mess:radiometer
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mess:radiometer [2020/02/23 14:16] – [Literatur] 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 | + | [{{: |
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+ | {{clear}} | ||
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+ | ===== 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 " | ||
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+ | Aus der spektralen Messung erhält man die spektrale Bestrahlungsstärke $E_\lambda(\lambda)$ (z.B. in der Einheit µW/ | ||
+ | |||
+ | Das resultierende Produktspektrum $E_\lambda(\lambda)\cdot W(\lambda)$ wird dann aufintegriert, so dass eine einzelne Zahl entsteht: $\int\mathrm{d}\lambda\, | ||
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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, durch Division durch 2,5 µW/cm², der einheitenlose UV-Index. Die effektive Bestrahlungsstärke mit der Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges wird mit 6,83 lm/ | ||
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+ | 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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+ | 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 auf 0 ab. | ||
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+ | Das Sonnenspektrum $E_\lambda(\lambda)$ wird an jeder Wellenlänge mit dem Wirkspektrum $W(\lambda)$ multipliziert. Da $W(\lambda=400\,\mathrm{nm})=0$ ist, ist auch das Produkt $E_\lambda(\lambda=400\, | ||
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+ | Die effektive Bestrahlungsstärke | ||
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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 | ||
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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 aus dem Wirkspektrum des UVB-Radiometers wird das nicht sichtbar. | ||
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+ | Obwohl es sich um ein UVB-Radiometer | ||
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+ | In diesem Beispiel sind die effektiven | ||
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+ | ==== Solarmeter 6.5 Messwert | ||
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+ | Aus das Wirkspektrum des Solarmeter 6.5 $W(\lambda)$ hat eine maximale Empfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 280 nm, fällt | ||
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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, | ||
- | Ein wichtiger Fehlerbeitrag ist die Kosinuskorrektur des Radiometers (siehe detaillierter | + | Radiometer haben aber natürlich |
- | ===== 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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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< | ||
+ | |||
+ | Für Luxmeter gilt nach DIN 5032-6 f< | ||
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+ | === Details zur Spektralen Empfindlichkeit === | ||
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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> | ||
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+ | ==== Fehlerquelle: | ||
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+ | 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, | ||
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+ | ==== Fehlerquelle: | ||
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+ | 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: | ||
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+ | Durch den Einfluss der UV-Strahlung können UV-Radiometer altern. Es ist empfehlenswert, | ||
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+ | ==== Fehlerquelle: | ||
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+ | 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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mess/radiometer.1582463761.txt.gz · Last modified: 2020/02/23 14:16 by sarina