mess:radiometer
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mess:radiometer [2018/04/12 15:32] – sarina | — | ||
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- | ====== Radiometer ====== | ||
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- | Radiometer messen die gesamte Bestrahlungsstärke in einem breiteren Wellenlängenbereich. Radiometer, die über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich messen sind als sogenannte Luxmeter erhältlich. Auch für verschiedene UV-Wellenlängenbereiche sind Radiometer erhältlich. | ||
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- | Herz des Radiometers ist eine Photodiode. Dieser Halbleiterkristall erzeugt im Quasi-Kurzschluss-Betrieb elektrischen Strom, wenn er einfallendes Licht absorbiert. Der Strom wird verstärkt und ein Messwert, proportional zur Stromstärke, | ||
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- | Anstelle einer Photodiode, die empfindlich im UV-Bereich ist, kann auch eine Photodiode für den sichtbaren Bereich zusammen mit einem Leuchtstoff, | ||
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- | Gegenüber Spektrometer haben Radiometer Vorteile: Sie sind leicht zu transportieren, | ||
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- | Radiometer haben aber natürlich auch Nachteile, die zu verschiedenen statistischen und systematischen Fehlern führen {{wikindx> | ||
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- | Ein wichtiger Fehlerbeitrag ist die Kosinuskorrektur des Radiometers (siehe detaillierter auch Abschnitt [[mess/ | ||
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- | ===== Fehlerquelle: | ||
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- | Der größte Fehler bei Radiometern stammt aus der spektralen Empfindlichkeit des Messgeräts. Die verwendete Siliziumphotodiode misst jede Strahlung zwischen 190 nm und 1100 nm. Durch Filter muss der Bereich auf die gewünschten Wellenlängen eingegrenzt werden. | ||
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- | Wenn nur UVC-Strahlung gemessen werden soll, sind Filter nötig, die alle Strahlung mit einer Wellenlänge größer als 280 nm absorbieren. Diese Filter lassen aber gelegentlich doch Teile der UVA oder sichtbaren Strahlung durch. Wenn das UVC-Radiometer nur für Lichtquellen genutzt wird, die hauptsächlich UVC abstrahlen (z.B. UVC Desinfektionslampen) ist das unproblematisch. Nutzt man ein solches UVC-Radiometer aber für Sonnenlicht oder helle Terrarien-UV-Lampen kann das Messgerät „geblendet“ werden. Die Intensität der sichtbaren Strahlung und der UVA-Strahlung ist um viele Größenordnungen größer als die Intensität der UVC-Strahlung. Es kann passieren, dass das der Filter einen sehr kleinen Anteil der sichtbaren und UVA-Strahlung passieren lässt und dieser kleine Anteil immer noch viel intensiver als die UVC-Strahlung ist und das Messgerät daher einen fälschlicherweise zu großen Wert anzeigt. Im Fall der UVC-Strahlung kann man das teilweise überprüfen, | ||
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- | Out-of-Band-Responses habe ich praktisch bisher nur bei UVC-Messgeräten als relevant erlebt. Das folgende Beispiel gilt dagegen für alle Radiometer. | ||
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- | Wenn nur exakt der UVB-Bereich gemessen werden soll müsste man Filter für die Siliziumphotodiode finden, die alle Strahlung mit der Wellenlänge größer als 315 nm und kleiner als 280 nm komplett absorbieren und alle Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 280 nm und 315 nm komplett ungefiltert durchlassen. Das ist nicht möglich. Stattdessen wird die spektrale Empfindlichkeit des Messgeräts immer eine glatte Kurve sein. Es wird nie ein UVB-Radiometer geben, das tatsächlich UVB misst. Tatsächlich misst das Messgerät etwas anderes, rechnet den Wert aber intern um und zeigt UVB in µW/cm² an. Das UVB-Radiometer wird so kalibriert, dass das der Messwert für eine Kalibrationslampe korrekt ist. | ||
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- | Diese Funktionsweise ist so ähnlich wie die Funktion von Messbechern für Mehl oder Zucker, die es in manchen Küchen gibt. Wenn man keine Waage hat, aber 300 g Mehl benötigt, schüttet man einfach so viel Mehl in den Messbecher bis die Marke für 300 g Mehl erreicht ist. Obwohl der Messbecher eigentlich etwas ganz Anderes misst (nämlich das Volumen des Mehls), kann man damit trotzdem die richtige Menge Mehl abmessen. Wenn man aber nun 300 g Zucker benötigt, dann funktioniert die Methode plötzlich nicht mehr. Das liegt daran, dass das Gewicht pro Volumen bei Mehl und Zucker völlig unterschiedlich ist. Das gleiche Problem entsteht, wenn man mit dem UVB-Radiometer die UVB-Strahlung einer Lampe messen will, die ein völlig anders Spektrum hat. | ||
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- | Misst man mit dem oben gezeigten UVB-Radiometer eine Lampe ohne UVB-Strahlung aber viel UVA-Strahlung, | ||
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- | Dieser Fehler kann sehr dramatische Formen annehmen. Häufig zitiert wird im Terrarianerkreisen die Arbeit von Sayre & Kligman {{wikindx> | ||
- | ^ Filter | ||
- | | WG-320 | ||
- | | WG-335 | ||
- | | WG-345 | ||
- | | WG-360 | ||
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- | Manche lehnen UV-Radiometer in der Terraristik aufgrund dieser Fehler vollständig ab {{wikindx> | ||
- | * Die Fehler sind keinesfalls zufällig sondern lassen sich aus den Spektren und der spektralen Empfindlichkeitskurve erklären. Leider machen die Autoren keine näheren Angaben, welchen UVB-Sensor sie 1991 verwendet haben, ich verwende für die Erklärung daher einen der UVB-Sensoren, | ||
- | * Der einzig wirklich besorgniserregende Fehler ist der Messwert mit WG-320-Filter: | ||
- | * Bei UV-Index-Radiometern tritt dieser Fehler aber auf. Allgemein ist der Fehler durch die spektrale Empfindlichkeit nur dann groß, wenn 1) die spektrale Empfindlichkeit des Radiometers schlecht zur Wunschkurve passt und 2) die Lampe viel Intensität im Bereich der schlechten Übereinstimmung hat.((Beides ist im Beispiel von Sayre & Kligman der Fall ist: Die Empfindlichkeitskurve des UVB-Radiometers hat wenig Ähnlichkeit mit der tatsächlichen UVB-Kurve und die Lampen haben viel Intensität im Bereich 300 nm bis 350 nm.)) Der Fehler ist sehr viel kleiner, wenn die spektrale Empfindlichkeitskurve ähnlich zur gewünschten Messkurve ist. Die Empfindlichkeitsurve für Erythembildung, | ||
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- | Als UV-Radiometer sollten daher immer UV-Index-Radiometer verwendet werden, deren spektrale Empfindlichkeit sehr gut mit der tatsächlichen Funktion für den UV-Index übereinstimmt. Bei den Solarmeter 6.5 UV-Index-Radiometern ist das der Fall. Bei anderen Messgeräten muss die spektrale Empfindlichkeit beim Hersteller angefragt werden und kritisch geprüft werden. Wenn die spektrale Empfindlichkeit stimmt, halte ich den Einsatz von UV-Index-Radiometer in der Terraristik für sehr sinnvoll. Zur Sicherheit sollte man aber immer von einem möglichen Fehler von bis zu 30 % ausgehen und bei sehr exotischen Lampen doppelt vorsichtig zu sein. | ||
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- | ==== Details zur Spektralen Empfindlichkeit ==== | ||
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- | {{formelfreak> | ||
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- | Als Formel ausgedrückt, | ||
- | \[ | ||
- | S = \int\mathrm{d}\lambda E_\lambda(\lambda) | ||
- | \] | ||
- | Diese Formel kann als Summe ($\sum_n$) oder als Integral ($\int$) geschrieben werden, und ist als Summe für mathematisch ungeübte Menschen wohl einfacher zu verstehen. Die Anweisung lautet: Bei jeder Wellenlänge $\lambda_n$ ($\lambda_n$ ist beispielsweise 280nm, 281nm, 282nm usw. in Schritten $\Delta\lambda=$1nm) wird die Bestrahlungsstärke des Lichts $E_\lambda(\lambda_n)$ gemessen und mit der spektralen Empfindlichkeit $A(\lambda_n)$ bei dieser Wellenlänge $\lambda_n$ multipliziert. Anschließend werden alle Werte addiert. Beispiel: | ||
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- | < | ||
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- | ^ $n$ ^ $\lambda_n$ | ||
- | | 1 | 280 nm | @#E17FFF: 0.002 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 100 | @# | ||
- | | 2 | 285 nm | @#E17FFF: 0.001 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 99 | @# | ||
- | | 3 | 290 nm | @#E17FFF: 0.035 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 97 | @# | ||
- | | 4 | 295 nm | @#E17FFF: 0.049 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 93 | @# | ||
- | | 5 | 300 nm | @#E17FFF: 0.529 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 81 | @# | ||
- | | 6 | 305 nm | @#E17FFF: 1.829 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 73 | @# | ||
- | | 7 | 310 nm | @#E17FFF: 5.477 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 65 | @# | ||
- | | 8 | 315 nm | @#E17FFF: 13.442 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 58 | @# | ||
- | | 9 | 320 nm | @#E17FFF: 13.627 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 44 | @# | ||
- | | 10 | 325 nm | @#E17FFF: 17.569 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 21 | @# | ||
- | | 11 | 330 nm | @#E17FFF: 25.637 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 4 | @# | ||
- | | 12 | 335 nm | @#E17FFF: 32.354 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 0 | @# | ||
- | | 13 | 340 nm | @#E17FFF: 41.639 µW/cm²/nm | @#FF7F9F: 0 | @# | ||
- | ^ | ||
- | ^ | ||
- | |||
- | < | ||
- | [{{: | ||
- | < | ||
- | {{clear}} | ||
- | |||
- | Der Kalibrierungsfaktor wird so bestimmt, dass der Radiometer-Messwert für eine Kalibrierungslampe mit dem spektral ermittelten Messwert übereinstimmt. Dabei kann sowohl eine breitbandige Lichtquelle als auch ein Linienstrahler verwendet werden {{wikindx> | ||
- | |||
- | | ||
- | {{clear}} | ||
- | ^ UVB Messwert Spektrometer | ||
- | ^ Stromsignal UV-Radiometer | ||
- | ^ Kalibrierungs-Faktor | ||
- | |||
- | Der Messwert des Radiometer für eine Lichtquelle $E_\lambda(\lambda)$ ist letztlich | ||
- | \[ | ||
- | M = K\cdot \int\mathrm{d}\lambda A(\lambda)E_\lambda(\lambda) | ||
- | \] | ||
- | |||
- | Wenn das Spektrum der Kalibrierungslampe, | ||
- | |||
- | \[ | ||
- | a = | ||
- | \frac{ | ||
- | \int\mathrm{d}\lambda E^\mathrm{kalibr.}_\lambda(\lambda)\cdot W(\lambda) | ||
- | }{ | ||
- | \int\mathrm{d}\lambda E^\mathrm{kalibr.}_\lambda(\lambda)\cdot A(\lambda) | ||
- | } | ||
- | \frac{ | ||
- | \int\mathrm{d}\lambda E_\lambda(\lambda)\cdot A(\lambda) | ||
- | }{ | ||
- | \int\mathrm{d}\lambda E_\lambda(\lambda)\cdot W(\lambda) | ||
- | } | ||
- | = | ||
- | \frac{ | ||
- | K | ||
- | \int\mathrm{d}\lambda E_\lambda(\lambda)\cdot A(\lambda) | ||
- | }{ | ||
- | \int\mathrm{d}\lambda E_\lambda(\lambda)\cdot W(\lambda) | ||
- | } | ||
- | \] | ||
- | |||
- | Man kann sogar einen Schritt weiter gehen und einen Korrekturfaktor für diese Lampe und dieses Radiometer für ein anderes Wirkspektrum berechnen. Sobald man diesen Korrekturfaktor hat, kann man ein UVB-Radiometer theoretisch auch verwenden um (für diese spezielle Lampe!) den UV-Index oder die effektive Bestrahlungsstärke für Vitamin D zu messen. | ||
- | |||
- | **Beispiel: | ||
- | ^ | ||
- | ^ UVB: | 89,6 µW/ | ||
- | ^ Vitamin D: | - | 14 µW/ | ||
- | |||
- | ^ Breitband-Messwert | ||
- | ^ 50 µW/ | ||
- | ^ 100 µW/ | ||
- | ^ 150 µW/ | ||
- | ^ 200 µW/ | ||
- | ^ 300 µW/ | ||
- | |||
- | Der Korrekturfaktur muss für jedes Messgerät ($A(\lambda)$ mit Kalibrierung $K$) und jede gewünschte Anwendung (Wirkungsspektrum $W(\lambda)$ und Lampe $E_\lambda(\lambda)$) bestimmt werden. Will man die Abhängigkeit von der konkreten Lampe reduzieren, bietet sich, der " | ||
- | (( | ||
- | Um den Einfluss des verwendeten Kalibrationsspektrums $S_\mathrm{K}(\lambda)$ zu eliminieren, | ||
- | $\tilde f_1' = 1 - \frac{\int\mathrm{d}\lambda \left| \overline{A}(\lambda) - \overline{W}(\lambda) \right|}{2}$ berechnen. $\overline{A}(\lambda)$ und $\overline{W}(\lambda)$ sidn jeweils auf Fläche=1 normiert. $\tilde f_1'$ liegt zwischen 0, wenn kein Uberlapp vorhanden ist, und 1 bei identischen Spektren. | ||
- | )) | ||
- | : | ||
- | \[ | ||
- | f_1' = \frac{ | ||
- | \int\mathrm{d}\lambda \left| W(\lambda)-K A(\lambda)\right| | ||
- | }{ | ||
- | \int\mathrm{d}W(\lambda) | ||
- | } | ||
- | \] | ||
- | |||
- | |||
- | Übersicht über einige Korrekturfaktoren, | ||
- | |||
- | ^ Quelle | ||
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- | | Conrad | ||
- | | Conrad | ||
- | | Conrad | ||
- | | Conrad | ||
- | | Conrad | ||
- | | Conrad | ||
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- | ====== Literatur ====== | ||
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- | {{wikindxbib}} | ||
mess/radiometer.txt · Last modified: 2023/06/18 11:04 by sarina