Att mäta UV-dos och irradians korrekt
Irradians och UV-dos beskriver olika egenskaper hos en UV-process. Irradians är den momentana strålningseffekten per area; dosen – enligt standardterminologi strålningsexponeringen – är dess integral över tiden. Tillförlitliga resultat kräver att det spektrala området, mätområdet, kalibreringskällan, mätavståndet och mätgeometrin motsvarar tillämpningen. Vid rörliga processer tillkommer bestrålningens tidsprofil.
Den här sidan ordnar upp storheterna, namnger faktorerna som påverkar mätresultatet och visar vilken instrumentklass som löser vilken uppgift. Urvalet av specifika instrument täcks i kategorin UV-mätare och radiometrar.
Irradians, strålningsexponering och dos
Irradians E är strålningseffekten som når en yta, angiven i W/m² eller – vanligen inom UV-teknik – i mW/cm². Strålningsexponering H är dess integral över tid, angiven i J/m² eller mJ/cm². Där irradiansen är konstant över tid gäller H = E · t; där den varierar måste den faktiska profilen integreras.
I praktiken kallas strålningsexponering vanligen "dos". Termen är etablerad men oprecis: inom vattenrening beskriver fluens strålningen som når en volymelement från alla riktningar, medan dosen inom fotobiologi dessutom viktas med ett aktionsspektrum. Den som jämför värden mellan anläggningar, leverantörer eller testrapporter bör därför alltid ange vilken storhet, vilket spektralområde och vilken mätgeometri som avses.
Storheter, enheter och betydelse
| Storhet | Enhet | Betydelse |
|---|---|---|
| Irradians E | W/m², mW/cm² | momentan strålningseffekt per area vid mätpunkten |
| Strålningsexponering H ("dos") | J/m², mJ/cm² | integral av irradians över tid |
| Spektral irradians E(λ) | W/(m²·nm) | fördelning av irradians över våglängd |
| Fluens | J/m² | strålning som når en volymelement från alla riktningar |
| Effektiv irradians | W/m² | spektralt viktad med ett aktionsspektrum, exempelvis erytemalt effektiv |
| Fotonflödestäthet (PPFD) | µmol/(m²·s) | antal fotoner per area och tid, vanligt inom fotobiologi |
Vad avgör mätresultatet
En mätvärdering är bara så tillförlitlig som de förhållanden under vilka den togs. Fem faktorer avgör:
- Spektral responsivitet. En bredbandsradiometer utvärderar källan med sin sensors responsivitetskurva. Om källans spektrum skiljer sig från kalibreringskällan uppstår spektral avvikelse – systematiskt det största felet vid byte av källor.
- Mätgeometri. Irradians från en utsträckt eller ytkälla kräver cosinuskorrigerad ingångsoptik. Utan cosinuskorrigering underskattas snett infallande strålning.
- Mätavstånd och mätplan. Mät där processen sker – vid komponent- eller provplanet, inte i den fria strålen. För punkt- och spotkällor förändras irradiansen kraftigt med avståndet.
- Kalibrering. Kalibreringen måste motsvara det spektrala området, mätområdet och, i möjligaste mån, typen av källa som används, och måste dokumenteras spårbart.
- Mätområde, linjäritet och temperatur. Mycket hög irradians, pulsade källor och förhöjd temperatur vid mätpunkten begränsar vilka sensorer som kan användas.
Kalibreringar för radiometrar och UV-sensorer utförs av det ackrediterade kalibreringslaboratoriet; förfarandet beskrivs under UV-kalibrering.
Statisk mätning eller mätning i processen
Med en stationär källa och en stationär del räcker en statisk mätning av irradians i komponentplanet; dosen följer av irradians och exponeringstid. Så snart delen eller källan rör sig blir irradiansen vid delen tidsberoende. Toppirradians, tidsprofilen och dosen som integreras från den måste då registreras – en enda statisk avläsning under lampan beskriver inte processen.
Hur en sådan mätning sätts upp i transportör-, tryck- och genomgångslinjer behandlas på sidan UV-mätning för transportörsystem.
Vilket instrument passar vilken uppgift
- Stabil källa med känt spektrum, punktmätning: en kalibrerad bredbandsradiometer som RMD Pro eller RM-12 med sensorn anpassad till det spektrala området.
- Varierande källor, LED-våglängder, åldringsstudier: ett spektralt mätande instrument som UVpad, UVpad E eller SR900 i laboratoriet.
- Dos i den pågående processen: platta loggrar som curelog eller tinyTracker som färdas genom linjen tillsammans med arbetsstycket.
- Permanent anläggningsövervakning: permanent installerade UV-sensorer med lämplig utvärderingselektronik.
Samma gäller för var och en av dessa kedjor: sensor, utvärdering och kalibrering måste matcha det processvärde som ska påvisas. En hjälp för val efter mätuppgift finns i kategorin UV-mätare, och skillnaden mellan instrumentklasserna på sidan spektroradiometer eller bredbandsradiometer.
Vanliga frågor om irradians och dos
Vilken storhet ska övervakas på ett UV-system?
Primärt irradiansen i W/m² vid den åtkomliga punkten närmast processen, och utifrån den dosen som ett tidsintegral i J/m². För omvandling: 10 W/m² motsvarar 1 mW/cm². Sensorns och källans temperatur hör till vid sidan av dessa. Ett processfönster måste anges i två dimensioner, med en undre och en övre gräns för båda storheterna. Lampans elektriska effekt är ingen mätstorhet för processen.
Var i processen görs mätningen?
På nivån för delen eller provet, där processen faktiskt sker – inte i den fria strålen och inte vid lamphuset. Utsträckta källor och ytkällor kräver kosinuskorrigerad ingångsoptik, annars underviktas snett infallande strålning. Med punkt- och spotkällor förändras irradiansen starkt med avståndet; som tumregel bör mätavståndet vara minst 10 gånger den största dimensionen av den utsändande ytan.
Hur hög är irradiansen från ett UV-system jämfört med solen?
Referensen är solen vid marknivå: under optimala förhållanden ungefär 1000 W/m² globalstrålning, varav omkring 62 W/m² är UVA och 5,6 W/m² UVB. En UVA-testkammare med 80 W/m² ligger därför på 1,3 gånger, en UVB-kammare med 50 W/m² på nio gånger det värdet. UV-LED-system uppnår 8000 W/m² och mer, ungefär 130 gånger solens UVA. I UVC är ingen jämförelse möjlig, eftersom strålning under 280 nm inte når jordens yta. Varje sådan faktor kommer med två ytterligare uppgifter: vilket spektralområde den avser och i vilket mätplan den mättes – utan båda kan talet inte verifieras.
Författare: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia är verkställande direktör för Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen och leder det ackrediterade kalibreringslaboratoriet. Efter sin forskning om pulsade xenon-excimerurladdningar vid Institute of Lighting Technology på KIT ligger hans fokus idag på mätning av optisk strålning. Han är vice ordförande för DIN-standardiseringskommittén FNL 7 "Optisk strålning" och medlem i DVGW:s projektgrupp för UV-desinfektion.
