Mesurer les sources UV utilisées pour la désinfection de l’air, de l’eau et des surfaces

Les événements récents liés à la pandémie de coronavirus ont entraîné une augmentation significative de l’intérêt pour la désinfection par lampes UV. Ainsi, dans l’article ci-dessous, certains problèmes concernant les mesures de LED UV ainsi que des conseils pratiques sur les spécificités du travail avec des LED pour des applications spéciales sont discutés.

La désinfection réalisée par rayonnement optique est basée sur le mécanisme de neutralisation des virus et des bactéries en endommageant leur chaîne d’ADN. L’efficacité des dispositifs « d’éclairage » dans le processus dépend de la dose de rayonnement dans une gamme de longueurs d’onde spécifique. En ce qui concerne les objectifs de désinfection, les lampes UV sont largement utilisées depuis plusieurs décennies maintenant. Les principales sources lumineuses des systèmes existants sont les lampes au mercure basse et moyenne pression. Cette technologie nécessite des systèmes d’alimentation complexes pour permettre l’allumage et la stabilisation de la décharge. Actuellement, de nombreuses entreprises travaillent à la diffusion d’applications de désinfection de l’air, de l’eau et des surfaces à l’aide des rayons UVC obtenus à partir des LED.

Le rayonnement UV LED efficace pour la désinfection de l’air ou de l’eau est le rayonnement UV de la gamme UVC. Lorsque vous travaillez sur de nouveaux projets utilisant des diodes émettrices dans la gamme UV pour la désinfection, principalement entre 200 et 280 nm, des précautions exceptionnelles doivent être prises pour évaluer correctement la qualité du rayonnement émis. Cela s’applique non seulement aux sources de rayonnement LED elles-mêmes, mais également à des systèmes optiques entiers, car les propriétés des matériaux utilisés dans les projecteurs conventionnels ne fonctionnent pas nécessairement dans cette application inhabituelle. Pour cette raison, dans des applications aussi exigeantes, la précision des mesures de l’irradiance et de la longueur d’onde dominante est particulièrement importante.

Il permet une vérification précise de la puissance optique et de la longueur d’onde dominante. De plus, il déterminera la dose nécessaire de rayonnement UV.

Quels appareils de mesure de source UV utiliser ?

Avec la technologie conventionnelle des lampes à décharge au mercure, l’émission spectrale est constante car elle résulte des propriétés physiques des vapeurs de mercure. Par conséquent, de simples appareils de mesure ont été utilisés pour mesurer ces lampes, principalement des radiomètres optimisés pour des gammes UV spécifiques. Un tel appareil peut mesurer la quantité de puissance rayonnante tombant sur une surface donnée [W / m2]. Cependant, il ne permet pas les mesures de spectre. En d’autres termes, un tel compteur peut mesurer la quantité de rayonnement qui tombe sur la surface mais la caractérisation de la source elle-même ne peut pas être effectuée car la sensibilité du compteur dans une certaine plage est fixe.

Il convient de noter que dans le cas des systèmes LED UV, il existe des différences entre les lots de production d’une même source LED (bin to bin et batch to batch). De plus, les éléments utilisés dans la conception de la lampe et la température de fonctionnement des LED affectent les paramètres optiques de l’ensemble du système. Par conséquent, en plus de la mesure de puissance, il est important de vérifier la longueur d’onde par mesure spectrale. Pour ce type de mesure, un spectroradiomètre calibré peut être utilisé. Il permettra de mesurer l’irradiance [mW / m2] et confirmera s’il y a eu un changement dans la bande de rayonnement ou la distribution spectrale.

Il convient de prendre en considération que les spectromètres disponibles sur le marché, dans la plupart des cas, sont des appareils non étalonnés conçus pour des mesures comparatives du spectre lui-même. Bien qu’ils fonctionnent bien pour les mesures spectrales dans la recherche scientifique, ils ne peuvent pas être utilisés pour les mesures radiométriques dans les travaux d’ingénierie, où un besoin de mesurer des valeurs absolues se produit. Surtout dans la gamme UVC, la durabilité des matériaux et capteurs optiques bon marché est très limité. Pour qu’un spectromètre devienne un spectroradiomètre, étalonné en unités radiométriques absolues, il doit être correctement conçu, adapté et étalonné à cet effet. Seul un appareil étalonné en termes de longueur d’onde, de non-linéarité et de lumière parasite peut être étalonné pour mesurer l’irradiance spectrale [W / m2 / nm] ou la puissance rayonnante (flux total) [W]. Nous devons nous rappeler que chaque appareil de mesure professionnel est livré avec un certificat d’étalonnage d’usine ou un certificat d’un laboratoire d’étalonnage externe.

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Grandeurs de mesure typiques

En fonction de l’étape de travail sur un nouveau projet, il se peut que nous devions vérifier les paramètres de la source LED UV elle-même, c’est-à-dire une seule diode ou un module LED en combinaison avec des lentilles et d’autres éléments.

Pour les mesures de LED UV uniques, une petite sphère d’intégration connectée et calibrée avec un spectroradiomètre peut être utilisée. De cette façon, une seule mesure collectera des données sur la puissance rayonnante [mW], la longueur d’onde dominante et la distribution spectrale de puissance. Cela aidera à déterminer l’efficacité du système et à optimiser les paramètres de puissance.

Une sonde optique connectée au spectroradiomètre, calibrée pour mesurer l’irradiance [mW / m2] doit être utilisée pour mesurer quelle partie du flux rayonnant tombe sur une surface donnée à une distance donnée de la source. Dans cette mesure, il y a aussi la possibilité de vérifier la longueur d’onde et de compléter la mesure de la distribution spectrale. Sur la base de ces données, connaissant la quantité d’énergie nécessaire pour neutraliser les virus, le temps d’exposition nécessaire peut être calculé.

Les caractéristiques de distribution des sources LED diffèrent considérablement des lampes à décharge conventionnelles. Par conséquent, un autre système de mesure très utile pour vérifier les produits LED UV est un goniomètre connecté à un spectroradiomètre. Une telle configuration de mesure permet la mesure spatiale de la distribution d’intensité radiante (RID). Sur la base de ces mesures, un diagramme de distribution spatiale radiométrique peut être créé. Ces données permettent une vérification et une caractérisation précises de l’émetteur à base de LED UV.

Comment effectuer les mesures correctement ?

Les recommandations pour les mesures de LED UV sont très similaires à celles pour mesurer les modules et lampes LED à des fins d’éclairage général. Cependant, en raison de la nature de la source, il convient de prêter attention aux problèmes de sécurité et aux risques pour la peau et les yeux avec les rayons UV. Il ne faut pas oublier que ce rayonnement est nocif pour tous les organismes vivants. Pendant la mesure et le fonctionnement de ces lampes, l’opérateur ne doit pas être exposé à un rayonnement direct et doit porter des lunettes et des vêtements de sécurité.

Les fiches techniques des diodes électroluminescentes fournies par les fabricants contiennent des données photométriques. Dans le cas des diodes, les données radiométriques sont déterminées pour une température de jonction (jonction T) égale à la température ambiante, généralement 25 ° C. Les informations sur la valeur du flux rayonnant et les valeurs de longueur d’onde dans la carte de catalogue correspondent aux propriétés de distribution spectrale (spectre) de la LED pour la jonction «froide» (à 25 ° C).

Afin de vérifier les paramètres des diodes par rapport à la spécification après application sur le PCB, ou de vérifier le modèle mathématique du module LED après la fabrication du PCB, il est nécessaire de mesurer le système tout en maintenant la température de jonction fournie par le fabricant dans la spécification (généralement 25 ° C).

L’une des méthodes appliquées peut être le refroidissement forcé du PCB. Il peut être atteint grâce à l’utilisation d’un système de refroidissement avec une cellule Peltier et la connaissance de la résistance thermique entre la carte et la jonction. Les kits disponibles pour le montage et la stabilisation de la température du module LED permettent de maintenir une température constante du PCB pendant les mesures et des simulations de fonctionnement du module dans diverses conditions de température. Cela contribue à améliorer la répétabilité des mesures et permet à l’utilisateur de mesurer les paramètres de fonctionnement du module LED à une température proche de la température de fonctionnement dans le luminaire.

Cependant, cette méthode a ses limites car lorsque différents types de diodes sont utilisés sur le module, il est impossible d’obtenir la même température de toutes les jonctions sur un PCB en raison de résistances thermiques différentes.

Une méthode alternative est la mesure effectuée avec une courte impulsion de courant continu avec une valeur à laquelle les paramètres de diode sont fournis dans la spécification technique (dans la production de LED). L’essence d’une telle méthode est de mesurer les paramètres optiques avant que le connecteur ne se réchauffe. En pratique, on suppose généralement qu’une telle mesure doit être effectuée dans les 20 à 30 ms. Cela peut être fait avec précision avec un spectroradiomètre équipé d’un déclencheur matériel (déclencheur) synchronisé avec la source de courant permettant des expositions pour des temps de mesure

Une autre version de la mesure des modules LED à une température de jonction égale à la température ambiante est la méthode dite des impulsions de train, c’est-à-dire une alimentation continue avec des impulsions de courant à une fréquence de 100 Hz et une largeur d’impulsion inférieure à 0,5 ms. Cette solution permet l’enregistrement de plusieurs périodes de cycle à des temps de mesure plus importants (utile lors de la mesure de sources LED avec de grandes valeurs de flux) et la conversion de la valeur obtenue par un facteur correspondant à la fréquence et au rapport cyclique pour le signal du train. Avec des paramètres d’impulsion correctement sélectionnés, le résultat est identique à la valeur obtenue en mesurant une seule impulsion d’une durée de 30 ms.

Récapitulatif 

De même que que la plage visible, les LED et les UV sont sensibles aux paramètres de puissance. Par conséquent, des alimentations stabilisées avec des résolutions appropriées doivent être utilisées pour les mesures. De plus, dans le cas de mesures d’impulsions, il est nécessaire de sélectionner le système d’alimentation afin que le module à tester puisse être alimenté avec précision et rapidité.
Dans le cas des LED UV, la dépendance des paramètres optiques aux conditions d’alimentation et à la température de fonctionnement influence considérablement leur efficacité dans des applications spécialisées en désinfection ou autres lampes médicales. Les petits décalages de longueur d’onde sont déterminants pour l’efficacité des impacts spécifiques dans la gamme ultraviolette (désinfection, traitement des maladies de la peau). Alors que la stabilité du fonctionnement du système dans le temps est cruciale pour une lutte efficace contre la pollution biologique.
Lorsque vous décidez d’acheter un équipement pour des mesures optiques, électriques et de température, il faut tenir compte du fait que leur prix reflète directement la qualité des composants et sous-ensembles utilisés pour fabriquer ces appareils. Parmi les autres problèmes importants, il y a l’étalonnage et les ajustements de l’équipement de mesure. Surtout dans le domaine de la désinfection réalisée par les solutions LED UV, la qualité du composant rayonnant a un impact direct sur notre sécurité.