環(huán)境反射光導(dǎo)致紫外線輻射照度測(cè)量誤差的分析與消除方法

宋葉葉 張連峰 張金松 張慶珮 童張法

1（深圳清華大學(xué)研究院 生態(tài)與環(huán)境保護(hù)實(shí)驗(yàn)室 深圳518057）

2（廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 南寧530004）

3（深圳市水務(wù)（集團(tuán)）有限公司 深圳518031）

4（深圳城市污水處理與再生利用工程實(shí)驗(yàn)室 深圳518031）

紫外線作用于生物體，會(huì)導(dǎo)致生物體發(fā)生變化［1-2］。紫外線消毒是病原微生物細(xì)胞被紫外線光子損壞，失去繁殖能力的過(guò)程［3-6］。因此，從紫外線燈發(fā)射出來(lái)的紫外線光子的輻射量是紫外線反應(yīng)器設(shè)計(jì)、運(yùn)行的重要參數(shù)。紫外線燈的紫外線輸出量和紫外線燈周?chē)妮椛鋱?chǎng)一直是國(guó)際紫外線領(lǐng)域的重要課題。在輻射場(chǎng)測(cè)量方面，傳統(tǒng)的生物劑量法依然是重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［7-8］，但模擬細(xì)菌的熒光球技術(shù)彌補(bǔ)了生物驗(yàn)證劑量只能得到平均劑量，而不能測(cè)量劑量分布的缺陷［7，9］。在輻射場(chǎng)計(jì)算理論和模型方面，線型燈周?chē)椛鋱?chǎng)的計(jì)算理論與模型趨于成熟［10］，已經(jīng)有相關(guān)商業(yè)軟件應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)。近年來(lái)，將計(jì)算流體力學(xué)（CFD）引入紫外線反應(yīng)器計(jì)算的研究和應(yīng)用越來(lái)越多［7，11-12］，這些計(jì)算的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是紫外線燈實(shí)際發(fā)出的紫外線輸出量，因此，準(zhǔn)確測(cè)量紫外線輸出量是紫外線領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，有很多學(xué)者和國(guó)際組織在這方面做出了許多努力［13-16］。國(guó)際紫外線協(xié)會(huì)（IUVA）推薦了以凱茲方程為基礎(chǔ)的紫外線燈的測(cè)量方法，該方法在我國(guó)備受認(rèn)可，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程對(duì)紫外線燈的測(cè)量起到了指導(dǎo)性作用［16-20］。將輻照計(jì)探頭放置在紫外線燈輻射照度中垂線，在一定距離處測(cè)量輻射照度，由于在探頭和紫外線燈之間有一定距離，周?chē)h(huán)境的反射光有可能進(jìn)入探頭，測(cè)量的輻射量與光源實(shí)際發(fā)出的輻射量相比偏大，但是目前的測(cè)量方法沒(méi)有提供消除這種周?chē)h(huán)境反射光影響的手段。實(shí)踐中，一般是利用大空間使反射面遠(yuǎn)離探測(cè)器探頭和在壁面覆蓋防反射材料的方法來(lái)降低反射光的影響［21］。這些措施雖然可以降低反射影響，但并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)消除反射誤差或?qū)Ψ瓷湔`差缺少定量掌控。國(guó)內(nèi)外在紫外線輸出量的測(cè)量過(guò)程中，仍面臨著周?chē)h(huán)境的反射對(duì)測(cè)量的干擾。準(zhǔn)確測(cè)量紫外線燈的紫外線輸出量非常重要：紫外線燈生產(chǎn)廠家需要充分了解自己的產(chǎn)品并進(jìn)行改進(jìn)，為市場(chǎng)提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品；紫外線反應(yīng)器生產(chǎn)廠家需要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品；終端客戶在更換、選擇紫外線燈時(shí)，需要有據(jù)可依。有研究報(bào)道了對(duì)反射量的測(cè)量［22］，將測(cè)得的輻射照度進(jìn)行修正，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的紫外線燈輻射照度。但它有兩個(gè)測(cè)量過(guò)程，會(huì)出現(xiàn)兩次不確定性，對(duì)設(shè)備和操作過(guò)程要求較高。本文提出了一種避免周?chē)h(huán)境反射的光線進(jìn)入輻照計(jì)探頭，消除反射誤差的方法，并且對(duì)防反射誤差裝置的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了深入研究。

1 設(shè)備與方法

1.1 材料

測(cè)量采用配有254 nm探頭的UV-B型紫外輻照計(jì)（北京師范大學(xué)光電儀器廠）。紫外線燈采用標(biāo)稱(chēng)功率為14 W 的低壓汞燈（ZW14D15W-Z287，佛山市柯維光電有限公司），燈弧長(zhǎng)205 mm，使用前對(duì)光源進(jìn)行了100 h 的老化。鎮(zhèn)流器采用UVB20-350/PTAO型（佛山市柯維光電有限公司）。為避免可能出現(xiàn)的供電電壓的波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，供電電源加設(shè)了穩(wěn)壓器（T18124258，德力西）。采用功率儀（WT333E，YOKOGAWA）對(duì)電壓、電流和功率進(jìn)行全程監(jiān)控。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)

圖1是紫外線燈測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。紫外線燈在垂直于紙面的方向與地面水平放置，輻照計(jì)探頭在紫外線燈的中垂線上，探頭接受面與紫外線燈發(fā)光面平行。紫外線燈測(cè)量只關(guān)注從紫外線燈直接進(jìn)入輻照計(jì)的光線。根據(jù)幾何光學(xué)原理，設(shè)置狹縫擋板作為阻光裝置（透光率0%），將不直接進(jìn)入探頭的光線遮住，避免其到達(dá)環(huán)境而被反射進(jìn)入探頭，見(jiàn)圖1（a）。若狹縫擋板的位置離紫外線燈較遠(yuǎn)，在擋板以下的空間內(nèi)也會(huì)發(fā)生周?chē)h(huán)境的反射，從狹縫射出的光線除了紫外線燈直接射出的光之外，還有反射光的投射，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此，將狹縫擋板設(shè)置在靠近紫外線燈的位置。

為了測(cè)量進(jìn)入輻照計(jì)探頭反射光線的輻射照度，在紫外線燈與輻射計(jì)探頭之間設(shè)置阻光擋板，不能透過(guò)（透光率0%）紫外線的一般材料均可。為了便于操作，我們使用外徑為25 mm 的PVC 管子作為寬度25 mm 的阻光擋“板”，見(jiàn)圖1（b）。阻光擋板寬度應(yīng)大于等于紫外線燈的直徑，若輻照計(jì)探頭的接收窗直徑大于紫外線燈直徑，則阻光擋板寬度應(yīng)大于探頭接收窗的直徑。在紫外線燈和探頭之間設(shè)置阻光擋板，擋板的高度可以調(diào)節(jié)。測(cè)量時(shí)，能夠直接到達(dá)輻照計(jì)探頭的紫外線被阻光擋板阻擋，此時(shí)進(jìn)入探頭的紫外線都是被環(huán)境反射的光線。

2 結(jié)果與討論

2.1 反射量的測(cè)量與分析

2.1.1 環(huán)境反射引起的誤差

選擇兩種材料模擬反射環(huán)境（參見(jiàn)圖1）：（1）側(cè)面設(shè)置亞克力板；（2）側(cè)面設(shè)置表面粗糙的塑料泡沫板；（3）不設(shè)置反射板，即較前兩種情況側(cè)面有較大的空間。應(yīng)用紫外線平行光設(shè)備，分別測(cè)量了亞克力板在45°角的入射光和反射光的輻射照度，其比值約為5.57%。然后根據(jù)圖2，推算出粗糙塑料泡沫板的45°反射為3.33%。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 顯示，3 種不同的環(huán)境下所測(cè)量得到的輻射照度有差異，周?chē)h(huán)境的反射對(duì)測(cè)量產(chǎn)生了影響。為測(cè)量反射影響，在探頭和紫外線燈管之間設(shè)置阻光擋板，探頭接收到的光線則為反射的紫外線，結(jié)果如圖2所示。阻光擋板越靠近紫外線燈或者探頭時(shí)，探頭響應(yīng)值越小，說(shuō)明阻光擋板放置的位置距紫外線燈或探頭較近時(shí)，會(huì)阻擋反射光的形成或遮擋反射光進(jìn)入探頭，此時(shí)絕大多數(shù)反射光沒(méi)有進(jìn)入探頭。擋板在一定的高度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的輻射照度穩(wěn)定不變，說(shuō)明周?chē)h(huán)境的反射光全部進(jìn)入探頭，因此，反射的紫外線量應(yīng)采用阻光擋板在遠(yuǎn)離紫外線燈和探頭的中間部位時(shí)的測(cè)量值。3種情況下的測(cè)量值分別為12.9μW/cm2、7.7μW/cm2和5.8μW/cm2。無(wú)阻光擋板時(shí)的測(cè)量值減去反射光測(cè)量值分別為45.5μW/cm2、45.5μW/cm2和45.4μW/cm2。3 個(gè)修正后的測(cè)量數(shù)據(jù)非常吻合，說(shuō)明從紫外線燈直接到達(dá)探頭的紫外線輻射照度值是45.5μW/cm2，也顯示了這種測(cè)量方法的準(zhǔn)確性。根據(jù)以上測(cè)量數(shù)據(jù)可知，周?chē)h(huán)境反射引起的相對(duì)示值誤差在3 種環(huán)境下分別是28.4 %、16.9 %和12.8 %，反射對(duì)測(cè)量的影響是不能忽視的。

表1 不同反射環(huán)境下的輻射照度測(cè)量值Table 1 Irradiances under various circumstances of reflection

2.1.2 阻光擋板的位置對(duì)測(cè)量的影響

圖2顯示，當(dāng)阻光擋板緊貼在紫外線燈石英管表面（即距離紫外線燈中心12.5 mm）時(shí)，紫外輻照計(jì)測(cè)定值較小。隨著阻光擋板距離紫外線燈管的距離的增加，輻照計(jì)的測(cè)量值增大，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。當(dāng)擋板接近探頭時(shí)，輻照計(jì)測(cè)定值減小，因?yàn)楫?dāng)擋板與紫外線燈管距離很近時(shí)，擋板將原本可以經(jīng)過(guò)環(huán)境反射的紫外線進(jìn)行阻擋，從而無(wú)法形成反射進(jìn)入探頭；當(dāng)擋板靠近探頭時(shí)，擋板阻擋了反射光進(jìn)入探頭。存在擋板最低允許高度h1和最高允許高度h2：當(dāng)擋板的位置低于某個(gè)高度的閾值時(shí)，阻光擋板將遮擋在無(wú)阻光擋板情況下原本可進(jìn)入探頭的反射光，閾值是最低允許高度h1；擋板的位置高于某個(gè)高度的閾值時(shí)，由周?chē)h(huán)境反射的反射光被阻光擋板遮擋從而無(wú)法被探頭接收，閾值是最高允許高度h2。h1和h2的推導(dǎo)和計(jì)算見(jiàn)公式（1）、（2）。

將本文測(cè)量系統(tǒng)的尺寸（見(jiàn)圖1）代入公式（1）、（2）得，h1=68.7 mm，h2=841.1 mm。圖2 的光滑反射面的曲線和理論閾值相符。但對(duì)粗糙反射面而言，反射光線受影響的范圍較光滑反射面大，輻照度穩(wěn)定時(shí)高度在120～710 mm范圍內(nèi)，因?yàn)榇植诜瓷涿姘l(fā)生了較多的漫反射，只有部分光線反射進(jìn)入探頭。公式（1）和（2）是根據(jù)鏡面反射的原理推導(dǎo)的。對(duì)比光滑和粗糙反射面的曲線可以看出，漫反射的影響只發(fā)生在靠近兩個(gè)高度閾值的附近，這與粗糙反射面和鏡面反射面的測(cè)量結(jié)果減去各自的反射量后的最后數(shù)值（45.4μW/cm2）是相等的，與測(cè)量結(jié)果一致。

根據(jù)公式（1）和（2），可觀察擋板高度閾值隨周?chē)h(huán)境（反射物和紫外線燈的距離即m）的變化，見(jiàn)圖3（d、r、w 和D 的值見(jiàn)圖1）。從圖3 中可看出，在反射物遠(yuǎn)離紫外線燈時(shí)，阻光擋板可調(diào)節(jié)的空間較大，反之，可調(diào)節(jié)的空間很小。實(shí)際操作中，阻光擋板置于紫外線燈和探頭的正中間，即兩者之間距離的一半，是最安全的。

2.1.3 阻光擋板的寬度對(duì)測(cè)量的影響

根據(jù)公式（1）、（2）觀察擋板高度閾值與最大擋板寬度閾值的關(guān)系（見(jiàn)圖4）。計(jì)算結(jié)果顯示，擋板越寬可調(diào)節(jié)的高度范圍越窄。當(dāng)d、r、m和D為已知值（見(jiàn)圖1）時(shí)，最大擋板寬度閾值是59.2 mm。實(shí)際測(cè)量時(shí)采用的是25 mm寬的板，小于59.2 mm，在允許范圍內(nèi)。

2.1.4 阻光擋板高度閾值計(jì)算公式推導(dǎo)

允許的最小高度。當(dāng)阻光擋板位于紫外線燈與探頭距離的一半以下時(shí)，阻光擋板的高度降到一定程度后，會(huì)對(duì)反射光也有影響，從而影響對(duì)反射光的測(cè)量。如圖5 所示，在阻光擋板向下降時(shí)，紫外線燈的最左側(cè)邊沿點(diǎn)A發(fā)出的光線形成的反射光線最先受到影響。因此，從點(diǎn)A發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)阻光擋板的邊沿F點(diǎn)到達(dá)反射板上的點(diǎn)B，經(jīng)過(guò)反射后，光線恰好經(jīng)過(guò)探頭最左側(cè)點(diǎn)C時(shí)，擋板高度是最低高度的閾值。

見(jiàn)圖5，點(diǎn)A、B、C和F的坐標(biāo)分別是（-d/2，0）、（m，n）、（-r，D）和（w/2，h1）。根據(jù)點(diǎn)A和點(diǎn)B的坐標(biāo)，直線AB的方程，見(jiàn)公式（3）。

根據(jù)點(diǎn)B（m，n）和點(diǎn)C（-r，D）的坐標(biāo)，直線BC的方程：

因?yàn)锳B 和BC 是入射光和反射光的關(guān)系，兩者的斜率分別為tan(90- θ)和tan(90+ θ)。結(jié)合方程（3）和（5），得

將方程（6）化簡(jiǎn)得到n，并且將其代入方程（4），得公式（7）。

允許的最大高度。阻光擋板位于紫外線燈與探頭距離的一半以上時(shí)（見(jiàn)圖5），當(dāng)阻光擋板的高度升到一定程度后，會(huì)對(duì)反射光也有影響，從而影響對(duì)反射光的測(cè)量。由圖5可知，在阻光擋板上升時(shí)，能夠到達(dá)探頭最左側(cè)C點(diǎn)的反射光線最先受到影響。因此，從點(diǎn)A發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)阻光擋板的邊沿F點(diǎn)到達(dá)反射板上的點(diǎn)B，經(jīng)過(guò)反射后，光線恰好經(jīng)過(guò)探頭最左側(cè)C點(diǎn)時(shí)，擋板高度是最高高度的閾值。

見(jiàn)圖5，點(diǎn)A、B、C和E的坐標(biāo)分別是（-d/2，0）、（m，n）、（-r，D）和（w/2，h2）。根據(jù)點(diǎn)B和點(diǎn)C的坐標(biāo)，直線BC的方程，見(jiàn)式（8）。

因 為 點(diǎn)E （w/2， h2） 在 直 線BC 上，見(jiàn)式（9）。

根據(jù)點(diǎn)A（-d/2， 0）和點(diǎn)B（m， n）的坐標(biāo)，直線AB的方程，見(jiàn)式（10）。

因?yàn)锳B 和BC 是入射光和反射光的關(guān)系，兩者的斜率分別為tan(90-θ)和tan(90+ θ)。結(jié)合方程（8）和（10），得公式（11）。

將方程（11）化簡(jiǎn)得到n，將其代入方程（9），得公式（12）。

2.2 防反射光方法及討論

2.2.1 防反射光方法

以上對(duì)反射量的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，周?chē)h(huán)境會(huì)影響紫外線燈的輻射照度測(cè)量的準(zhǔn)確性，環(huán)境的反射是一個(gè)會(huì)導(dǎo)致較大誤差的因素。為準(zhǔn)確測(cè)量，可在紫外線燈和探頭之間設(shè)置帶有狹縫的阻光狹縫擋板，消除環(huán)境反射的影響。見(jiàn)圖1 測(cè)量系統(tǒng)，分別在有、無(wú)狹縫擋板和阻光擋板情況下進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 紫外線燈測(cè)量結(jié)果Table 2 Measuremental results of UV lamp

情況1時(shí)，探頭接收到的紫外線來(lái)自紫外線燈的直接照射以及周?chē)h(huán)境的反射；情況2時(shí)，測(cè)得的是周?chē)h(huán)境的反射的輻射照度；情況3時(shí)，測(cè)得的是紫外線燈直接投射到探頭的輻射照度；在情況4時(shí)，由于同時(shí)設(shè)置了阻光擋板和狹縫擋板，所有的光線被遮擋無(wú)法進(jìn)入探頭。情況2和情況3的輻射照度之和與情況1時(shí)的輻射照度完全吻合。這和情況4測(cè)量得到的輻射量為0.0的結(jié)果互相印證，說(shuō)明阻擋板測(cè)量反射的準(zhǔn)確以及狹縫擋板防反射方法的有效。即帶有防反射結(jié)構(gòu)的測(cè)量系統(tǒng)可直接測(cè)量得到準(zhǔn)確的紫外線燈輻射照度。因此，在使用狹縫擋板的情況下，紫外線光線只在狹縫與探頭之間傳播，不會(huì)受到周?chē)h(huán)境的影響，即在狹小空間內(nèi)就可進(jìn)行精確測(cè)量，這對(duì)于節(jié)省測(cè)量設(shè)備成本具有重要的意義。

狹縫擋板的狹縫寬度過(guò)小時(shí)，探頭接收到的光線只有部分從紫外線燈直接輻照的紫外線，另一部分光線被狹縫擋板遮擋；狹縫寬度過(guò)大時(shí)，探頭接收到的光除了全部從紫外線燈直接輻照的紫外線之外，還會(huì)有反射光進(jìn)入探頭。因此，必須控制狹縫在合適的寬度范圍內(nèi)，即狹縫擋板的狹縫有最小和最大寬度閾值。計(jì)算見(jiàn)公式（13）和（14）。

實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)（見(jiàn)圖1）的最小與最大寬度閾值分別為15.1 mm 和53.2 mm。實(shí)際狹縫擋板的狹縫寬度為20 mm，在閾值允許的范圍內(nèi)。根據(jù)公式（13）和（14），可以計(jì)算得到圖6。從圖6中的曲線可以看出，因狹縫的最小寬度閾值主要是和探頭以及紫外線燈的直徑有關(guān)，高度的影響較?。欢畲髮挾乳撝岛透叨让芮姓嚓P(guān)。狹縫擋板的設(shè)置高度，要點(diǎn)是避免在狹縫擋板下發(fā)生的反射對(duì)測(cè)量有影響。因此，應(yīng)盡量將狹縫擋板放置在靠近紫外線燈的區(qū)域。

2.2.2 狹縫擋板狹縫寬度閾值計(jì)算公式推導(dǎo)

允許的最小寬度。狹縫擋板狹縫寬度減小時(shí)，最先受到影響的是從紫外線燈的兩側(cè)發(fā)出的光線。因此，圖7中點(diǎn)A、B、C構(gòu)成一條直線時(shí)，狹縫寬度是允許的最小寬度閾值。如小于這一寬度，則在無(wú)狹縫擋板時(shí)本可以直接到達(dá)探頭的光線受到了影響。圖7中，三角形ACF和三角形ABG相似，則式（15）成立。

化簡(jiǎn)公式（15）可得公式（16）。

允許的最大寬度。狹縫擋板狹縫寬度逐漸增大時(shí)，最先有反射光進(jìn)入探頭的是AB光線的反射光線BC（參見(jiàn)圖5，將圖5中的阻光擋板視為狹縫擋板的狹縫）。因?yàn)楹蛨D5 的光路圖相同，將狹縫擋板的最大狹縫寬度閾值X2替代圖5中的阻光擋板寬度w，狹縫擋板高度h 置換h1，即可根據(jù)公式（7）得到最大寬度閾值的計(jì)算公式（17）。

3 結(jié)論