CN110553728B - 箱式紫外线平行光设备及紫外线辐射照度计的校准方法 - Google Patents

箱式紫外线平行光设备及紫外线辐射照度计的校准方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种箱式紫外线平行光设备及紫外线辐射照度计的校准方法。所述设备包括紫外线灯和箱体；所述箱体包括上水箱和下箱体；所述上水箱的底部设有供所述紫外线灯产生的紫外线通过的水封窗；所述下箱体包括不透紫外光的上部、中部、下部不透紫外光的层板；所述中部层板位于上层板的下方；所述下部层板位于所述中部层板的下方；所述上部层板与所述中部层板之间存在空间；所述中部层板与所述中部层板之间存在空间；所述中部层板与所述下部层板之间存在空间；所述上部层板设有上部透光区；所述中部层板设有中部孔；所述下部层板设有下部孔。所述校准方法使用所述设备。本申请可使目标光束达到被照射物体，可消除非平行光的影响。

Description

箱式紫外线平行光设备及紫外线辐射照度计的校准方法
技术领域
本申请涉及紫外线测量技术领域，特别涉及一种箱式紫外线平行光设备及紫外线辐射照度计的校准方法。
背景技术
紫外线平行光设备是紫外线应用与研究中，实验室的常规设备，用于测量紫外线剂量。传统的平行光设备都是以一个管子限制紫外线的照射区域。在标准《GBT 19837-2005城市给排水紫外线消毒设备》和行业标准《HJ 2522-2012环境保护产品技术要求-紫外线消毒装置》中都提出了用这种管式平行光设备进行相关的测量。平行光设备的准确性受到多种因素的影响：紫外线光源自身的稳定性、各种反射的影响、紫外线在照射方向的截面上的能量分布不均、照射距离、被照射体自身内部的反射和体积/面积尺寸等等。为了解决上述问题，一般都是在理论上进行分析，通过数学计算处理对测量数值进行修正。管式平行光设备的核心是限制紫外线照射的管子，但这支管子也带来了问题：管壁的反射、管径管长不易调节；虽然可以更换管子，但会产生不同管子之间反射效果不同的误差之类的问题。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本申请的发明构思及技术方案，其并不必然属于本申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本申请提出一种箱式紫外线平行光设备及紫外线辐射照度计的校准方法，可消除非平行光的影响。
在第一方面，本申请提供一种箱式紫外线平行光设备，包括紫外线灯和箱体；所述箱体包括上水箱和下箱体；
所述紫外线灯置于所述上水箱中的水中；
所述上水箱的底部与所述下箱体的顶部连接；
所述上水箱的底部设有供所述紫外线灯产生的紫外线通过的水封窗；
所述下箱体包括不透紫外光的上部层板、不透紫外光的中部层板和不透紫外光的下部层板；所述中部层板位于所述上部层板的下方；所述下部层板位于所述中部层板的下方；
所述上部层板与所述中部层板之间存在空间；所述中部层板与所述下部层板之间存在空间；
所述上部层板设有可透过紫外光的上部透光区；所述中部层板设有中部孔；所述下部层板设有下部孔；所述上部透光区的中心、所述中部孔的中心、所述下部孔的中心与所述水封窗的中心在一条轴线上；透过所述水封窗的紫外光可经过所述上部透光区进入所述中部孔。
在一些优选的实施方式中，所述上部层板位于所述水封窗的下方；所述上部水箱和下部箱体之间设有可移动挡光板以阻止所述紫外线灯产生的紫外线进入下箱体并通过所述下部孔而照射被照射体。
在一些优选的实施方式中，所述水封窗为所述上部层板的一部分，所述上部透光区由所述上部层板的不透紫外光的部分围成。
在一些优选的实施方式中，所述上部透光区为开设在所述上部层板上的上部孔；所述上部孔的中心、所述中部孔的中心、所述下部孔的中心、所述水封窗中心在一条轴线上。
在一些优选的实施方式中，还包括水泵，所述水泵用于使所述水箱中的水运动。
在一些优选的实施方式中，还包括温度计，所述温度计用于测量所述水箱中的水的温度。
在一些优选的实施方式中，所述上部透光区与所述下部孔的孔径相等，并小于所述中部孔的孔径及所述水封窗的孔径。
在一些优选的实施方式中，所述上部透光区和所述下部孔的大小是可调的。
在一些优选的实施方式中，所述水封窗为水封石英玻璃窗。
在一些优选的实施方式中，所述上部层板、所述中部层板和所述下部层板的数量均为一层以上。
在第二方面，本申请提供一种紫外线辐射照度计的校准方法，使用上述箱式紫外线平行光设备；
将紫外线辐射照度计的探头置于所述下部孔的下方；
用所述紫外线辐射照度计测量紫外线辐射照度，得到辐射照度测量值；
将化学曝光计置于所述下部孔的下方，使所述化学曝光计的计量液接受紫外线的照射；
对照射后的计量液的吸光度进行检测，根据检测值获得辐射照度计算值；
用所述辐射照度计算值对所述辐射照度测量值进行校准。
在一些优选的实施方式中，调节所述上部透光区和所述下部孔的大小且使两者的大小保持相等以使所述上部透光区和所述下部孔的面积小于所述探头的接受窗的面积。
在一些优选的实施方式中，调节所述中部层板的位置，以消除反射光束。
与现有技术相比，本申请的有益效果有：
紫外线灯置于上水箱中的水中，通过水浴控温实现了紫外光源的稳定性。紫外线灯发出的目标光束透过水封窗，经过中心与水封窗在一条轴线上的上部透光区、中部孔和下部孔，到达被照射物体。紫外线灯发出的非平行光透过水封窗后，由中部层板或者下部层板反射，难以经过下部孔，可完全消除反射光束。可见，本申请可使目标光束达到被照射物体，可消除非平行光的影响。
附图说明
图1为本申请实施例的箱式紫外线平行光设备的立体结构示意图；
图2为本申请实施例的箱式紫外线平行光设备的平面结构示意图；
图3为本申请实施例的箱式紫外线平行光设备的一种变型方式的结构示意图；
图4为本申请实施例的箱式紫外线平行光设备的另一种变型方式的结构示意图；
图5为本申请实施例的辐射照度与时间的曲线图；
图6为本申请实施例的箱式紫外线平行光设备与传统管式平行光设备的辐射照度对比图。
具体实施方式
为了使本申请实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合图1至图6及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
参考图1，本实施例提供一种箱式紫外线平行光设备，包括紫外线灯100和箱体200。在本实施例中，箱体200包括上水箱1和下箱体2；也就是箱体200分为上下两部分，上面的部分是上水箱1，下面的部分是下箱体2。
上水箱1容纳有水。
紫外线灯100置于上水箱1中的水中以进行恒温。在本实施例中，紫外线灯100是浸没在水箱1中的水中。
上水箱1的底部11与下箱体2的顶部21连接。在本实施例中，上水箱1和下箱体2是连接在一起的，形成一个完整的箱体。
上水箱1的底部11设有供紫外线灯100产生的紫外线通过的水封窗10。具体的，水封窗10设置在底部11的底板12上；底板12是上水箱1与下箱体2的交界处。在本实施例中，水封窗10为水封石英玻璃窗，设有可供紫外线通过的石英玻璃。
下箱体2包括不透紫外光的上部层板26、不透紫外光的中部层板22和不透紫外光的下部层板23。上部层板26位于水封窗10的下方；中部层板22位于上部层板26的下方；下部层板23位于中部层板22的下方。上部层板26、中部层板22和下部层板23是箱体200的上中下三层板。在本实施例中，上部层板26、中部层板22和下部层板23的数量均为一层；在其它实施例中，上部层板26、中部层板22和下部层板23可为两层或者三层。
上部层板26与中部层板22之间存在空间，也就是水封窗10与中部层板22在上下方向存在空间；在本实施例中，上部层板26与中部层板22之间的空间设有中部箱壁24。中部层板22与下部层板23之间存在空间，也就是中部层板22与下部层板23在上下方向存在空间；在本实施例中，中部层板22与下部层板23之间的空间设有下部箱壁25。在本实施例中，中部箱壁24和下部箱壁25均是遮光的。
上部层板26设有可透过紫外光的上部孔透光区260；在本实施例中，上部孔透光区260为开设在上部层板26上的通孔。中部层板22设有中部孔220。下部层板23设有下部孔230，下部孔230的大小与水封窗10的大小相等或者说近似相等。上部孔透光区260的中心、中部孔220的中心、下部孔230的中心与水封窗10的中心在一条轴线上或者说近似在一条轴线上。在本实施例中，水封窗10、上部孔透光区260、中部孔220和下部孔230均是圆形的，四者的圆心在一条轴线上；在其它实施例中，水封窗10、上部孔透光区260、中部孔220和下部孔230还可以是矩形、椭圆形或其它形状。透过水封窗10的紫外光可经过上部透光区260进入中部孔220，然后进入下部孔230。
由于紫外线灯100的发光特性不是理论上的径向模式(Radial Model，发出的所有光线的射出方向都垂直于灯管表面)，而是光线从灯管的各个方向发射出。在本实施例中，参考图2，光束A、B、C、D和E是紫外线灯100发出的光束。光束A和B是准平行光设备的目标光束，光束B是能够到达被照射体的最大角度的光束。光束C、D和E分别代表了被拒绝的光束，它们一次反射的方向显示，这些反射光经过多次反射进入箱体200的下部孔230的概率是小概率事件。因此，箱体200内壁可不进行防反射处理。
用孔径为63mm的传统管式平行光设备(图6中的有管)和本实施例的紫外线平行光设备(图6中的无管)分别测量距管端口或下部孔230不同距离时的辐射照度，结果见图6。数据显示本实施例的紫外线平行光设备的数据较小，这证明了传统管式平行光设备的反射是不能忽略的。
关于水温的影响。水的比热受温度影响，在室温(约25℃)下，水的比热(C)为4.2J/(g℃)。本实施例使用的是8W电功率的紫外线灯，以40％的紫外线生成效率来计算，热功率(Q)为4.8W，上水箱1内水的体积(m)为(40*30*10＝)12000ml*(1g/ml)＝120000g。那么，
Q×t＝C×m×ΔT
t＝C×m×ΔT/Q
t是时间(s)，ΔT是温度变化。时间和水温升高的关系见表一。
表一时间和水温升高的关系
温度升高(℃) 0.5 1 1.5 2
所需时间(小时) 1.46 2.92 4.38 5.83
根据表一可知，紫外线灯100引起的水温变化是很小的。而且，表一中的数据是忽略了上水箱1向环境散热的情况下的纯理论计算。在实际测量中，这部分散热是存在的。因此，紫外线灯100引起的水温变化，从而对紫外线灯100的紫外线输出是在可以忽略的水平。
参考图3，在实际的测量中，为进一步控制水温，可设置一个水泵3，具体可以是水下泵。水泵3可使上水箱1内的水体运动，可避免在紫外线灯100周围形成局部高温。此外，还可设置一个温度计4，用于测量上水箱1中的水的温度，可随时监控温度变化，必要时更换上水箱1中的部分水体以对温度进行调节。
根据上述可知，紫外线灯100置于上水箱1中的水中，通过水浴控温实现了紫外光源的稳定性。紫外线灯100发出的目标光束透过水封窗10，经过中心与水封窗10在一条轴线上的上部透光区260、中部孔220和下部孔230，到达被照射物体。紫外线灯100发出的非平行光透过水封窗10后，由上部透光区260、中部层板22或者下部层板23反射，难以经过下部孔230，可完全消除反射光束。可见，本实施例可使目标光束达到被照射物体，可消除非平行光的影响。
中部层板22的主要作用是防止箱壁反射的影响，因此中部层板22的中部孔220的大小可略大于在其上下两板的孔径，也即略大于上部透光区260的大小以及略大于下部孔230的大小。在其它实施例中，中部孔220的大小等于上部透光区260的大小以及等于下部孔230的大小。
上部层板26和下部层板23是可更换的，以便同时改变上部透光区260和下部孔230的大小，从而实现基本去除非平行光的影响。
在一些情况下需要使紫外线灯100产生的紫外线暂时不照射被照射体，但切断紫外线灯100的电源后重新开启紫外线灯100需要预热。为此，在其它实施例中，参考图1，箱体200设有遮光缝隙300。缝隙300用于放置可移动挡光板以阻止紫外线灯100产生的紫外线通过下部孔230照射被照射体。如此，缝隙300中插入的可移动挡光板可作为紫外线灯100的开关，插入可移动挡光板则没有紫外线照射被照射体，取出可移动挡光板则有紫外线照射被照射体。缝隙300的一种设置方式是：在上水箱1的底部11与下箱体2的顶部21之间设有缝隙300；也就是说，上水箱1和下箱体2是两个箱子，上水箱1和下箱体2之间设有缝隙300；这样便于设置缝隙300；水封窗10与上部层板26之间存在缝隙300；如此，在缝隙300中插入可移动挡光板就可阻止紫外线灯100产生的紫外线进入下部箱体2并通过下部孔230而照射被照射体。
在其它实施例中，参考图4，水封窗10为上部层板26的一部分。上部透光区260由上部层板26的不透紫外光的部分围成。此时，箱体200是一体的结构，上部层板26是上水箱1与下箱体2的交界处。上部层板26的不透紫外光的部分可以是涂层；上部透光区260则为涂层包围的可以透紫外光的区域；如此，透过水封窗10的紫外光可经过上部透光区260进入中部孔220。
本实施例还提供一种紫外线辐射照度计的校准方法。该校准方法使用本实施例的箱式紫外线平行光设备。本实施例的校准方法包括步骤S1至步骤S5。
步骤S1、将紫外线辐射照度计的探头置于下部孔230的下方。
如此，紫外线辐射照度计的探头位于紫外线灯的照射范围之内。
步骤S2、用紫外线辐射照度计测量紫外线辐射照度，得到辐射照度测量值。
打开紫外线灯100，参考图5，待紫外线辐射照度计的读数稳定后(一般在15-60分钟左右)，此时各设备处于工作状态，可以进行各种测量。
步骤S3、将化学曝光计置于下部孔230的下方，使化学曝光计的计量液接受紫外线的照射。
本实施例采用的化学曝光计是常用的KI/KIO3化学曝光计。根据实际情况，可将紫外线辐射照度计的探头从下部孔230的下方移开，以给化学曝光计腾出空间。
步骤S4、对照射后的计量液的吸光度进行检测，根据检测值获得辐射照度计算值。
根据量子产率的原理，对照射后的计量液的吸光度进行检测，通过检测值进行该位置辐射照度的计算，如下式。
Figure BDA0002179626440000071
其中，Abs352是254nm紫外线照射之前1cm光程所对应的352nm吸光度；Abs352’是254nm紫外线照射之后1cm光程所对应的352nm吸光度；V是化学曝光计的体积，单位是mL；h是普朗克常数，为6.62606896×10-34J·s；c是光在真空中的传播速度，为299792458m/s；Na是阿伏伽德罗常量，为6.02×1023；La是光程，为1cm；Φ是量子产率，无量纲；λ是光波波长，单位是nm；t是曝光照射时间，单位是s；A是液体被曝光的照射面积，单位是cm2。
根据上式可得到辐射照度计算值。
步骤S5、用辐射照度计算值对辐射照度测量值进行校准。
得到辐射照度计算值后，将其与紫外线辐射照度计的辐射照度测量值进行比较。如果辐射照度测量值与辐射照度计算值有差值，则对紫外线辐射照度计进行校准以消除差值。
非平行性的光束有两种影响：a.对于化学曝光计，紫外线进到计量液容器后，会有反射、折射，特别是容器壁；b.对于紫外线辐射照度计的探头，光束照射面积和辐射照度计的接收窗的面积的匹配，以及光束截面积上的光能量分布都有影响。
在校准的过程中，可对箱体200的上下两孔也即对上部透光区260和下部孔230的大小进行调节且保持上部透光区260的大小与下部孔230的大小相等，具体可以是更换上部层板26和下部层板23，这样几乎可以完全消除非平行光的影响，具体可使上部透光区260的孔径和下部孔230的孔径均小于中部孔220的孔径和小于水封窗10的孔径。
紫外线辐射照度计的探头接受紫外线的总能量除以探头的接收窗的面积为所测量的辐射照度。由于照射面积可控，也即下部孔230的大小是可调的，在校准的过程中可以通过调节使下部孔230的大小小于探头的接受窗的面积。这样，可以消除照射面积上由于能量分布不均匀引起的误差，也即消除下部孔230的面积内紫外线分布不均的影响。
在本实施例中，将化学曝光计的计量液及紫外线辐射照度计的探头靠近箱体200的下部孔230，可以极大地减少上面a和b两种误差。
在传统的管式平行光设备中，被照射物距管端部越近，反射光影响越大；而离端部越远，由于光束中非平行光的影响，被照射面积越不易控制和掌握，从而形成误差。本实施例解决了这一矛盾，由于没有反射的顾虑，将被照射物尽量靠近箱体200的下部孔230，下部孔230的面积就是照射面积，可提高测量精度。
紫外线辐射照度计是紫外线实验室常用的紫外线测量设备，其准确性非常重要，需要定期进行校准。但传统的紫外线辐射照度计的校准耗时且成本高，而且对于较严格的应用，在每个校准周期的后期，设备的准确性总是让人担忧。本实施例可消除孔面积上紫外线分布不均的影响，可实现在一般实验室内都可以自主校准紫外线辐射照度计。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种紫外线平行光设备，其特征在于：包括紫外线灯和箱体；所述箱体包括上水箱和下箱体；
所述紫外线灯浸没在所述上水箱中的水中，以通过对所述紫外线灯的水浴控温实现紫外光源的稳定性；
所述上水箱的底部与所述下箱体的顶部连接；
所述上水箱的底部设有供所述紫外线灯产生的紫外线通过的水封窗；
所述下箱体包括不透紫外光的上部层板、不透紫外光的中部层板和不透紫外光的下部层板；所述中部层板位于所述上部层板的下方；所述下部层板位于所述中部层板的下方；
所述上部层板与所述中部层板之间存在空间；所述中部层板与所述下部层板之间存在空间；
所述上部层板设有可透过紫外光的上部透光区；所述中部层板设有中部孔；所述下部层板设有下部孔；所述上部透光区的中心、所述中部孔的中心、所述下部孔的中心与所述水封窗的中心在一条轴线上；透过所述水封窗的紫外光可经过所述上部透光区进入所述中部孔。
2.根据权利要求1所述的紫外线平行光设备，其特征在于：所述上部层板位于所述水封窗的下方；所述水封窗与所述上部层板之间的缝隙中设有可移动挡光板以阻止所述紫外线灯产生的紫外线进入下部箱体并通过所述下部孔而照射被照射体。
3.根据权利要求1所述的紫外线平行光设备，其特征在于：所述水封窗为所述上部层板的一部分，所述上部透光区由所述上部层板的不透紫外光的部分围成。
4.根据权利要求1所述的紫外线平行光设备，其特征在于：所述上部透光区为开设在所述上部层板上的上部孔；所述上部孔的中心、所述中部孔的中心、所述下部孔的中心以及所述水封窗的中心在一条轴线上；所述水封窗与所述上部层板之间存在缝隙。
5.根据权利要求1所述的紫外线平行光设备，其特征在于：还包括水泵和温度计；所述水泵用于使所述水箱中的水运动；所述温度计用于测量所述水箱中的水的温度。
6.根据权利要求1所述的紫外线平行光设备，其特征在于：所述上部透光区与所述下部孔的孔径相等，并小于所述中部孔的孔径及所述水封窗的孔径。
7.根据权利要求1所述的紫外线平行光设备，其特征在于：所述上部透光区和所述下部孔的大小是可调的；所述水封窗为水封石英玻璃窗；所述上部层板、所述中部层板和所述下部层板的数量均为一层以上。
8.一种紫外线辐射照度计的校准方法，其特征在于：
使用根据权利要求1至7任一项所述紫外线平行光设备；
将紫外线辐射照度计的探头置于所述下部孔的下方；
用所述紫外线辐射照度计测量紫外线辐射照度，得到辐射照度测量值；
将化学曝光计置于所述下部孔的下方，使所述化学曝光计的计量液接受紫外线的照射；
对照射后的计量液的吸光度进行检测，根据检测值获得辐射照度计算值；
用所述辐射照度计算值对所述辐射照度测量值进行校准。
9.根据权利要求8所述的校准方法，其特征在于：调节所述上部透光区和所述下部孔的大小且使两者的大小保持相等以使所述上部透光区和所述下部孔的面积小于所述探头的接受窗的面积。
10.根据权利要求8所述的校准方法，其特征在于：调节所述中部层板的位置，以消除反射光束。
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