Grundlagen der UV-Messung und Lösungen bei UV-Härtungsanwendungen

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1 Dipl.-Ing. Andreas Renzel UV-Messung Grundlagen der UV-Messung und Lösungen bei UV-Härtungsanwendungen Inhalt: 1 Einführung Das Elektromagnetische Spektrum Strahlungsquellen für UV-Härtungsapplikationen und deren Spektren Strahlungsphysikalische Messgrößen. 3 5 Strahlungsempfänger zur Messung von UV-Strahlung Richtungsabhängigkeit des Sensors Zeitliches Verhalten Sampling Rate Wellenlängenspezifische Empfindlichkeit Intensitäts- und Dosismessgeräte Wellenlängenempfindlichkeit UV-Messgeräte in der Praxis UV-Integratoren UV-Spektrometer UV-Messgerät für UV-Intensitäts-Kurzzeitmessungen UV-Online-Messgerät UV-Online-Regelung Kundenspezifische Lösungen Kalibrierung von UV-Messgeräten Einführung Als Anwender von UV-Härtungssystemen stellt sich die Frage, wie gut die UV-Bestrahlung und damit verbunden das Härten der Farbe bzw. des Lackes ist. In dieser Frage stecken zwei Fragen: Zum einen die Frage nach der nötigen Menge an UV und zum Anderen die Frage nach dem Resultat hiervon, also der Härtung aufgrund der UV-Menge. In der Praxis wird deshalb auch entsprechend verfahren: Viele Kunden beschränken sich darauf das Resultat, also die mehr oder weniger gehärtete Farbe (oder Lack) durch verschiedene Methoden zu testen (Gitterschnitt-Test, Klebefilmtest, FINAT-Methoden etc.). Sinnvoller ist es jedoch zu messen, wieviel UV das Substrat erreicht. Also quantitativ zu messen bevor die Farbe/der Lack gehärtet worden ist um hierdurch Produktionsausschuss zu vermeiden. Der Trend zeigt, dass das Messen von UV immer mehr in den Fokus der Anwender rückt. Zu teuer ist es, Ausschuss zu produzieren. Qualitätsmanagemetsysteme erfordern es zudem, dass Prozesse dokumentiert werden. Diejenigen, die sich mit UV-Messtechnik intensiver auseinandersetzen, stellen häufig fest, dass Messgeräte unterschiedlicher Hersteller voneinander abweichende Messergebnisse liefern. Woran liegt dies? Dieser Frage soll im Folgenden nachgegangen werden. Es werden hierzu einige physikalische Grundlagen erklärt. Desweiteren werden Lösungen für die Umsetzung von UV-Messaufgaben in der Praxis gezeigt. Seite 1/16

2 2. Das Elektromagnetische Spektrum Wir alle wissen, dass das Licht der Sonne das gesamte Farbspektrum enthält, vom kurzwelligen Violett (Wellenlänge = 400 nm) bis zum langwelligen Rot (700 nm). Man spricht beim Sonnenlicht deshalb auch von weissem Licht. Dieser Bereich ist jedoch nur ein Teil des Elektromagnetischen Spektrums. Es gibt daneben noch langwelligere Strahlung, die sog. Infrarot-Strahlung (IR, > 400 nm) und kürzerwellige Strahlung, das Ultraviolett (UV, > 400 nm). Infrarot ist uns als Wärmestrahlung bekannt, UV kennt jeder, der schon einmal einen Sonnenbrand bekommen hat. Die einzelnen Wellenlängenbereiche sind entsprechend der DIN [1] wie folgt definiert (die CIE-Publikationen weichen hiervon geringfügig ab): Fig 1: Sichtbarer Teil des Elektromagnetischen Spektrums UV-C = 100 bis 200 nm (Vakuum-UV) = 200 bis 280 nm (fernes UV) UV-B = 280 bis 315 nm UV-A = 315 bis 400 nm (lt. DIN nur bis 380 nm definiert, wird aber häufig bis 400 nm angegeben) UV-VIS = 400 bis 450 nm (häufig auch 395 bis 445 nm; nicht nach DIN definiert) Licht (VIS) = 380 bis 780 nm (häufig auch 400 bis 780 nm) Dass die Sonnenstrahlung auf der Erde mehr als nur Licht bietet, lässt sich gut erkennen, wenn man die einzelnen Wellenlängen voneinander getrennt erfasst. Dies ermöglicht ein Spektrometer. Mehr oder weniger jede Wellenlänge kann damit in einem gewissen Bereich einzeln erfasst werden. Das Sonnenspektrum sieht dann wie folgt aus: Fig. 2: Sonnenspektrum zwischen 300 und 1300 nm Fig. 3: Prinzip eines Array-Spektrometers Deutlich ist, dass die einzelnen Farbanteile unterschiedlich intensiv auftreten. Ebenfalls deutlich ist, dass unterhalb von ca. 300 nm keine UV-Strahlung in der Natur vorkommt. Hinzu kommt, dass die Strahlung kontinuierlich ist. Das heißt, dass im sichtbaren Bereich alle Wellenlängen vorkommen. Die zum Härten von Farben und Lacken verwendeten UV-Mitteldruckstrahler emittieren dagegen gerade im kurwelligen UV. Deshalb sind sie interessant, da die UV-Farben nur geringfügig mit dem natürlichen Licht reagieren. Hierauf soll im Folgenden eingegangen werden. Seite 2/16

3 3. Strahlungsquellen für UV-Härtungsapplikationen und deren Spektren Spektren von UV-Mitteldruckstrahlern und UV-LEDs In der industriellen UV-Anwendung zum Härten von Farben/Lacken werden meist UV-Mitteldruckstrahler verwendet. Eine andere Strahlungsquelle, die vermehrt für spezielle Härtungsanwendungen verwendet findet, ist die UV-LED-Lichtquelle. Diese emittiert quasi nur eine Wellenlänge. Die Spektren dieser Strahlungsquellen sehen wie folgt aus: Fig. 4: Spektrum UV-Mitteldruckstrahler (Hg) Fig. 5: Spektrum 395 nm-led Fazit: Die emittierte Strahlung eines UV-Mitteldruckstrahlers ist diskontinuierlich. Die optische Leistung wird in Form der sog. Spektrallinien abgegeben. Es treten also voneinander getrennte (diskrete) Stellen erhöhter Intensität, die sog. Spektrallinien auf. Gleiches gilt für dotierte UV-Strahler. Durch die Dotierungen bleibt das Spektrum zwar diskontinuierlich ist aber, was die einzelnen UV-Bereiche angeht, anders verteilt. UV-LED-Systeme emittieren quasi-monochromatische Strahlung, meist im UV-Licht-Grenzbereich. 4. Strahlungsphysikalische Messgrößen Bei der UV-Messung wird ausschließlich mit radiometrischen Größen gerechnet (auch strahlungsphysikalische Größen genannt). Ihre Formelbuchstaben erhalten nach DIN 5031 den Index e (energetisch). Diese radiometrischen Größen sind anders als in der Photometrie (Lichtmesstechnik) unbewertete Größen (dort Index v für visuell; die Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges ist dort berücksichtigt) [2]: Bestrahlungsstärke Ee (häufig auch als Intensität oder als Peak bezeichnet): Bestrahlungsstärke, Intensität E e: [Ee] = W/m² oder mw/cm² Über die Zeit kann mit der Bestrahlungsstärke die Bestrahlung He (auch Dosis genannt) berechnet werden. Bestrahlung, Dosis H e: [He] = J/m² oder mj/cm² Die Berechnung der Bestrahlung (Dosis) geschieht wie folgt: Dosis H e = Bestrahlungsstärke, Intensität E e x Zeit t Seite 3/16

4 Zur Berechnung der Dosis ist die Zeit t in Sekunden zu rechnen. Desweiteren gilt für Umrechnungen: 1 mw/cm² = 10 W/m² 1 mj/cm² = 10 J/m² Die Dosis wird in der Praxis mit einem sog. UV-Integrator gemessen. Dieser sammelt entweder in einer gewissen Zeit die einfallende Strahlung (er integriert die Strahlung auf, daher der Name) oder aber der Integrator misst die UV-Bestrahlungsstärke und die jeweilige Dauer und multipliziert beide. Das Resultat ist die Bestrahlung (Dosis). Wieviele Messwerte pro Sekunde aufgenoimmen werden, gibt die Sampling Rate an. Nicht zu verwechseln sind die o.g. physikalischen optischen Größen mit den elektrischen Werten eines UV- Mitteldruckstrahlers. Beispielsweise kann aus der Angabe 120 W/cm nicht einfach umgerechnet werden, wieviel mw/cm² an UV-Strahlung auf dem zu bestrahlenden Substrat auftrifft, da die Angabe 120 W/cm lediglich die spezifische elektrische Leistung des UV-Strahlers beschreibt, während die Bestrahlungsstärke in mw/cm² angibt, wieviel UV auf dem Substrat auftrifft (optische Größe). Folgende wesentliche Faktoren gehen in das Ergebnis ein: - Abstand zwischen UV-Strahler bis zum Substrat - Reflektorgeometrie und Reflexionseigenschaften der Reflektoreinheit - Reflexionseigenschaften in der Umgebung der UV-Reflektoreinheit - Spektrum des UV-Strahlers - Seite 4/16

5 5. Strahlungsempfänger zur Messung von UV-Strahlung Um ein aussagekräftiges Ergebnis bei der UV-Strahlungsmessung zu erhalten, muss der Strahlungsempfänger sowohl eine qualitative als auch quantitative Bewertung der UV-Strahlung zulassen [3]. Quailitativ bedeutet in diesem Fall, dass der Benutzer weiß, in welchem Wellenlängenbereich gemessen wird, quantitativ bedeutet, dass das Messgerät absolute Angaben macht. In der Praxis gibt es jedoch auch andere Lösungen, z.b. wenn ein UV-Messgerät über den gesamten UV-Bereich (sog. Breitbandsensor) misst oder aber, wenn ein Sensor lediglich ein relatives Ausgangssignal abgibt. Beispiele der unterschiedlichen UV-Sensoren folgen weiter unten. 5.1 Richtungsabhängigkeit des Sensors Weiterhin ist das räumliche und zeitliche Verhalten des Sensors wichtig. Räumlich bedeutet in diesem Fall, dass das Messergebnis von der Einfallsrichtung der Strahlung abhängt. Sinnvollerweise sollte ein Sensor Cosinusgetreu ( cos-korrigiert ) messen. Fig. 6: Einfluss des Einfallswinkels: Bei einem cosinus-korrigierten Sensor misst dieser bei senkrechter Inzidenz (Strahlungseinfallsrichtung) einen 100 % -Wert, bei 60 -Einfall 50% usw. Bei nicht kosinuskorrigierten Sensoren hat der Sensor eine bestimmte Richtungscharakteristik. Meist wird bei solchen Sensoren die direkt von vorne einfallende Strahlung höher bewertet. 5.2 Zeitliches Verhalten Sampling Rate Unter dem zeitlichen Verhalten wird die Trägheit des Sensors bzw. die zeitliche Auflösung verstanden. Diese ist wichtig, wenn schnelle Impulse gemessen werden sollen. Angegeben wird dies durch die sog. Sampling Rate. Dies ist insb. bei schnell laufenden Maschinen (z.b. beim Becherdruck), gepulstem Betrieb oder auch bei gepulsten LED-Systemen von Relevanz. Fig. 7: Einfluss der Sampling Rate auf die Messgenauigkeit. Die Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der Bestrahlungsstärke. Links: Messgerät mit geringer Sampling Rate. Bei schnell laufenden Maschinen kann ein großer Messfehler entstehen. Rechts: Die Sampling Rate ist ausreichend hoch. Typische Sampling Raten sind 10 ms, also 100 Messungen/s für alle Messkanäle. Es lassen sich für Sonderanwendungen, z.b. bei schnell laufenden Flaschenbedruckungsmaschinen schneller messende Lösungen realisieren. Hier entscheidet die Applikation über die technische Umsetzung der Messaufgabe. Seite 5/16

6 5.3 Wellenlängenspezifische Empfindlichkeit Als Strahlungsempfänger für UV-Strahlung kommen generell in Frage: a) chemisch reaktive Schichten (UV-Messstreifen), b) radiometrisch arbeitende Sensoren (Radiometer, Intensitätsmessgeräte, Dosismessgeräte), c) Spektrometer Auf UV-Messtreifen soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden, da diese meist breitbandig messen und den Anforderungen häufig nicht gerecht werden. Die Intensitäts- und Dosismessgeräte sowie die Spektrometer sollen im Folgenden erläutert werden. 6. Intensitäts- und Dosismessgeräte 6.1 Wellenlängenempfindlichkeit Die sog. Intensitäts- oder Dosismessgeräte arbeiten meist auf dem Radiometerprinzip, beinhalten somit eine oder auch mehrere Photodioden. Als Photodioden werden meist SiC-Dioden verwendet, die speziell für den rauen UV-Einsatz entwickelt worden sind. Aufgebaut sind diese aus der eigentlichen Photodiode und meist einem verbauten Filter im Strahleintrittsbereich. Ggfs. wird auch oberhalb der Photodiode ein geeigneter zusätzlicher Filter platziert. Dieser selektiert aus der einfallenden Strahlung den Wellenlängenbereich, der gemessen werden soll. Im Messgerät selbst sind üblicherweise noch ein Diffusor und eine Eintrittsblende vor der UV-Diode platziert. Fig. 8: Beispiel einer Photodiode (Quelle: TI) Fig. 9: Empfindlichkeitskurven der unterschiedlichen Wellenlängenbereiche des UV-Integrators UV Control Die obige Graphik zeigt, dass Photodioden immer eine Hauptempfindlichkeit bei einer bestimmten Wellenlänge haben. Sinnvollerweise liegt diese in der Mitte des zu messenden UV-Bereichs bzw. dort, wo das Emissionsmaximum des UV-Mitteldruckstrahlers liegt (z.b. für UV-A bei 365 nm). Von hier aus nimmt die Empfindlichkeit zu den kürzeren und längeren Wellenlängen ähnlich einer Gaußkurve ab. Optimalerweise beträgt die Messempfindlichkeit an den Grenzen der genormten UV-Bereichen Null. Ein Beispiel hierfür wird in den beiden folgenden Grafiken aufgezeigt. Die obige Graphik zeigt die Empfindlichkeitskurven der UV-A, -B und C Dioden im UV-Integrator UV Control. Diese sind gut angepasst, um diese drei UV-Bereiche optimiert zu messen (Fig. 10). Ist dagegen die Empfindlichkeitskurve der Diode beispielsweise zu schmal oder sind die Flanken der Dioden unterschiedlich, ist als Folge das Messsignal dieses Wellenlängenbereichs zu gering. Dies ist in der darunterstehenden Graphik anhand der Empfindlichkeitskurve eines Fremdgerätes gezeigt (Fig. 11). Aufgrund eines deutlich zu schmalen Empfindlichkeitsbereichs des UV-C Kanals werden UV-C-Messwerte zu klein angezeigt. Der UV-A Bereich ist ebenso nicht optimal abgestimmt. Die 365 nm-linie eines Mitteldruckstrahlers wird in diesem Beispiel zu gering bewertet. Diese UV-A Messergebnisse spiegeln die Realität daher ungenügend wider. Seite 6/16

7 Beispiel 1: UV Control mit gut angepassten UV-Kanälen Empfindlichkeitskurve UV-C Empfindlichkeitskurve UV-B Empfindlichkeitskurve UV-A Fig. 10 Beispiel 2: Fremdgerät mit ungenügend angepassten Wellenlängenbereichen UV-C: Deutlich schmalerer Empfindlichkeitsbereich UV-A: Empfindlichkeitsmaximum ist langwelliger Fig. 11 UV-A-Messwerte weichen aufgrund des verschobenen Empfindlichkeitsbereichs von denen des UV-Control ab. Der Messbereich entspricht weniger dem genormten UV-A Bereich ( nm) UV-C-Messwerte werden deutlich unterrepräsentiert angezeigt. Seite 7/16

8 Fazit: Die Empfindlichkeitskurven eines Radiometers müssen optimal gewählt sein, um in der Praxis nutzbare Messwerte zu erhalten. Hier liegt der Hauptgrund für unterschiedliche Messwerte unterschiedlicher UV- Messgeräte. Hinzu kommen natürlich noch fertigungsbedingte Toleranzen (Diodentoleranzen, Filtertoleranzen etc.). Dies gilt auch für das Messen von UV-LEDs. Hier ist jedoch die Anforderung hinsichtlich der Wellenlänge einfacher, emittiert eine LED doch praktisch nur bei einer Wellenlänge. Da die praxisrelevanten UV-LED- Härtungssysteme im extrem langwelligen UV oder gerade im kurzwelligen sichtbaren Bereich emittieren, muss jedoch auch hier wieder das größte Empfindlichkeitsmaximum der Messdiode dort liegen, wo die LED strahlt. Das untenstehende Beispiel zeigt ein bei 395 nm emittierendes EDcure LED-System. Ein geeigneter Sensor ist der SI 1. Dieser ist sowohl für 365 als auch für 395 nm LEDs geeignet. Fig. 12: EDcure LED-System und Sensorkurve des SI UV-Messgeräte in der Praxis Im Folgenden sollen diverse Messgeräte für Praxisanwendungen vorgestellt werden. Die prinzipiellen Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Messverfahren lassen sich wie folgt knapp zusammenfassen: Vorteile Radiometer sowohl qualitative als auch quantitative Aussagen sind möglich sehr gute Wiederholgenauigkeit breite Vielfalt erhältlich Dokumentation der Messwerte möglich (Strahlerhistorie) Spektrometer Wellenlängenzugehörige Bestrahlungsstärkeinformationen Zu bewertende Wellenlängenbereiche können auch nach Abschluss der Messung beliebig gewählt werden. UV-Messstreifen geringe Anschaffungskosten flache Höhe ( kann durch jede Maschine laufen ) flexibel Nachteile Keine präzisen Wellenlängeninformationen Kalibrierung muss auf eine bestimmte Strahlungsquelle zurückgeführt werden Preis deutlich höher als einfache Radiometer Nur Dosismessung möglich max. messbare Dosis häufig zu niedrig geringere Messgenauigkeit als Radiometer oder Spektrometer nur bedingt aussagekräftige Ergebnisse, da temperaturempfindlich, begrenzte Lagerfähigkeit Keine präzisen Wellenlängeninformationen auf Dauer summieren sich recht hohe Kosten ( UV-Messstreifen sind Verbrauchsmaterial ) Seite 8/16

9 Full uv Information UV-Integratoren UV Disc Photo Bereiche Einheit Kurzbeschreibung Art. Nr. Peak mw/cm 2 Dosis mj/cm² Typ: UV Disc A Der UV Disc ist ein einfach zu bedienender UV-Integrator. Nach Durchlaufen der UV-Einheit wird die Dosis als mj/cm²-wert auf dem eingebauten Display angezeigt. Gesamt- UV Spektralbereich: Messbereich: Anzeigebereich: Display: Abmessungen: Gewicht: Kalibrierung: nm, max. 330 nm mw/cm² mj/cm² LCD 6 digits Ø 90mm, Höhe 12 mm ca. 140 g Rückführbar auf PTB Spectral measuring range Full UV Sensitivity in % Weitere Varianten oder kundenspezifische Ausführungen auf Nachfrage. UV Control Wellenlänge in nm Der UV Control ist ein UV-Integrator mit mehreren UV-Dioden zur gleichzeitigen Messung der UV-Intensitäten und UV- Dosen unterschiedlicher Wellenlängenbereiche. Die Messwerte werden intern und auf der SD-Karte gespeichert und können mittels der beiliegenden Software auf dem PC angeschaut und gespeichert werden. Es werden dadurch nicht nur die mw/cm² und mj/cm²-werte angezeigt, sondern es können hierdurch auch die Verläufe beurteilt werden, wodurch es möglich wird die Fokussierung einer Reflektoreinheit zu überprüfen. Photo Bereiche Einheit Kurzbeschreibung Art. Nr. Peak mw/cm 2 Dosis mj/cm² Wavelength in nm UV Control 3C A UV Control 3C LED A UV Control 3CT A UV Contol 3CT LED A UV-A UV-B UV-C UV-LED* Temp.* Typ: Spektralbereiche: Temperatur: Messbereich: Messdauer: Display: Abmessungen: Gewicht: Besonderheit: UV Control 3C UV Control 3C LED UV Control 3CT UV Control 3CT LED UV-A: nm UV-B: nm UV-C: nm UV-LED*: nm (nur UV Control 3C LED oder 3CT LED) C* (nur 3CT u. 3CT LED) mw/cm² mw/cm² (UV-LED) 90 s LCD 2 x 16 digits 140 x 65 x 12 mm ca. 250 g Das Gerät besitzt einen SD-Kartenslot zur Speicherung aller Messwerte auf einer SD-Karte. Die Messwerte können mittels Software auf einem PC graphisch dargestellt und dokumentiert werden. Seite 9/16

10 Software, SD-Karte, Akku-Ladegerät und Koffer sind im Lieferumfang. Die Akkus sind vom Kunden tauschbar. UV Control 4C A UV Control 4CT A UV Control 4C LED A UV-A UV-B UV-C UV-VIS UV-LED* Temp.* Typ: Spektralbereiche: Temperatur: UV Control 4C UV Control 4CT UV Control 4C LED Wie UV Control 3, jedoch Messung in vier bzw. fünf UV-Spektralbereichen: UV-A: nm UV-B: nm UV-C: nm UV-VIS: nm UV-LED*: nm (nur 4C LED) C* (nur UV Control 4CT) UV Tube Photo Bereiche Einheit Kurzbeschreibung Art. Nr. Peak mw/cm 2 Dosis mj/cm² Typ: UV Tube 3C UV Tube 3C LED UV Tube 3CT UV Tube 4C UV Tube 3C A UV Tube 3C LED A UV Tube 3CT A UV Tube 4C A UV-A UV-B UV-C UV-LED* Temp.* Der UV Tube Integrator ist ein UV-Mehrkanal-Messgerät für industrielle UV-Härtungsanwendungen. Es dient dem Aufzeichnen von UV-Intensitäten und UV-Dosen sowie der Temperatur* (UV Tube 3CT) in Tuben/Flaschen-Anlagen. Der Sensor wird beim Durchlauf in einem kundenseitigen Dummy gehaltert. Die kleinen Abmessungen und das äußerst geringe Gewicht erlauben damit eine UV-Messung unter realistischen Bedingungen. Spektralbereiche: Temperatur: Messbereich: Messdauer: Display: Abmessungen: Gewicht: Besonderheit: UV-A: nm UV-B: nm UV-C: nm UV-LED*: nm (nur UV Tube 3C LED) C* (nur 3CT) mw/cm² 1 bis mw/cm² (UV-LED) 90 s./. 25 mm, L = 60 mm ca. 35 g Das Gerät besitzt einen Micro-SD- Kartenslot zur Speicherung aller Messwerte. Das Auslesen der Messwerte erfolgt mittels USB-Kabel. Die beiliegende Software stellt die Messwerte am PC graphisch dar. Die Messwerte können auf dem PC gespeichert und in Tabellenkalkulationsprogramme exportiert werden. Software, SD-Karte und Koffer sind im Lieferumfang enthalten. Seite 10/16

11 6.2.2 UV-Spektrometer UV Spectro Der UV Spectro arbeitet nach dem Diodenarray-Prinzip (s. Fig. 3). Die Besonderheit liegt in der flachen Bauweise, was den Einsatz als Durchlaufgerät ermöglicht. Gemessen werden die Bestrahlungsstärken zwischen 200 und 440 nm. Somit kann sowohl der UV-C-Bereich eines Hg-Mitteldruckstrahlers korrekt gemessen werden, als auch der UV-VIS-Bereich von Ga-dotierten UV-Strahlern. Der UV Spectro ist zudem zum Messen von UV-LEDs geeignet. Eine Bewertung der Messwerte in den üblichen UV-Spektralbereichen kann einfach durchgeführt werden. Gewichtungsfunktionen können optional hinterlegt werden. Die Intensitätsänderung über die Zeit wird ebenfalls erfasst (wie bei einem Integrator). Dadurch können auch die Dosis-Messwerte der Spektralbereiche abgelesen werden. Photo Bereiche Einheit Kurzbeschreibung Art. Nr. Peak mw/cm 2 Dosis mj/cm² A A Spektrometer nm Typ: UV Spectro Der UV Spectro ist ein flaches Diodenarray-Spektrometer, das als Durchlaufgerät konzipiert ist. Es vereint zwei Funktionen in einem Gerät: Zum einen ist es ein Spektrometer für Messungen im UV- Bereich von 200 bis 440 nm, zum anderen ist es ein UV-Integrator zum Messen des Intensitätsverlaufs beim Vorbeilaufen unter einem UV-Mitteldruckstrahler oder einer UV-LED. Zusätzlich wird die Dosis gemessen. Spektralbereich: Spektrale Bandbreite: Messbereich: Messbereich: Anzeigebereich: Anzeigebereich: Display: Abmessungen: Gewicht: Kalibrierung: Besonderheiten: nm 2 nm mw/cm² (A003650) mw/cm² (A003667) 1 mj/cm² 600 J/cm² (A003650) 25 mj/cm² J/cm² (A003667) LCD 6 digits 160 x 100, Höhe 14,4 mm ca. 375 g Rückführbar auf PTB Sowohl UV-Mitteldruckstrahler als auch UV-LEDs können innerhalb des Spektralbereiches gemessen werden. Eine oder mehrere wirkungsbezogene Gewichtungen oder Empfindlichkeitskurven können optional hinterlegt werden. Spektrometer nm mit USB- Schnittstelle Typ: Messbereich: Messbereich: Besonderheiten: UV Spectro USB dito, jedoch mit USB-Schnittstelle mw/cm² (A004452) mw/cm² (A004453) 50 Messungen können gespeichert, ausgelesen u. exportiert werden (Software inklusive). A A Seite 11/16

12 6.2.3 UV-Messgerät für UV-Intensitäts-Kurzzeitmessungen Die UV-Sensoren des Typs SI 1 gibt es für die üblichen Wellenlängenbereiche inkl. für UV-LED-Messungen. Das Clevere an diesen Sensoen ist die im Stecker hinterlegte Kalibrierung. Dadurch können mit einem Handheld mehrere SI 1 Sensoren nacheinander verwendet werden. Photo Bereiche Einheit Kurzbeschreibung Art. Nr. Peak mw/cm² Dosis mj/cm² HI 1 Handheld A Typ: HI 1 Handheld Handliches Anzeigegerät für diverse Sensoren Große 7/16-Segmentanzeige mit Dimensionsanzeige Messfunktionen: Messwert, Max- und Minwertspeicherung, Holdfunktion Prüffunktionen: Bereichsüberwachung, Fühlerbruchanzeige, Batteriespannungsanzeige und -kontrolle Abmessungen / Gewicht: Besonderheit HI 1: ca. 125 x 80 x 40 mm / ca. 270 g Ein Handheld für verschiedene Sensoren A A A A A UV-Sensor SI 1 UV-A oder UV-B oder UV-C oder UV-VIS od. UV-LED Typ: Spektralbereiche: Max. Intensität: Abmessungen / Gewicht: Besonderheit SI 1: SI 1 UV-Sensor nm, max. 340 nm nm, max. 315 nm nm, max. 265 nm nm, max. 435 nm nm, max. 350 nm mw/cm² für max. 30 s für UV-LED: 20 W/cm² (max. 5 s) Ø 36 mm, Höhe 17 mm / ca. 70 g Kalibrierung im Sensorstecker hinterlegt; für verschiedene Spektralbereiche und UV- Intensitäten verfügbar. A A A A A A UV-Sensor TS 1 UV-A oder UV-B oder UV-C oder UV-VIS od. UV full UV-LED Typ: Spektralbereiche: Max. Intensität: Abmessungen / Gewicht: Edelstahlrohr: Besonderheit TS 1: TS nm, max. 340 nm nm, max. 315 nm nm, max. 265 nm nm, max. 435 nm nm, max. 330 nm nm, max. 350 nm mw/cm² für max. 5 s Für UV-LED: 20 W/cm² (max. 5 s) Gesamtlänge:440 mm, Einstechtiefe mit Justagering u. Führungsscheibe: 230 mm / ca. 155 g ø 6 mm Kalibrierung im Sensorstecker hinterlegt; für verschiedene Spektralbereiche verfügbar. Hinweis: Ebenfalls an das Handheld HI 1 anschließbar ist der IR-Sensor PMI 41 zur Messung der Quarzglastemperatur eines UV-Strahlers. Nähere Informationen finden Sie im Datenblatt des IR-Sensors. Seite 12/16

13 6.2.4 UV-Online-Messgerät Der QSO 3 ist geeignet für dauerhafte, intensive UV-Bestrahlung. Er gibt ein der gemessenen UV-Strahlung proportionales Sensorsignal in Form eines DC 0 10 V Signals aus. Die Photodiode befindet sich außerhalb des eigentlichen Strahlungsbereichs. Die in das Quarzglasfenster einfallende UV-Strahlung wird durch Totalreflexion im Quarzglasstab gedämpft und gelangt so zur Photodiode. Hierdurch wird zudem die Temperaturbelastung für die Photodiode minimiert. Die meisten Kunden verwenden diesen Sensor um die Strahleralterung zu detektieren oder auch um mit Hilfe des Sensorsignals über eine Maschinensteuerung das Vorschaltgerät zu steuern, um eine konstante UV- Bestrahlung durch Anpassung der elektrischen Leistung des Strahlers zu realisieren. Photo Bereiche Einheit Kurzbeschreibung Art. Nr. Peak mw/cm² Dosis mj/cm² QSO 3 UV-A: A UV-B: A UV-C: A UV-A oder UV-B oder UV-C mittels DC 0 10V Typ: Spektralbereiche: Empfindlichkeitsbereich: Verstärkungsfaktoren: Max. zulässige Intensität: Max. zulässige Temp.: Versorgung: Ausgang: Abm. / Gew. Sensorbox: Edelstahlrohr: Besonderheit: QSO nm, max. 340 nm, oder nm, max. 315 nm, oder nm, max. 265 nm mw/cm² 1, 10, 100, 1000; x mw/cm² für max. 10 min ~ 300 C am Quarzglasfenster Extern DC 24V, 5mA DC 0-10V, proportional zum UV ca. 45 x 45 x 34 mm / ca. 200 g ø 8 mm Spülluftanschluss1/8 Detaillierte Produktinformationen können Sie auch unseren Datenblättern entnehmen, die im Internet zum Download bereitstehen. Seite 13/16

14 6.2.5 UV-Online-Regelung Zusammen mit dem Onlinesensor QSO 3 kann mit dem UV Cure Control eine autarke UV-Regelung aufgebaut werden. Unabhängig von jeglicher maschinenseitger Steuerung ist dies mit dem UV Cure Control möglich. UV-Farben und - Lacke benötigen zum Aushärten die richtige UV-Intensität und UV-Dosis. Dies bedeutet einerseits, dass die UV-Bestrahlungsstärke nicht unterhalb eines gewissen Grenzwertes liegen darf um eine ausreichende Härtung zu erzielen und andererseits, dass die UV-Intensität nicht unnötig über der zum Aushärten nötigen Bestrahlungsstärke liegen sollte, um gute Härtungsergebnisse zu erzielen und um nicht unnötig Energie zu verschwenden. Das UV Cure Control ermöglicht zusammen mit einem UV-Onlinesensor und einem elektronischen Vorschaltgerät (EVG) die Überwachung und Regelung der UV-Intensität. Eine Alterung des UV-Strahlers kann damit innerhalb gewisser Grenzen ausgeglichen werden, indem in Abhängigkeit von der gemessenen UV-Bestrahlungsstärke die elektrische Leistung des UV-Strahlers angepasst wird. Der Bediener stellt einmalig die gewünschte UV-Intensität ein, das UV Cure Control sorgt dafür, dass der Strahler die benötigte UV-Strahlung emittiert, also der UV-Strahler bei voll gegebener Produktionssicherheit benutzt werden kann. Das gibt Sicherheit während der Produktion und nutzt die maximale Lebensdauer des UV-Strahlers voll aus. Gleichzeitig kann Energie eingespart werden. Detaillierte Produktinformationen können Sie auch unseren Datenblättern entnehmen, die im Internet zum Download bereitstehen Kundenspezifische Lösungen Besondere Applikationen erfordern besondere messtechnische Lösungen. Die uv-technik kann auch hier geeignete kundenspezifische Lösungen anbieten: Ein Beispiel eines kundenspezifischen UV-Messgeräts: UVAValue UVBValue Fig. 13: UV-Sensor der in einer Maschine zur Flaschenbedruckung die Bestrahlungsstärke und die Dosis von mehreren UV- Mitteldruckstrahlern in einem Durchlauf misst. Gemessen werden zwei Spektralbereiche. Die Messwerte werden intern gespeichert und können am PC als Messkurven dargestellt werden. Die Samplingrate beträgt hier 200/sec. Der eingebaute Akku kann über USB-Kabel aufgeladen werden. Fig. 14 (rechts): Die Messkurven zeigen die zeitliche absolute Bestrahlungsstärke beim Durchlauf durch die Maschiene. Dabei dreht sich der Sensor um seine eigene Achse. Deutlich zu erkennen ist, dass der vorletzte Strahler die geringste Bestrahlungsstärke aufweist. Die Doppel-Peaks rühren daher, dass der Sensor beim Transport nicht nur linear, sondern auch um seine eingene Achse gedreht wird (Rotationsmaschine). Auf der Abszisse ist die Anzahl der Messwerte dargestellt. Üblicherweise ist hier die Zeit aufgetragen. Seite 14/16

15 7. Kalibrierung von UV-Messgeräten Die Kalibrierung eines UV-Messgeräts dient der Feststellung und der Dokumentation der Abweichung eines Messgerätes zu einem Normal. Dieses Normal wird häufig umgangssprachlich auch als Referenzgerät bezeichnet. Neben einem Normal als Vergleichsreferenz gibt es auch das rückführbare Normal. Dessen Kalibrierung ist definiert durch eine ununterbrochene Kette von Kalibrierungen, die auf den festgelegten SI-Einheiten beruhen [4]. Rückführbarkeit ist demnach nicht die Eigenschaft des Messgerätes, sondern des Messergebnisses. An der Spitze der Kalibrierhierarchie stehen meist nationale oder internationale Normale, die sogenanten Primärnormale. Als Primärnormale bezeichnet man Normale, welche die höchsten Anforderungen erfüllen. Die Wahrung der gesetzlichen SI -Einheiten obliegt in Deutschland der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). Die vergleichbare Aufgabe wird beispielsweise in den USA von dem NIST (National Institute of Standards and Technology) wahrgenommen, in UK ist es das NPL (National Physical Laboratory). Um das Kalibrieren bezahlbar zu machen arbeiten Kalibrierlabors häufig mit sog. Transfer-Normalen. Diese sind praktisch ein Glied in der Kalibrierkette. Fig. 15 zeigt stark vereinfacht diese Kalibrierkette. Wichtig ist, dass die Kalibrierung auf ein Normal zurückgeführt werden kann. Die uv-technik UV-Sensoren werden rückführbar kalibriert auf PTB, NIST oder auch auf werkseigene Standards. Fig. 15: Stark vereinfachtes Prinzip der Kalibrierkette Als Kalibriernormale werden für den UV-Wellenlängenbereich in diesem Fall zwei Normale verwendet, deren Spektren in den verwendeten Bereichen kontinuierlich sind. Zum einen ist dies ein Deuteriumstrahler, der den Bereich bis 350 nm abdeckt während der längerwellige UV-Bereich größer 350 nm durch das Spektrum einer Halogenglühlampe gegeben ist (s. Fig. 16). Seite 15/16

16 Fig. 16: Das Spektrum des Deuteriumstrahlers und das Spektrum einer Halogenglühlampe werden benötigt, um den UV- Bereich für eine Kalibrierung in der Praxis abzudecken. Hinweis: Die gezeigten Spektralkurven der beiden Strahlungsquellen sind hinsichtlich der Bestrahlungsstärken zueinander nur qualitativ zu betrachten. Die nationalen Standards sind untereinander vergleichbar. Dies wird in regelmäßigen Abständen durch einen aufwändigen Sternvergleich geprüft, an dem die bekannten nationalen Institutionen (wie beispielsweise PTB, NIST etc.) teilnehmen [5]. Quellenverzeichnis [1] DIN [2] Naumann, Schröder - Bauelemente der Optik, 6. Auflage, Carl Hanser Verlag, 1992 [3] Bergmann, Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik Band III Optik, 8.Auflage, Springer Verlag, 1987 [4] EU-Richtlinie 80/181/EWG [5] Report of the CIPM Key Comparison CCPR-K1.b; Spectral Irradiance 200 nm to 350 nm; Physikalisch- Technische Bundesanstalt, 2008 Seite 16/16

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