Щупаем ультрафиолет. Самодельный измеритель УФ излучения.

Детям до 18 вход воспрещён!
В свете ультрафиолете обсуждения появилась идея сваять какую-нибудь измерялку УФ излучения. Быстро и просто не получилось.
Так уж сложилось, что обзор пролежал в черновиках более года. Лето на подходе, и самое время рассказать о своих экспериментах. В обзоре много цифр, графиков и текста.

1. Общие сведения об ультрафиолетовом излучении.
Ультрафиоле́товое излуче́ние (ультрафиолетовые лучи, УФ-излучение) — электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн УФ-излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм (7,5⋅1014—3⋅1016 Гц). Термин происходит от лат. ultra — сверх, за пределами и фиолетовый (violet). В разговорной речи может использоваться также наименование «ультрафиолет».

Электромагнитный спектр ультрафиолетового излучения может быть по-разному поделён на подгруппы. Стандарт ISO-DIS-21348 по определению солнечного излучения даёт следующие определения:
Ближний ультрафиолетовый диапазон часто называют «чёрным светом», так как он не распознаётся человеческим глазом, но при отражении от некоторых материалов спектр переходит в область видимого излучения вследствие явления фотолюминесценции. Но при относительно высоких яркостях, например, от диодов, глаз замечает фиолетовый свет, если излучение захватывает границу видимого света 400 нм.

Для дальнего и экстремального диапазона часто используется термин «вакуумный», ввиду того, что волны этого диапазона сильно поглощаются атмосферой Земли.
Ссылка на источник

Список сокращений и непонятных слов, встречающихся в тексте:
UV (ака УФ) — ультрафиолет (ультрафиолетовое излучение)
UVI — ультрафиолетовый индекс (УФ индекс)
ФД — фотодиод
ФТ — фототранзистор
ОУ — операционный усилитель
БП — блок питания
DC-DC — преобразователь постоянного напряжения (ППН)
ПП — печатная плата

Разные ссылки на литературу и статьи:
Standardization of Broadband UV Measurements for 365 nm LED Sources
Измеряем индекс ультрафиолетового излучения UVA UVB (но непонятно, что же получилось у автора в результате)
Оргстекло не пропускает ультрафиолет
Оргстекло пропускает ультрафиолет?
Фотодеструкция полистирола
Спектроскопия в УФ и видимой области
Загар с точки зрения фотохимика
Как спастись от «зайцев». Инструкция по борьбе с ультрафиолетом (Много красивых фото! )

«Так что, в любом случае, придется прибегать к специализированным устройствам (скорее всего самодельным).» ©

2. Ультрафиолетовый индекс (Ultraviolet index, UV индекс).
Ещё один параметр, которым пугают детей о котором все слышали, но проверить собственноручно мало кто может.
Вообще, сми обожают кошмарить народ всякими излучениями\заражениями\микробами и т.д.

Естественно, все слышали фразы по радио: «УФ индекс зашкаливает! Не выходите на улицу без СИЗ!

УФ-индекс — это число, линейно связанное с интенсивностью вызывающего солнечные ожоги УФ-излучения в данной точке на поверхности земли. Его нельзя просто связать с энергетической яркостью (измеренной в W/m), потому что ультрафиолетовое излучение, вызывающее наибольшую озабоченность, занимает спектр с длиной волны от 295 до 325 нм, а более короткие длины волн уже в значительной степени поглощаются, когда они прибыть на поверхность земли. Однако повреждение кожи от солнечных ожогов зависит от длины волны, причем более короткие волны наносят гораздо больший ущерб. Поэтому спектр мощности УФ-излучения (выраженный в ваттах на квадратный метр на нанометр длины волны) умножается на кривую взвешивания, известную как спектр эритемного действия, и результат интегрируется по всему спектру.
Это дало взвешенный показатель (иногда называемый УФ-излучение, взвешенное по дифференциалу, или DUV, или мощность эритемной дозы), обычно около 250 мВт/м2 при солнечном свете в полдень.

Таким образом, они произвольно делятся на 25 мВт/м2, чтобы получить удобное значение индекса, по существу, по шкале от 0 до 11+.

Ссылка на источник

3. В рамках программы по ликвидации тотальной технической неграмотности
производители из Поднебесной наполнили рынок различными измерителями УФ по акционной цене.

Smart UV Light Index Detector Ultra Violet Meter Tester

Tenmars TM-213

Измеритель UV340B
Шкала — в мкВт/см2.

Solarmeter 6.5R Reptile UV Index Meter
Местные продавцы скромно запросили 18331 грн.

Но и это ещё не предел по цене. Рекордсмен на сегодня — измеритель UVC DELTA OHM HD2302.0
по цене 36 960 грн.
Что меня больше всего развеселило: класс точности не указывается!
И это за 1300 долларов.

Словом, если лень паять, за каких-то 100-250уе можно заполучить готовый приборчик.

4. Приёмники УФ излучения.
Быстрый поиск выдал несколько вариантов.

Модуль №1
Загадочная схема с преобразователем DC-DC 8521 (U2) на печатной плате.

Модуль №2
В описании к нему даже есть схема:

Модуль №3
Тут всё супер: есть документация на сенсор VEML-6070.
Одно но: цифровой выход. Для тех, кто дружит с процессорами, прошивками — самое то.

Поэтому мой выбор — модуль №2.
УФ сенсор — фотодиод GUVA-S12SD

Чувствительность нормирована: 113 нА при 1 мВт/см2

Т.о. применённый ОУ LM358 с входными токами 20 нА — не есть оптимальный вариант:

Чтобы „отловить“ ток, соответствующий 1UVI (26 нА), желательно использовать ОУ с входными токами поменьше хотя бы в 1000 раз.

В схемотехнике модуля №2 много спорных моментов. Поэтому детальное препарирование модуля отложено на потом.

4. Моделирование.
Используется классическая схема подключения фотодиода:

Моделирование в программе MultiSim10:
При таких номиналах получается чувствительность 0,1В при 1 мВт/см2.

Или
При таких номиналах получается 1 попугай 0,1В при 1UVI.

Если использовать вольтметр с пределом 0-2В, то 2В будет соответствовать 20UVI.

5. Приключения начинаются.
8 января 2022 г. приехала долгожданная посылка. Вот он модуль:

В схеме целый букет ошибок:
— использован дешёвый ОУ LM358, который не rail-to-rail
— входной ток LM358 20..250 нА, так что измерять ток порядка нескольких нА — откровенная тупость глупость

Фактическая схема:
После включения на выходе модуля (при закрытом ФД) присутствует +60 мВ.
Естественно, на УФ излучение схема даже не пытается реагировать.
Одним словом, фигвам ©.


Далее была перерезана дорожка, ведущая к ФД. И пара проводников соединила ФД и схему на макетной ПП:
Резистор 1 кОм — против возбуда ОУ.
Кто смелый, можете попробовать без него. ;) Только потом не спрашивайте, что за чудеса творятся со схемой.

Расчёт схемы выполнен для стрелочного микроамперметра (полное отклонение стрелки 150 мкА; сопротивление 520 Ом).
При 10 UVI фототок (если верить документации на ФД) составляет 260 нА.
Тогда на выходе ОУ +0,15 В, т.е. получается 100% шкалы (10 UVI).

Питание схемы — двухполярное несимметричное +16 В и минус 4 В от Li-Ion аккумулятора:
Функция защиты от непредвиденных ситуаций возложена на СВП 0,1А.

DC-DC преобразователь — на mt3608:
Подстроечным резистором преобразователя устанавливается полный размах питания 20 В.

Все части схемы „упакованы“ в корпус от мультиметра Ц-20-05 при помощи изоленты и клеевого пистолета:

УФ ФД установлен в корпусе без всяких изысков:
Надеюсь, не надо пояснять, что закрывать ФД какими-либо светофильтрами нельзя.

6. Первые замеры и… разочарование.
Источник УФ излучения — ноунейм фонарик с Али (пришлось одолжить у друга):

Какой тип светодиода неизвестно. Предположительно, ближний диапазон (А).
Показание прибора: около 1,0 UVI (расстояние примерно 1 см ).

12 января выдался ясный морозный день, хотя синоптики обещали совсем другое.
Получены вот такие цифры:
3,0 UVI — прямой солнечный свет (92000 лк)
2,1 UVI — солнечный свет через оконное стекло
2,3 UVI — солнечный свет через УФ фотографический светофильтр (ноунейм без просветления)

Ну и самый убойный эксперимент: ЛН 60 Вт.
Оказалось, прибор помимо УФ ловит видимый диапазон, поэтому без компенсации ничего толкового не будет.

7. Принцип компенсации или как собрать правильный сенсор из кучи неправильных.
Для s12sd заявлено, что волны длиннее 380 нм он не видит:

Фактически график выглядит примерно вот так:

Т.е. ФД успешно „прихватывает“ видимую (а возможно и ИК) часть спектра:

Представляются возможными для реализации вживую несколько способов компенсации.

7.1 Предположительно, самый правильный способ: использование двух одинаковых ФД s12sd.
Структурная схема:

ФД1 и ФД2 — соответственно пара фотодиодов s12sd
Световой поток попадает на ФД1 напрямую, т.е. без всяких светофильтров.
А перед ФД2 установлен УФ светофильтр (точно такой, какой используется в фотографии, когда необходимо отсечь УФ часть спектра).
Но тут начинаются нюансы: длина волны, с которой „отсекает“ УФ светофильтр, достоверно неизвестна.

Оказывается, чтобы проверить УФ светофильтр, требуется очень дорогостоящее оборудование.
Встречайте! Спектрофотометр Hitachi U-2900:
Сменная лампочка для U-2900 стоит всего-то 800 уе.
Так что крыло от Боинга будет стоить дешевле, чем Hitachi U-2900.

Источник: Test filtrów UV
Авторы статьи проверили 20 моделей дорогих УФ светофильтров:
Например, график для B+W 72mm 010M UV-Haze MRC
Для других моделей УФ светофильтров графики похожи, как две капли воды.
Длина „отсечки“ — около 380 нм (по уровню 50%).

Отсюда вывод: идея с двумя ФД хорошая, но чистота эксперимента 50 на 50.


7.2 Вариант №2
Структурная схема аналогичная, но вместо ФД2 используется RGB сенсор KPS-5130PD7C
Желающие могут купить сабж в Харькове всего за 44 грн:
В корпусе прячутся три кремниевых ФД под тремя зональными светофильтрами.
Схема включения KPS-5130PD7C тривиальная: три канала (три ОУ), после чего три сигнала поступают на выходной сумматор.
Всё супер, но вопросов по настройке схемы на порядок больше.
Пёс его знает, как потом крутить подстроечные резисторы?

7.3 Вариант №3
Структурная схема та же, но вместо ФД используется фотодиод видимого диапазона Vishay BPW21R или его аналог.

7.4 Вариант №4
Использовать светофильтр ZWB2, пропускающий УФ короче 380 нм:
Характеристики ZWB2:

Но тут есть несколько моментов:
1) в описании — заявляемые характеристики (как обстоит дело реально — фз)
2) фильтр пропускает ИК часть спектра, а в том же солнечном спектре ИК очень даже присутствует
Поэтому 4й вариант — в корзину.

8. Второй экземпляр приехал 25.01.2022

Микросхема была тут же цинично выкушена бокорезами, а все элементы, кроме ФД S12SD, удалены с ПП.
ФД подсоединил наживульку к HS1010A:

Повторил эксперимент с одиночным сенсором,
замер в 12:30 26.01.2022, светлый пасмурный день около 10000 лк.
Прямой свет: 98 „лк“
Через оконное стекло: 66 „лк“ (кавычки, надеюсь, понятно почему).

Нет, это не стекло грязное.
Оконное стекло пропускает видимый диапазон и отсекает УФ.
В результате снижение чувствительности УФ ФД на 1/3.
Вывод: для УФ чувствительность ФД s12sd снижается в 3 раза!

Прозрачность в УФ различных материалов:

9. Подбор в пару УФ ФД.
Схема включения двух УФ ФД схематично показана на рисунке:
Световой поток попадает на ФД1 (U4 на рисунке) без всяких оптических фильтров.
На ФД2 U3 попадает только видимый световой поток, пройдя через светофильтр с „отсечкой“ УФ.
Таким образом на вход преобразователя I-U поступает фототок за вычетом тока, создаваемого видимым излучением.

Вот она парочка модулей с выкушенными микросхемами:
Т.е. на ПП остались только ФД.

Далее ФД соединяются встречно-параллельно.
И эта спарка подсоединяется к HS1010A.
Для проверки используется видимый диапазон !
ВАЖНО: входной фототок для HS1010A — входящий. Если входной ток отрицательный, то приборчик упрямо показывает ноль.
Не забывайте об этом. ;)

Ежу понятно, что подобрать согласованную пару аж из двух штук вряд ли получится.
По любому один из ФД будет с бОльшей чувствительностью.
Поэтому именно этот ФД (с бОльшей чувствительностью) следует закрыть УФ светофильтром.

Не следует забывать про следующее:
Т.о. чувствительность ФД в видимом диапазоне за стеклянным УФ фильтром снизится примерно в 1,12 раза.

Спарка модулей:

Проверка видимым излучением (освещённость около 100000 лк):
Пара ФД оказалась достаточно согласованная без всяких подборов.

За УФ светофильтрами пришлось наведаться к стекольщиками:
Толщина 2 мм.

Проверка работы компенсации лампой накаливания:
Естественно ноль. )) Другого и быть не может.

Дополнительная проверка для проверки правильности монтажа и работы компенсатора:
если посветить фонариком (в видимом диапазоне) на ФД, который не закрыт светофильтром, приборчик покажет некоторое значение;
если посветить фонариком (в видимом диапазоне) на ФД, который под светофильтром, приборчик показывает ноль.

Корпус для УФ сенсора — от дохлого pir-gsm датчика:
Крышечка, некогда закрывавшая разъём sim-карты, оказалась как нельзя кстати.

Внутри установлены две ПП с УФ ФД и стеклянной пластиной (УФ светофильтром):

Перед использованием следует снять крышечку sim-карты:

Приборчик в сборе (фото на подоконнике за оконным стеклом):

10. Результаты замеров (ака дневник).
До лета ещё было далеко, поэтому начало записей стартовало в январе 2022 года.

31.01.2022 — тёмный пасмурный день 2450 лк; показание 3..4 ед.
1.02.2022 — обычный пасмурный день 6300 лк; показание 8..9 ед.

5.02.2022
10:00 прямой солнечный свет 96000 лк 58 единиц
11:40 прямой солнечный свет 102000 лк 80 единиц
13:30 прямой солнечный свет 87600 лк 51 единиц

13.02.2022
9:40 прямой солнечный свет 103000 лк 66 единиц
12:00 прямой солнечный свет 110000 лк 70 единиц

30.07.2022 (45°02′00″ с. ш. 38°59′00″ в. д.)
10:00 103 лк 70 единиц (7UVI)

Июль 2022 (44°53′38″ с. ш. 37°19′03″ в. д.)
11:00 105 лк 160 единиц (16UVI)

11. Некоторые выводы (вместо заключения):
— приборчик вполне работоспособный
— своё любопытство я удовлетворил

Если кто-то захочет повторить приборчик, постараюсь ответить на Ваши вопросы.


Всем удачных экспериментов!

Дополнение от 12.06.2023 (берег моря недалеко от Анапы).
Солнце в дымке (17 UVI)

Прямой солнечный свет:
21 UVI