że odpowiedni typ lampy (np. 400 nm lub 425 nm) zostanie prawidłowo wybrany.

Metody redukcji niedopasowania widmowego

1. wzorcowanie zależne od źródła
W firmie Opsytec czujniki UV są wzorcowane względem rzeczywistej lampy lub diody LED wykorzystywanej w danym zastosowaniu. W tym celu w laboratorium dostępnych jest wiele przemysłowych źródeł UV, aby dokładnie dopasować wzorcowanie do żądanego zakresu widmowego.

2. korekta matematyczna
W nowoczesnych radiometrach współczynnik wzorcowania można zapisać bezpośrednio w czujniku. Odpowiedni zakres wzorcowania - np. 365 nm dla diod UVA LED lub 450 nm dla niebieskich diod LED - jest po prostu wybierany na urządzeniu pomiarowym. W przypadku starszych lub zewnętrznych systemów Opsytec może wyznaczyć współczynnik korekcyjny, który jest podawany w świadectwie wzorcowania.

3. zastosowanie spektroradiometrów
Spektroradiometry rejestrują całe widmo; niedopasowanie wynikające z krzywych filtrów jest eliminowane, natomiast światło rozproszone i wzorcowanie długości fali pozostają źródłami niepewności. Wzorcowanie specyficzne dla długości fali oznacza, że wszelkie odchylenia są korygowane obliczeniowo. Modele UVpad oraz UVpad E są szczególnie odpowiednie do zastosowań mobilnych.

Znaczenie dla precyzyjnych pomiarów UV

Znajomość i korekta niedopasowania są zatem warunkiem koniecznym dla wiarygodnych pomiarów UV, zwłaszcza w zastosowaniach z wąskopasmowymi lub widmowo zmiennymi źródłami, takimi jak systemy UV LED. Na życzenie Opsytec przeprowadza wzorcowanie względem rzeczywiście stosowanego źródła.

Jeśli ma być mierzona tylko jedna lampa UV, niedopasowanie widmowe można bardzo dobrze skorygować; wystarczy podać lampę lub zastosowanie.

Przykładowo, niskociśnieniowa lampa rtęciowa jest często stosowana jako źródło wzorcujące dla detektorów wykorzystywanych w dezynfekcji. Wzorcowanie przeprowadza się na przykład w zakresie widmowym 200–280 nm lub 240–290 nm.

Chociaż to efektywne widmo obejmuje szeroki zakres długości fal, w praktyce zazwyczaj wykorzystuje się jedynie linię 253,7 nm lampy rtęciowej do wyznaczenia czułości radiometru UV dla tej pojedynczej linii widmowej.

Wynik takiego wzorcowania dostarcza zatem wartości wzorcowania dla określonego warunku pracy, ale bez informacji o czułości widmowej detektora.

Jeśli chcą Państwo mierzyć wiele różnych lamp UV i diod UV LED, zalecamy zastosowanie spektroradiometru.
 

Dla zainteresowanych czytelników:

Normy i standardy wzorcowania

Niedopasowanie widmowe jest opisane w międzynarodowych normach, w szczególności w CIE 220:2016 - Metody charakteryzowania i wzorcowania radiometrów UV.
Zalecenie mówi, aby dopasować źródło wzorcujące możliwie jak najdokładniej do rzeczywistego źródła światła w danym zastosowaniu.

W przypadku zastosowań z wieloma lampami UV lub diodami UV LED, Opsytec zaleca stosowanie spektroradiometru w celu pełnego zarejestrowania i oceny widma emisji.
 

To, co oznacza to dla ciągłego monitorowania w linii produkcyjnej – częstotliwość próbkowania, pasmo czujnika i interfejs – zostało omówione na stronie zastosowań technologia UV do automatyzacji i integracji procesów.

Jak oblicza się niedopasowanie widmowe?
Za pomocą współczynnika niedopasowania F. Wiąże on to, co dałaby idealna funkcja czułości widmowej dla mierzonego źródła, z tym, co wskazuje w tym miejscu rzeczywisty czujnik – każde z odniesieniem do źródła wzorcującego:
F = [∫E_meas(λ)·s_ideal(λ)dλ / ∫E_meas(λ)·s_real(λ)dλ] · [∫E_cal(λ)·s_real(λ)dλ / ∫E_cal(λ)·s_ideal(λ)dλ]
Potrzebne są cztery wielkości: widmowe natężenie napromienienia źródła wzorcującego oraz źródła mierzonego, a także rzeczywista i idealna czułość widmowa czujnika. Odczyt mnoży się przez F. Ponieważ odchylenie jest systematyczne i powtarzalne, można je podać jako stały współczynnik korekcyjny w świadectwie wzorcowania lub zapisać w radiometrze jako zakres wzorcowania.

Jak duży jest błąd w praktyce?
Zależy to od tego, jak bardzo odległe widmowo są od siebie źródło wzorcujące i źródło mierzone. W obrębie jednej krzywej czułości czujnika jest to często kilka procent: dla czujnika, którego względna czułość wynosi 1,0 przy 400 nm i 0,9 przy 425 nm, odczyt dla diody LED 425 nm jest zaniżony o około 10 %. Jeśli jednak czujnik wzorcowany za pomocą lampy szerokopasmowej jest stosowany do wąskopasmowej diody UV LED, odczyt może odbiegać od rzeczywistej wartości ważonej o kilkadziesiąt procent. Odchylenie jest powtarzalne, a więc systematyczne – można je skorygować, ale nie da się go uśrednić przez powtarzane pomiary.

Jak można skorygować niedopasowanie widmowe?
Na trzy sposoby. Po pierwsze poprzez wzorcowanie specyficzne dla danego źródła: czujnik jest wzorcowany względem lampy lub diody LED faktycznie używanej. Po drugie obliczeniowo – nowoczesne radiometry zapisują współczynnik wzorcowania w czujniku, a odpowiedni zakres wybiera się na przyrządzie; dla starszych systemów lub urządzeń innych producentów można wyznaczyć współczynnik korekcyjny i podać go w świadectwie wzorcowania. Po trzecie za pomocą spektroradiometru, który rejestruje pełne widmo i dlatego zasadniczo jest wolny od niedopasowania widmowego. Przy jednym źródle podlegającym pomiarowi korekcja sprawdza się bardzo dobrze; przy wielu różnych źródłach spektroradiometr jest bezpiecznym rozwiązaniem.

Dlaczego wzorcowanie przy 253,7 nm nic nie mówi o czułości widmowej?
Ponieważ ustala ono tylko pojedynczy punkt pracy. W dezynfekcji jako źródło wzorcujące często służy niskociśnieniowa lampa rtęciowa, a wzorcowanie odnosi się do zakresu widmowego od około 200 do 280 nm lub od 240 do 290 nm. W praktyce wykorzystywana jest z niej niemal wyłącznie linia 253,7 nm. Wynikiem jest wartość wzorcowania dokładnie dla tego warunku – nie mówi ona nic o kształcie czułości widmowej detektora i nie przenosi się na inne źródła w tym samym zakresie widmowym. Norma CIE 220:2016 zaleca zatem dobór źródła wzorcującego możliwie jak najbardziej zbliżonego do źródła stosowanego w danej aplikacji.