Espectrorradiômetros UV e espectrômetros ópticos

Espectrorradiômetros UV e espectrômetros ópticos captam a radiação resolvida por comprimento de onda. Isso permite avaliar a distribuição espectral, a posição do pico, a largura de banda e as alterações espectrais de uma fonte UV. A irradiância absoluta exige, adicionalmente, uma calibração radiométrica de toda a cadeia de medição. A seleção é determinada, sobretudo, pela faixa de comprimento de onda, resolução espectral, faixa dinâmica, comportamento da luz difusa e geometria de medição.

O portfólio compreende os espectrorradiômetros UV portáteis UVpad e UVpad E, bem como o espectrômetro de arranjo SR900 para pesquisa, desenvolvimento e garantia da qualidade. As grafias espectrorradiômetro e o termo genérico instrumento de medição espectral também são usuais – trata-se do mesmo equipamento.

Todos os três são calibrados de forma absoluta; a calibração é realizada em nosso laboratório acreditado conforme a ISO 17025 e é rastreável ao PTB. As grandezas e unidades correspondentes estão descritas em grandezas radiométricas, e os limites das faixas em faixas espectrais e normas.

Ambos os termos descrevem o mesmo projeto óptico, mas duas tarefas de medição diferentes. A diferença não está na óptica, e sim na calibração e na geometria de entrada: um espectrômetro dispersa a luz e fornece uma curva relativa. Um espectrorradiômetro é um espectrômetro calibrado de forma absoluta – ele fornece a irradiância espectral em W/(m²·nm) e, a partir dela, mW/cm², lux ou PPFD.

Quem precisa de uma irradiância ou de uma dose precisa de um espectrorradiômetro; todo o resto mede de forma relativa. Todos os instrumentos desta categoria são espectrorradiômetros. Para a medição de transmissão e UVT no processo – uma tarefa fotométrica, e não radiométrica – a Opsytec oferece o fotômetro de processo ZPM.

Um espectrômetro fornece contagens – números que dependem do detector, do tempo de integração, da fenda de entrada e do guia de luz. Eles indicam onde a fonte emite, não quanto. Somente a calibração absoluta contra um padrão atribui um valor físico a cada comprimento de onda e transforma a curva em uma medição.

Para isso são necessárias três coisas, e um espectrômetro simples não possui nenhuma delas:

• Uma calibração rastreável contra um padrão que, por sua vez, remonta a um instituto nacional – na Opsytec, ao PTB. Sem ela, o valor não é comparável, nem mesmo com o seu próprio instrumento do ano passado.
• Uma óptica de entrada definida. A irradiância é potência por área, portanto o instrumento precisa captar uma área conhecida com ponderação correta ao cosseno. Um guia de luz sem difusor não faz isso.
• Correção de luz espúria. No UV-C, o sinal é frequentemente ordens de magnitude mais fraco do que no visível. Sem correção, o que se mede ali é, em sua maior parte, luz espúria proveniente do interior do instrumento.

Um radiômetro de banda larga mede mais rápido, custa menos e é mais robusto no uso diário; no entanto, ele pondera a radiação com sua própria responsividade espectral e só é correto quando a fonte se assemelha à fonte de calibração. Para o monitoramento contínuo de uma instalação conhecida, ele continua sendo a escolha certa – é para isso que servem os radiômetros de banda larga para verificações de processo e de dose.

Assim que a fonte muda, vários comprimentos de onda precisam ser avaliados separadamente ou um espectro de ação precisa ser aplicado, não há como evitar o espectro. A comparação completa lado a lado de ambos os conceitos, incluindo suas fontes de erro, é apresentada em quando um espectrorradiômetro é necessário.

Primeira pergunta: você precisa de um valor absoluto? Se se trata apenas da posição do pico, da FWHM ou da comparação entre dois lotes, uma medição relativa é suficiente – um espectrômetro basta. Assim que um valor em mW/cm², lux ou J/cm² tiver de ser obtido, não há como prescindir de uma calibração absoluta.

Segunda pergunta: qual faixa de comprimento de onda? UV puro até 440 nm, UV mais o início do visível até 480 nm ou todo o espectro óptico até 1.100 nm – isso define o instrumento.

Terceira pergunta: onde a medição é realizada? Nenhum cabo sai de uma câmara fechada; ali o instrumento tem de medir e armazenar de forma autônoma. No posto de trabalho ou em uma linha em operação, um cabeçote sensor com cabo é o ideal. Na bancada óptica, o que conta é a faixa de medição e a resolução, não o tamanho.

A última linha não é uma contradição, mas a resposta mais comum na prática: meça espectralmente uma vez e, depois, monitore em banda larga. A medição espectral determina o quanto o sensor de banda larga se desvia nesta fonte; a partir daí, o instrumento rápido é suficiente para as verificações recorrentes – desde que a fonte permaneça a mesma. Troque a lâmpada e a cadeia começa novamente.

Um espectrômetro divide a luz em seus comprimentos de onda e mede a intensidade de cada um deles. A óptica de entrada é irradiada primeiro. Um elemento dispersivo – um prisma ou uma grade de difração – separa espacialmente os comprimentos de onda; fotodiodos ou matrizes CCD então os detectam. O espectro resultante permite tirar conclusões sobre uma lâmpada, um LED ou uma amostra.

O projeto mais comum é o espectrômetro Czerny-Turner: dois espelhos e uma grade de difração, dispostos de modo que as aberrações ópticas permaneçam pequenas e a resolução espectral permaneça alta. O projeto é compacto o suficiente para instrumentos móveis e pequenas bancadas de laboratório.

É preciso distinguir três concepções.

Espectrômetros de matriz utilizam uma fileira de detectores, geralmente CCD ou CMOS, que captam todo o espectro de uma só vez. Isso torna a medição rápida e não exige peças móveis. Todos os espectrorradiômetros da Opsytec funcionam dessa forma.

Monocromadores possuem uma fenda e uma grade rotativa e transmitem um comprimento de onda por vez. Medem com altíssima precisão e elevada pureza espectral, mas demandam tempo – um comprimento de onda após o outro. Típicos para pesquisa e controle de qualidade, onde o que importa é a seleção do comprimento de onda.

Monocromadores duplos colocam dois monocromadores em série. Isso reduz ainda mais a luz espúria e é necessário sempre que sinais muito fracos estejam ao lado de sinais intensos – na faixa UV e na metrologia laboratorial de alta exatidão.

Um único espectro fornece diversas grandezas:

• Iluminância – a intensidade luminosa ponderada fotometricamente
• Temperatura de cor correlata (CCT) – descreve o quanto a luz parece quente ou fria
• Índices de reprodução de cor – com que fidelidade uma fonte reproduz as cores
• Coordenadas de cor CIE – o lugar da cor no espaço de cor padrão
• Distribuição espectral de potência – como a energia se distribui ao longo do espectro
• Comprimento de onda de pico e dominante – onde estão a maior energia e a energia visualmente dominante

Um radiômetro de banda larga, em vez disso, retorna um único valor.

O significado de cada grandeza é explicado em grandezas colorimétricas; símbolo, unidade e definição de cada grandeza óptica estão no glossário de grandezas ópticas.

A palavra espectrômetro vai muito além da medição de luz. Três tipos de instrumentos aparecem regularmente na mesma busca e medem algo totalmente diferente:

Espectrômetros de massas separam íons pela sua relação massa-carga. Eles identificam as menores quantidades de uma substância e são utilizados em análise química, bioquímica, ciências ambientais e na indústria farmacêutica.

Espectrômetros de absorção atômica medem como átomos metálicos vaporizados absorvem luz e, a partir disso, determinam concentrações de metais em solução – análise ambiental, toxicologia e ciência dos materiais, sobretudo para metais pesados.

Espectrofotômetros, frequentemente chamados de espectrômetros UV-Vis, medem a absorção ou a transmissão de uma amostra e derivam concentrações a partir disso. São amplamente difundidos em diagnóstico clínico, análise de água e monitoramento de alimentos. Para transmissão e UVT no processo, a Opsytec oferece o fotômetro de processo ZPM.

Um espectrorradiômetro, em contrapartida, mede a irradiância espectral com base em uma calibração absoluta. Sua óptica de entrada é um difusor, geralmente conectado por meio de um guia de luz – como no espectrorradiômetro SR900.

O que diferencia um espectrômetro de um espectrorradiômetro?
Um espectrômetro fornece valores relativos; um espectrorradiômetro é calibrado de forma absoluta e fornece a irradiância espectral. Todos os instrumentos desta categoria são espectrorradiômetros.

De qual faixa de comprimento de onda e de qual resolução eu preciso?
A faixa deve cobrir integralmente a emissão e eventuais bandas secundárias – somente UV até 440 nm, UV mais o início do visível até 480 nm, ou o espectro óptico completo até 1.100 nm. A resolução determina se picos próximos entre si ou linhas estreitas ainda são separados.

Quais erros de medição ocorrem com espectrômetros de arranjo?
Sobretudo a luz difusa: partes de comprimentos de onda intensos aparecem onde não deveriam estar. No UV-C, o sinal é frequentemente ordens de magnitude mais fraco do que na faixa visível – sem correção de luz difusa, o que ali se mede é principalmente a própria luz difusa do instrumento. A isso se somam corrente de escuro, não linearidade e deriva térmica.

Quais grandezas podem ser calculadas a partir de um espectro?
A irradiância espectral fornece praticamente qualquer índice de desempenho por integração e ponderação: irradiância por faixa espectral, dose UV, iluminância por meio de V(λ), PPFD e valores ponderados por ação, como os conforme a IEC 62471. Essa é justamente a vantagem em relação aos radiômetros de banda larga para verificações de processo e de dose.

Encontre o sensor adequado: O UV Sensor Finder propõe os três sensores e medidores UV mais adequados de acordo com a aplicação, o comprimento de onda e o formato – com os valores principais, o parceiro de sistema e as justificativas.