mess:radiometer
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mess:radiometer [2018/04/12 15:32] – sarina | mess:radiometer [2023/06/18 11:04] (current) – [Effektive Bestrahlungsstärke] sarina | ||
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- | {{menu> | + | ====== Breitband-Radiometer ====== |
- | ====== Radiometer ====== | + | Breitbandradiometer ist die Bezeichnung für die Luxmeter und UV-Messgeräte die Reptilienhalter am häufigsten verwenden. Sie sind extrem einfach in der Anwendung, weil man sie nur unter die Lampe halten muss und den Messwert direkt am Display ablesen kann. Trotzdem lohnt sich ein genauerer Blick auf die Funktionsweise und Messfehler. Tatsächlich sind die Geräte oft tückischer als es auf den ersten Blick scheint. |
- | 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. | + | ===== Aufbau und Funktionsweise ===== |
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, | 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, | ||
- | Anstelle einer Photodiode, die empfindlich im UV-Bereich ist, kann auch eine Photodiode für den sichtbaren Bereich zusammen mit einem Leuchtstoff, | + | Anstelle einer Photodiode, die empfindlich im UV-Bereich ist, kann auch eine Photodiode für den sichtbaren Bereich zusammen mit einem Leuchtstoff, |
- | Gegenüber Spektrometer haben Radiometer Vorteile: Sie sind leicht zu transportieren, | + | Zusätzlich dient eine Streuscheibe |
- | Radiometer haben aber natürlich auch Nachteile, die zu verschiedenen statistischen und systematischen Fehlern führen | + | [{{:mess: |
- | Ein wichtiger Fehlerbeitrag | + | {{clear}} |
+ | |||
+ | ===== Effektive Bestrahlungsstärke ===== | ||
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+ | Ein Breitband-Radiometer weiß nichts über das Spektrum der Lichtquelle. Trotzdem hängt die Messung mit dem Spektrum zusammen. Das Breitbandradiometer misst immer eine effektive Bestrahlungsstärke. Die lässt sich auch aus dem mit dem [[Spektrometer]] gemessenen Spektrum berechnen. Weil das Breitband-Radiometer aber auf den " | ||
+ | |||
+ | Aus der spektralen Messung erhält man die spektrale Bestrahlungsstärke $E_\lambda(\lambda)$ (z.B. in der Einheit µW/ | ||
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+ | Das resultierende Produktspektrum $E_\lambda(\lambda)\cdot W(\lambda)$ wird dann aufintegriert, | ||
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+ | Manche effektive Bestrahlungsstärken werden anschließend noch mit einem Faktor multipliziert oder durch einen Divisor dividiert. So wird aus der effektiven Bestrahlungsstärke für Erythembildung, | ||
+ | |||
+ | Es lohnt sich für das Verständnis und um ein Gefühl zu erhalten, diese Rechnung für verschiedene Lichtspektren und Wirkspektren selbst durchzuführen. Das " | ||
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+ | ==== Effektive Bestrahlungsstärke (Berechnung von Lux) des Sonnenlichts ==== | ||
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+ | {{ : | ||
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+ | Um die Beleuchtungsstärke zu berechnen benötigt man als Wirkspektrum die Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges. Die Kurve hat ihr Maximum bei 555 nm Wellenlänge und fällt bis 400 nm und 700 nm Wellenlänge | ||
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+ | Das Sonnenspektrum $E_\lambda(\lambda)$ wird an jeder Wellenlänge mit dem Wirkspektrum $W(\lambda)$ multipliziert. Da $W(\lambda=400\, | ||
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+ | Die effektive Bestrahlungsstärke ist das Integral $\int \mathrm{d} E_\lambda(\lambda) \cdot W(\lambda)$. Anschaulich ist das Integral die Fläche unter der Kurve $E_\lambda(\lambda)\cdot W\lambda)$. Man kann das Integral zur Kontrolle im Kopf nachrechnen: | ||
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+ | Die 17'000 µW/cm² werden anschließend durch Multiplikation mit 6.83 lx(µW/ | ||
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+ | ==== Solarmeter 6.2 Messwert zweier Leuchtstofflampen ==== | ||
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+ | Das Solarmeter 6.2 $W(\lambda)$ hat eine maximale Empfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 280 nm. Die beiden Spektren | ||
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+ | {{: | ||
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+ | Da die beiden Lampen eine hohe spektrale Bestrahlungsstärke im Wellenlängenbereich zwischen 310 nm und 320 nm haben und das Wirkspektrum des UVB-Radiometers hier noch nicht auf Null abgefallen ist, ist es dieser Wellenlängenbereich der am stärksten zur effektiven Bestrahlungsstärke beiträgt. Allein | ||
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+ | Obwohl es sich um ein UVB-Radiometer handelt, trägt auch der Bereich | ||
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+ | In diesem Beispiel sind die effektiven Bestrahlungsstärken 96 µW/cm² und 395 µW/cm², auch diese Zahlen lassen sich im Kopf mit der Dreiecksformel nachrechnen. Um den Messwert des Solarmeter 6.2 zu erhalten muss man diese Zahl noch mit einem Kalibrationsfaktor multiplizieren. Er wird hier ungefähr bei 1,53 liegen, d.h. für die beiden Lampen würde man Messwerte von ungefähr 147 µW/cm² und 604 µW/cm² erwarten. | ||
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+ | ==== Solarmeter 6.5 Messwert zweier Leuchtstofflampen ==== | ||
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+ | Aus das Wirkspektrum des Solarmeter 6.5 $W(\lambda)$ hat eine maximale Empfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 280 nm, fällt aber bereits bei einer Wellenlänge von 320 nm auf fast Null ab. Zusammen mit den beiden Lampenspektren trägt hier die Strahlung bei 300 nm bzw. 310 nm maximal zur effektiven Bestrahlungsstärke bei. | ||
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+ | {{: | ||
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+ | In diesem Beispiel sind die effektiven Bestrahlungsstärken 13 µW/cm² und 206 µW/cm², auch diese Zahlen lassen sich im Kopf mit der Dreiecksformel nachrechnen. Um den Messwert des Solarmeter 6.5 zu erhalten muss man diese Zahl noch mit einem Kalibrationsfaktor multiplizieren. Er wird hier ungefähr bei $\frac{0.32\mathrm{UVI}}{\mathrm{µW/ | ||
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+ | ===== Fehlerquellen ===== | ||
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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 {{wkx> | ||
- | ===== Fehlerquelle: | + | ==== Fehlerquelle: |
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. | 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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Out-of-Band-Responses habe ich praktisch bisher nur bei UVC-Messgeräten als relevant erlebt. Das folgende Beispiel gilt dagegen für alle Radiometer. | Out-of-Band-Responses habe ich praktisch bisher nur bei UVC-Messgeräten als relevant erlebt. Das folgende Beispiel gilt dagegen für alle Radiometer. | ||
- | 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. | + | 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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Misst man mit dem oben gezeigten UVB-Radiometer eine Lampe ohne UVB-Strahlung aber viel UVA-Strahlung, | Misst man mit dem oben gezeigten UVB-Radiometer eine Lampe ohne UVB-Strahlung aber viel UVA-Strahlung, | ||
- | Dieser Fehler kann sehr dramatische Formen annehmen. Häufig zitiert wird im Terrarianerkreisen die Arbeit von Sayre & Kligman {{wikindx>667}}. Sie verwendeten als UVB-Radiometer einen leider nicht näher spezifizierten Sensor von International Light mit maximaler Empfindlichkeit bei 290 nm. Als Lampe verwendeten sie eine Xenon-Kurzbogenlampe, | + | Dieser Fehler kann sehr dramatische Formen annehmen. Häufig zitiert wird im Terrarianerkreisen die Arbeit von Sayre & Kligman {{wkx>667}}. Sie verwendeten als UVB-Radiometer einen leider nicht näher spezifizierten Sensor von International Light mit maximaler Empfindlichkeit bei 290 nm. Als Lampe verwendeten sie eine Xenon-Kurzbogenlampe, |
^ Filter | ^ Filter | ||
| WG-320 | | WG-320 | ||
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| WG-360 | | WG-360 | ||
- | Manche lehnen UV-Radiometer in der Terraristik aufgrund dieser Fehler vollständig ab {{wikindx> | + | Manche lehnen UV-Radiometer in der Terraristik aufgrund dieser Fehler vollständig ab {{wkx> |
* 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, | * 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: | * Der einzig wirklich besorgniserregende Fehler ist der Messwert mit WG-320-Filter: | ||
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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. | 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. | ||
- | ==== Details zur Spektralen Empfindlichkeit ==== | + | === Fehler f1' |
+ | Die Größe des Fehlers durch die Spektrale Empfindlichkeit wird mit dem Faktor $f_1'$ beschrieben. | ||
- | {{formelfreak> | + | \[ |
+ | f_1' = \frac{ | ||
+ | \int\mathrm{d}\lambda \left| W(\lambda)-K\cdot{}A(\lambda)\right| | ||
+ | }{ | ||
+ | \int\mathrm{d}W(\lambda) | ||
+ | } | ||
+ | \] | ||
+ | dabei sind: $W(\lambda)$ gewünschte Wirkfunktion, | ||
+ | |||
+ | Für UV-Messgeräte schreibt DIN5031-11 vor f< | ||
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+ | Für Luxmeter gilt nach DIN 5032-6 f< | ||
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+ | === Details zur Spektralen Empfindlichkeit === | ||
[{{ : | [{{ : | ||
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{{clear}} | {{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>120}}. Als Linienstrahler wird üblicherweise eine [[: | + | 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 {{wkx>120}}. Als Linienstrahler wird üblicherweise eine [[: |
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\] | \] | ||
- | Wenn das Spektrum der Kalibrierungslampe, | + | Wenn das Spektrum der Kalibrierungslampe, |
\[ | \[ | ||
Line 135: | Line 200: | ||
^ 300 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 " | + | 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, | Um den Einfluss des verwendeten Kalibrationsspektrums $S_\mathrm{K}(\lambda)$ zu eliminieren, | ||
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- | Übersicht über einige Korrekturfaktoren, | + | Übersicht über einige Korrekturfaktoren, |
^ Quelle | ^ Quelle | ||
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| Conrad | | Conrad | ||
| Conrad | | Conrad | ||
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+ | ==== Fehlerquelle: | ||
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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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+ | Sowohl die spektrale als auch die absolute Empfindlichkeit des Radiometers kann temperaturabhängig sein, so dass ein Messgerät, das durch die Wärmestrahlung der Lampe aufgeheizt wird, veränderte Werte liefert. Beim einem Solarmeter 6.2 wurde eine sehr geringe Erhöhung der Messwerte bei Temperaturen größer als 40°C ermittelt {{wkx> | ||
+ | |||
+ | ==== Fehlerquelle: | ||
+ | |||
+ | Bei Messgeräten mit einem großen Eingang, kann eine inhomogene Lichtverteilung über die Sensorfläche und das Gesichtsfeld des Sensors den Messwert verfälschen ({{wkx> | ||
+ | ==== Fehlerquelle: | ||
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+ | Auch eine Modulation der Lichtintensität, | ||
+ | |||
+ | ==== Fehlerquelle: | ||
+ | |||
+ | Insbesondere wenn sehr kleine Messwerte gemessen werden sollen, spielt das statistische Dunkelsignal der Photodiode eine Rolle. Das Rauschen von Radiometern ist aber - vor allem im Vergleich zu günstigen Spektrometern - sehr gering. | ||
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+ | ==== Fehlerquelle: | ||
+ | |||
+ | Durch den Einfluss der UV-Strahlung können UV-Radiometer altern. Es ist empfehlenswert, | ||
+ | |||
+ | ==== Fehlerquelle: | ||
+ | |||
+ | Photodioden zeichnen sich normalerweise durch eine hohe Linearität aus, d.h. bei doppelter Bestrahlungsstärke zeigt das Radiometer auch tatsächlich den doppelten Wert an. Es gibt jedoch auch defekte Messgeräte, | ||
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====== Literatur ====== | ====== Literatur ====== | ||
- | {{wxblind> | + | {{wkxblind> |
- | {{wikindxbib}} | + | {{wkxbib}} |
mess/radiometer.1523539932.txt.gz · Last modified: 2019/02/16 09:24 (external edit)