环境反射光导致紫外线辐射照度测量误差的分析与消除方法

宋叶叶 张连峰 张金松 张庆珮 童张法

1（深圳清华大学研究院 生态与环境保护实验室 深圳518057）

2（广西大学化学化工学院 南宁530004）

3（深圳市水务（集团）有限公司 深圳518031）

4（深圳城市污水处理与再生利用工程实验室 深圳518031）

紫外线作用于生物体，会导致生物体发生变化［1-2］。紫外线消毒是病原微生物细胞被紫外线光子损坏，失去繁殖能力的过程［3-6］。因此，从紫外线灯发射出来的紫外线光子的辐射量是紫外线反应器设计、运行的重要参数。紫外线灯的紫外线输出量和紫外线灯周围的辐射场一直是国际紫外线领域的重要课题。在辐射场测量方面，传统的生物剂量法依然是重要的基础数据［7-8］，但模拟细菌的荧光球技术弥补了生物验证剂量只能得到平均剂量，而不能测量剂量分布的缺陷［7，9］。在辐射场计算理论和模型方面，线型灯周围辐射场的计算理论与模型趋于成熟［10］，已经有相关商业软件应用于工业设计。近年来，将计算流体力学（CFD）引入紫外线反应器计算的研究和应用越来越多［7，11-12］，这些计算的核心基础数据是紫外线灯实际发出的紫外线输出量，因此，准确测量紫外线输出量是紫外线领域的关键问题，有很多学者和国际组织在这方面做出了许多努力［13-16］。国际紫外线协会（IUVA）推荐了以凯兹方程为基础的紫外线灯的测量方法，该方法在我国备受认可，相关标准和规程对紫外线灯的测量起到了指导性作用［16-20］。将辐照计探头放置在紫外线灯辐射照度中垂线，在一定距离处测量辐射照度，由于在探头和紫外线灯之间有一定距离，周围环境的反射光有可能进入探头，测量的辐射量与光源实际发出的辐射量相比偏大，但是目前的测量方法没有提供消除这种周围环境反射光影响的手段。实践中，一般是利用大空间使反射面远离探测器探头和在壁面覆盖防反射材料的方法来降低反射光的影响［21］。这些措施虽然可以降低反射影响，但并没有实现消除反射误差或对反射误差缺少定量掌控。国内外在紫外线输出量的测量过程中，仍面临着周围环境的反射对测量的干扰。准确测量紫外线灯的紫外线输出量非常重要：紫外线灯生产厂家需要充分了解自己的产品并进行改进，为市场提供更优质的产品；紫外线反应器生产厂家需要实现优化设计产品；终端客户在更换、选择紫外线灯时，需要有据可依。有研究报道了对反射量的测量［22］，将测得的辐射照度进行修正，进而得到准确的紫外线灯辐射照度。但它有两个测量过程，会出现两次不确定性，对设备和操作过程要求较高。本文提出了一种避免周围环境反射的光线进入辐照计探头，消除反射误差的方法，并且对防反射误差装置的关键参数进行了深入研究。

1 设备与方法

1.1 材料

测量采用配有254 nm探头的UV-B型紫外辐照计（北京师范大学光电仪器厂）。紫外线灯采用标称功率为14 W 的低压汞灯（ZW14D15W-Z287，佛山市柯维光电有限公司），灯弧长205 mm，使用前对光源进行了100 h 的老化。镇流器采用UVB20-350/PTAO型（佛山市柯维光电有限公司）。为避免可能出现的供电电压的波动对测量的影响，供电电源加设了稳压器（T18124258，德力西）。采用功率仪（WT333E，YOKOGAWA）对电压、电流和功率进行全程监控。

1.2 测量系统

图1是紫外线灯测量系统的示意图。紫外线灯在垂直于纸面的方向与地面水平放置，辐照计探头在紫外线灯的中垂线上，探头接受面与紫外线灯发光面平行。紫外线灯测量只关注从紫外线灯直接进入辐照计的光线。根据几何光学原理，设置狭缝挡板作为阻光装置（透光率0%），将不直接进入探头的光线遮住，避免其到达环境而被反射进入探头，见图1（a）。若狭缝挡板的位置离紫外线灯较远，在挡板以下的空间内也会发生周围环境的反射，从狭缝射出的光线除了紫外线灯直接射出的光之外，还有反射光的投射，从而影响测量的准确性。因此，将狭缝挡板设置在靠近紫外线灯的位置。

为了测量进入辐照计探头反射光线的辐射照度，在紫外线灯与辐射计探头之间设置阻光挡板，不能透过（透光率0%）紫外线的一般材料均可。为了便于操作，我们使用外径为25 mm 的PVC 管子作为宽度25 mm 的阻光挡“板”，见图1（b）。阻光挡板宽度应大于等于紫外线灯的直径，若辐照计探头的接收窗直径大于紫外线灯直径，则阻光挡板宽度应大于探头接收窗的直径。在紫外线灯和探头之间设置阻光挡板，挡板的高度可以调节。测量时，能够直接到达辐照计探头的紫外线被阻光挡板阻挡，此时进入探头的紫外线都是被环境反射的光线。

2 结果与讨论

2.1 反射量的测量与分析

2.1.1 环境反射引起的误差

选择两种材料模拟反射环境（参见图1）：（1）侧面设置亚克力板；（2）侧面设置表面粗糙的塑料泡沫板；（3）不设置反射板，即较前两种情况侧面有较大的空间。应用紫外线平行光设备，分别测量了亚克力板在45°角的入射光和反射光的辐射照度，其比值约为5.57%。然后根据图2，推算出粗糙塑料泡沫板的45°反射为3.33%。测量结果如表1所示。

表1 显示，3 种不同的环境下所测量得到的辐射照度有差异，周围环境的反射对测量产生了影响。为测量反射影响，在探头和紫外线灯管之间设置阻光挡板，探头接收到的光线则为反射的紫外线，结果如图2所示。阻光挡板越靠近紫外线灯或者探头时，探头响应值越小，说明阻光挡板放置的位置距紫外线灯或探头较近时，会阻挡反射光的形成或遮挡反射光进入探头，此时绝大多数反射光没有进入探头。挡板在一定的高度范围内对应的辐射照度稳定不变，说明周围环境的反射光全部进入探头，因此，反射的紫外线量应采用阻光挡板在远离紫外线灯和探头的中间部位时的测量值。3种情况下的测量值分别为12.9µW/cm2、7.7µW/cm2和5.8µW/cm2。无阻光挡板时的测量值减去反射光测量值分别为45.5µW/cm2、45.5µW/cm2和45.4µW/cm2。3 个修正后的测量数据非常吻合，说明从紫外线灯直接到达探头的紫外线辐射照度值是45.5µW/cm2，也显示了这种测量方法的准确性。根据以上测量数据可知，周围环境反射引起的相对示值误差在3 种环境下分别是28.4 %、16.9 %和12.8 %，反射对测量的影响是不能忽视的。

表1 不同反射环境下的辐射照度测量值Table 1 Irradiances under various circumstances of reflection

2.1.2 阻光挡板的位置对测量的影响

图2显示，当阻光挡板紧贴在紫外线灯石英管表面（即距离紫外线灯中心12.5 mm）时，紫外辐照计测定值较小。随着阻光挡板距离紫外线灯管的距离的增加，辐照计的测量值增大，达到一个稳定值。当挡板接近探头时，辐照计测定值减小，因为当挡板与紫外线灯管距离很近时，挡板将原本可以经过环境反射的紫外线进行阻挡，从而无法形成反射进入探头；当挡板靠近探头时，挡板阻挡了反射光进入探头。存在挡板最低允许高度h1和最高允许高度h2：当挡板的位置低于某个高度的阈值时，阻光挡板将遮挡在无阻光挡板情况下原本可进入探头的反射光，阈值是最低允许高度h1；挡板的位置高于某个高度的阈值时，由周围环境反射的反射光被阻光挡板遮挡从而无法被探头接收，阈值是最高允许高度h2。h1和h2的推导和计算见公式（1）、（2）。

将本文测量系统的尺寸（见图1）代入公式（1）、（2）得，h1=68.7 mm，h2=841.1 mm。图2 的光滑反射面的曲线和理论阈值相符。但对粗糙反射面而言，反射光线受影响的范围较光滑反射面大，辐照度稳定时高度在120～710 mm范围内，因为粗糙反射面发生了较多的漫反射，只有部分光线反射进入探头。公式（1）和（2）是根据镜面反射的原理推导的。对比光滑和粗糙反射面的曲线可以看出，漫反射的影响只发生在靠近两个高度阈值的附近，这与粗糙反射面和镜面反射面的测量结果减去各自的反射量后的最后数值（45.4µW/cm2）是相等的，与测量结果一致。

根据公式（1）和（2），可观察挡板高度阈值随周围环境（反射物和紫外线灯的距离即m）的变化，见图3（d、r、w 和D 的值见图1）。从图3 中可看出，在反射物远离紫外线灯时，阻光挡板可调节的空间较大，反之，可调节的空间很小。实际操作中，阻光挡板置于紫外线灯和探头的正中间，即两者之间距离的一半，是最安全的。

2.1.3 阻光挡板的宽度对测量的影响

根据公式（1）、（2）观察挡板高度阈值与最大挡板宽度阈值的关系（见图4）。计算结果显示，挡板越宽可调节的高度范围越窄。当d、r、m和D为已知值（见图1）时，最大挡板宽度阈值是59.2 mm。实际测量时采用的是25 mm宽的板，小于59.2 mm，在允许范围内。

2.1.4 阻光挡板高度阈值计算公式推导

允许的最小高度。当阻光挡板位于紫外线灯与探头距离的一半以下时，阻光挡板的高度降到一定程度后，会对反射光也有影响，从而影响对反射光的测量。如图5 所示，在阻光挡板向下降时，紫外线灯的最左侧边沿点A发出的光线形成的反射光线最先受到影响。因此，从点A发出的光线经过阻光挡板的边沿F点到达反射板上的点B，经过反射后，光线恰好经过探头最左侧点C时，挡板高度是最低高度的阈值。

见图5，点A、B、C和F的坐标分别是（-d/2，0）、（m，n）、（-r，D）和（w/2，h1）。根据点A和点B的坐标，直线AB的方程，见公式（3）。

根据点B（m，n）和点C（-r，D）的坐标，直线BC的方程：

因为AB 和BC 是入射光和反射光的关系，两者的斜率分别为tan(90- θ)和tan(90+ θ)。结合方程（3）和（5），得

将方程（6）化简得到n，并且将其代入方程（4），得公式（7）。

允许的最大高度。阻光挡板位于紫外线灯与探头距离的一半以上时（见图5），当阻光挡板的高度升到一定程度后，会对反射光也有影响，从而影响对反射光的测量。由图5可知，在阻光挡板上升时，能够到达探头最左侧C点的反射光线最先受到影响。因此，从点A发出的光线经过阻光挡板的边沿F点到达反射板上的点B，经过反射后，光线恰好经过探头最左侧C点时，挡板高度是最高高度的阈值。

见图5，点A、B、C和E的坐标分别是（-d/2，0）、（m，n）、（-r，D）和（w/2，h2）。根据点B和点C的坐标，直线BC的方程，见式（8）。

因 为 点E （w/2， h2） 在 直 线BC 上，见式（9）。

根据点A（-d/2， 0）和点B（m， n）的坐标，直线AB的方程，见式（10）。

因为AB 和BC 是入射光和反射光的关系，两者的斜率分别为tan(90-θ)和tan(90+ θ)。结合方程（8）和（10），得公式（11）。

将方程（11）化简得到n，将其代入方程（9），得公式（12）。

2.2 防反射光方法及讨论

2.2.1 防反射光方法

以上对反射量的测量数据表明，周围环境会影响紫外线灯的辐射照度测量的准确性，环境的反射是一个会导致较大误差的因素。为准确测量，可在紫外线灯和探头之间设置带有狭缝的阻光狭缝挡板，消除环境反射的影响。见图1 测量系统，分别在有、无狭缝挡板和阻光挡板情况下进行了测量，测量结果见表2。

表2 紫外线灯测量结果Table 2 Measuremental results of UV lamp

情况1时，探头接收到的紫外线来自紫外线灯的直接照射以及周围环境的反射；情况2时，测得的是周围环境的反射的辐射照度；情况3时，测得的是紫外线灯直接投射到探头的辐射照度；在情况4时，由于同时设置了阻光挡板和狭缝挡板，所有的光线被遮挡无法进入探头。情况2和情况3的辐射照度之和与情况1时的辐射照度完全吻合。这和情况4测量得到的辐射量为0.0的结果互相印证，说明阻挡板测量反射的准确以及狭缝挡板防反射方法的有效。即带有防反射结构的测量系统可直接测量得到准确的紫外线灯辐射照度。因此，在使用狭缝挡板的情况下，紫外线光线只在狭缝与探头之间传播，不会受到周围环境的影响，即在狭小空间内就可进行精确测量，这对于节省测量设备成本具有重要的意义。

狭缝挡板的狭缝宽度过小时，探头接收到的光线只有部分从紫外线灯直接辐照的紫外线，另一部分光线被狭缝挡板遮挡；狭缝宽度过大时，探头接收到的光除了全部从紫外线灯直接辐照的紫外线之外，还会有反射光进入探头。因此，必须控制狭缝在合适的宽度范围内，即狭缝挡板的狭缝有最小和最大宽度阈值。计算见公式（13）和（14）。

实际测量系统参数（见图1）的最小与最大宽度阈值分别为15.1 mm 和53.2 mm。实际狭缝挡板的狭缝宽度为20 mm，在阈值允许的范围内。根据公式（13）和（14），可以计算得到图6。从图6中的曲线可以看出，因狭缝的最小宽度阈值主要是和探头以及紫外线灯的直径有关，高度的影响较小；而最大宽度阈值和高度密切正相关。狭缝挡板的设置高度，要点是避免在狭缝挡板下发生的反射对测量有影响。因此，应尽量将狭缝挡板放置在靠近紫外线灯的区域。

2.2.2 狭缝挡板狭缝宽度阈值计算公式推导

允许的最小宽度。狭缝挡板狭缝宽度减小时，最先受到影响的是从紫外线灯的两侧发出的光线。因此，图7中点A、B、C构成一条直线时，狭缝宽度是允许的最小宽度阈值。如小于这一宽度，则在无狭缝挡板时本可以直接到达探头的光线受到了影响。图7中，三角形ACF和三角形ABG相似，则式（15）成立。

化简公式（15）可得公式（16）。

允许的最大宽度。狭缝挡板狭缝宽度逐渐增大时，最先有反射光进入探头的是AB光线的反射光线BC（参见图5，将图5中的阻光挡板视为狭缝挡板的狭缝）。因为和图5 的光路图相同，将狭缝挡板的最大狭缝宽度阈值X2替代图5中的阻光挡板宽度w，狭缝挡板高度h 置换h1，即可根据公式（7）得到最大宽度阈值的计算公式（17）。

3 结论