DE4217968A1 - Gerät zur Messung von natürlicher und künstlicher UV-Strahlung - Google Patents

Gerät zur Messung von natürlicher und künstlicher UV-Strahlung

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Robert Baumgartner
Hans-Albert Ozimek
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OZIMEK HANS ALBERT
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/429Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to measurement of ultraviolet light

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

In zwei Lebensbereichen werden Menschen von schädlicher UV-Strahlung exponiert.
Erstens wirkt die natürliche Bestrahlung der UV-B und UV-C- Strahlenanteile der Sonne jederzeit auf sämtliche Personen ein, die sich ihr aussetzen.
Die schädliche Wirkung reicht vom Sonnenbrand bis zur Förderung von Hautkrebs.
Insbesondere dadurch, daß das Ozonloch wandert und sich vergrößert, werden in Zukunft neue Strahlungsverhältnisse auftreten, so daß es von größter Wichtigkeit ist, sich in Zukunft vor dieser Strahlung, die durch unsere Sinnesorgane nicht aufgenommen oder gemessen wird, zu schützen.
Zweitens wirkt in einer Reihe von Arbeitsplätzen künstliche ultraviolette Strahlung auf den Menschen ein.
Dazu gehören z. B. Schweißarbeitsplätze, Arbeitsplätze in der Nähe von Trockenmaschinen in der Druckindustrie, Verpackungsindustrie und in Härtereien, Arbeitsplätze in den Bereichen, in denen die UV-Strahlung zum Entkeimen der Luft oder zum Entkeimen von biologischen und medizinischen Reinigungsprozessen verwendet wird. Die jeweiligen Bestrahlungsintensitäten reichen von einer dauernden sehr geringen Belastung bis zu sehr starken und schädigenden Belastungen.
Die UV-Strahlung wird in drei Bereiche unterteilt Die Wellenlängen von 315 nm-380 nm werden als UV-A Strahlung bezeichnet. Die Wellenlängen 280 nm-315 nm werden als UV-B- Strahlung bezeichnet, und die Wellenlängen 100 nm-280 nm werden als UV-C-Strahlung bezeichnet.
Die UV-Strahlungsanteile unter 200 nm werden in Luft nahezu vollständig absorbiert.
Maß für die Messung der relevanten Meßgröße ist die Bestrahlungsstärke (E). Die zugehörige Einheit ist mW/cm oder µW/cm.
Die für die Schädigung der Menschen relevante Größe ist die Bestrahlungsdosis (H), die das Produkt aus der Bestrahlungsstärke und der Expositionszeit ist. Die zugehörige Einheit ist mJ/cm oder µJ/cm.
Die schädigende Wirkung der unterschiedlichen Wellenlängen ist nicht konstant. Jede Wellenlänge hat eine andere relative Schädigung auf Hautgewebe und Auge.
Die Schädigung wird also durch die Art, Intensität und Expositionzeit bestimmt. Darüberhinaus kann sich der Mensch durch protektive Maßnahme schützen, wie zum Beispiel, durch die Verwendung einer Sonnencreme mit Sonnenschutzfaktor oder in der Industrie, durch die Verwendung einer Absorptionswand, als Strahlenfilter.
Die Schädigungen sind:
  • - Verblitzen der Augen
  • - Sonnenbrand
  • - Vorzeitige Hautalterung (Seemannshaut)
  • - Hautkrebs
Im nationalen Bereich gilt derzeit ein Grenzwert für die Strahlung einer definierten Wellenlänge.
Für eine Bestrahlung mit der Wellenlänge 254 nm, ist für einen achtstündigen Arbeitstag der Grenzwert von 22 mJ/cm verbindlich. Da jedoch nur in ganz wenigen Fällen von einer einzigen Wellenlänge ausgegangen werden kann, ist dieser Grenzwert in seiner personenschützenden Anwendung nicht als hinreichend gut zu bezeichnen.
In internationalen Bereichen gibt es Grenzwerte, die wissenschaftlich erforscht und anerkannt sind und sich an der sogenannten Wirksamkeitskurve, die von der "American Conference of Govermental Industrial Hygienists" -, kurz ACGIH, erarbeitet worden ist, orientieren (ACGIH-Kurve, s. Zchg. 1).
Diese Kurve wurde durch einzelne Messung und begleitende Versuche ermittelt, und wichtet die schädliche Wirkung von den UV-Strahlen verschiedener Wellenlängen, auf die menschliche Haut und das Auge.
Diese ACGIH-Wirksamkeitskurve erlaubt also
E-eff. ist dabei das Integral (Summe) über sämtliche schädigende Wellenlängen, unter Einbeziehung der jeweiligen Intensität der Wirkung auf den Menschen. (Personenäquivalentssumme)
Nachdem E-eff. berechnet wurde, kann unter Einbeziehung der Meßzeit, die Bestrahlungsdosis (H) berechnet werden oder unter der Voraussetzung eines verordneten Grenzwertes für H, die maximale Verweildauer, der Person im Strahlenfeld berechnet werden und als Alarmkriterium gesetzt angewendet werden.
Setzt man dieses Integral, also E-eff. als Meßgröße fest, so gilt für einen achtstündigen Arbeitstag derzeit der Grenzwert
H max = 3 mJ/cm.
Diese internationalen Vorschläge werden voraussichtlich im Rahmen der Europäisierung der Grenzwerte von den verordnenden Institutionen, dem "National Institute of Occopational Safety and Health", der "World Health Organization", und dem Internationalen Strahlenschutzverband übernommen.
Auch das Deutsche Normungsamt wird mutmaßlich diese ACGIH- Wirksamkeitskurve, als Meß- und Rechengröße anerkennen und entsprechende Meßmethoden vorschreiben oder empfehlen.
Unserem Kenntnisstand zur Folge existieren heutzutage keine Meßgeräte, die eine integrierende Einzelmessung in UV-Bereich, in einer einstellbaren Lage und Bandbreite gewährleisten. Derzeit wird die effektive Bestrahlungstärke durch Messung der einzelnen Wellenlängen, bzw. durch Einzelmessungen gefilterte definierter Wellenlängenbereiche und der anschließenden Summierung, bzw. Integrierung realisiert.
Diese Messungen werden mit UV-Radiometern durchgeführt.
Des weiteren existieren kleine Meßgeräte, die mit einem Halbleiterdetektor (Ga-As) ausgestattet sind, und eine Wellenlängenauswahl ermöglichen, durch ein vorgesetztes Filterglas.
Jedoch werden die hier formulierten Ansprüche dadurch nicht erreicht.
Durch die kommenden Richtlinien und Normen wird das Problem der einfachen, kostengünstigen und korrekten Messung der UV-Strahlen akut.
Des weiteren existiert ein derzeit sehr aktuelles Problem, das die gesamte Bevölkerung betrifft:
DAS OZONLOCH
Durch das hiergegenständliche Meßgerät kann sich jedermann, jederzeit und täglich über die aktuelle nicht-ionisierende UV-Strahlung informieren, und dementsprechende Schutzmaßnahmen treffen.
LÖSUNG DER PROBLEME DURCH DIESE INNOVATION - Zusammenfassung -
Dadurch, daß dieses Gerät es ermöglicht, im UV-Strahlenbereich eine Wirksamkeitskurve (Detektorspezifische Empfindlichkeitskurve), die durch die verwendete Technik und den Sensoraufbau einstellbar ist, zu realisieren, wird die, bisher so aufwendige und kostspielige Ermittlung der effektiven Betrahlungsstärke vereinfacht. (Mögliche Kurven s. Zchg. 2)
Durch Veränderung der Sensorkomponenten ist die detektorspezifische Empfindlichkeitskurve, die als gaußähnliche Glockenkurve bezeichnet werden kann, in der Lage und Größe, im UV-Strahlenbereich verschiebbar und veränderbar.
Die Nachbildung der ACGIH-Kurve eröffnet die Möglichkeit, unter Verwendung dieses entsprechend eingestellten Sensors, die Berechnung der grundlegenden Größe E eff., durch direktes Messen zu ersetzen.
Die ACGIH-Wirksamkeitskurve wird zwar nicht genau nachzubilden sein, aber die Abweichung kann sehr minimiert werden, und durch Nachbildung einer geringfügig größeren Glockenkurve, kann das Alarmkriterium immer auf die "sichere Seite" gelegt werden.
Das Gerät eröffnet die Möglichkeit einer anwenderfreundlichen und kostengünstigen Messung der Daten, die zum Personenschutz hinreichen, da die maximale Bestrahlungsdosis (H max.) aus dem Meßwert E eff. und der Expositionszeit direkt berechnet und jederzeit aktualisiert wird.
Die Funktion eines Personendosimeters ist erreicht.
Durch die Möglichkeit der Eingabe von Faktoren wird eine, der aktuellen Situation entsprechende Angleichung gewährleistet, so daß unter verschiedenen Voraussetzungen korrekt gemessen werden kann.
Der Vorteil für den, von künstlichen UV-Strahlen exponierten Arbeiter und normalen Bürger, der von natürlichen UV-Strahlen geschädigt wird, liegt in der Selbstschutzmöglichkeit, die dieses tragbare und unkompliziert zu handhabende Gerät eröffnet.
Es dient der Gesunderhaltung unserer Mitbürger.
DETAILLIERTE GESAMTBESCHREIBUNG DES GERÄTES
Die Dimensionen des Meßgerätes sind etwa 10 cm×5 cm×2,5 cm.
Die Form entspricht der eines kleinen Rasierapparates.
Der als "Scheerkopf" ausgelegte Detektor befindet sich am oberen Teil des Gehäuses. (s. Zchg 3)
Die "Scheerkopf"-Form der Sensors minimiert die Fehler, die der Benutzer machen kann, da die Empfindlichkeit über ca. 180 Grad Einstrahlwinkel nahezu gleich ist. Dadurch wird der Anwender nicht gezwungen, das Gerät jederzeit genau auf den UV-Emitter auszurichten, so wird eine Minimierung des Fehlers bei der permanenten Messung und Berechnung erreicht, bzw. eine schutzrelevante Messung ermöglicht.
Auf der Vorderseite ist ein vierstelliges LC-Display angeordnet und darunter befinden sich drei Folientaster. (s. Zchg. 3)
Das LC-Display kann, neben den vier Zahlen, folgende Buchstaben anzeigen:
  • - E für Bestrahlungsstärke
  • - T für noch zulässige Verweildauer oder für die Meßzeit
  • - S für den Schutzfaktor
oder auch alternativ:
  • - H für die Bestrahlungsdosis
Neben dem Display sind die relevanten Einheiten auf das Gehäuse gedruckt.
Diese könnten, mit einem kostspieligeren Display, auch direkt angezeigt werden.
Die drei Folientaster sind
  • - Die Modetaste
  • - Einstellungstaste 1 für Aufwärtszählung des Schutzfaktors.
  • - Einstellungstaste 2 für Abwärtszählung des Schutzfaktors.
Auf der Vorderseite ist weiterhin eine spritzwasserdichte Akustiköffnung, um das Alarmsignal außen hörbar zu machen. (s Zchg. 3)
Das Gerät wird von einer 9 V Batterie betrieben.
Seitlich ist ein An/Aus-Schalter angebracht, der gleichzeitig als Re-set-Schalter fungiert. Nach dem Betätigen ist der zuvor berechnete Speicherinhalt gelöscht, und es startet eine neue Messung, die den neuen aktuellen Meßwert als Grundlage nimmt.
Nach den Anschalten erscheint die normgerechte Anzeige der Größe:
E für Bestrahlungsstärke, und der aktuelle Meßwert.
Um Strom zu sparen schaltet die Anzeige nach 10 sek. ab, wobei die, für die Berechnung von Dosis und Verweildauer relevante Messung, unsichtbar weiterläuft.
Gleichzeitig wird, unter Berücksichtigung des festeingestellten Grenzwertes für die maximale Tagesdosis, der derzeit auf: 3 mJ/cm fixiert ist, die aktuelle, noch verbleibende Verweildauer berechnet, und auf Tastendruck, der Modetaste, ausgegeben.
Aufgrund dessen, weil das Gerät permanent mißt, kann die tragende Person z. B. in den Schatten gehen, und verlängert damit automatisch die Verweildauer, bzw. verlangsamt den count-down- Zählvorgang.
Der erste Taster ist der MODETASTER.
Bei einmaligem Betätigen erscheint die aktuelle Bestrahlungsstärke, und der Buchstabe E.(MODE E)
Bei einem zweiten Drücken, innerhalb von 10 sek., erscheint der Buchstabe T (MODE T), mit der Angabe der noch verbleibenden Verweildauer.
Bei einem dritten Druck, innerhalb von wiederum 10 sek., erscheint der Buchstabe S (MODE S) und es kann der Schutzfaktor eingestellt werden.
Über den zweiten und dritten Taster kann, im MODE S ein Schutzfaktor (Multiplikationsfaktor) eingegeben werden, der die Verweildauer T entsprechend verlängert.
Die Einstellung des Schutzfaktors bezieht sich einerseits auf die Anwendung während es Sonnenbades bzw. bei Verwendung einer Sonnencreme mit Sonnenschutzfaktor, andererseits auf weitere schutzrelevante Größen, wie z. B. dem Einbringen eines Filters in den Strahlengang, dem ein fester Faktor zugeordnet werden kann. Weiterhin wird, durch die Voreinstellung eines Faktors die Tatsache berücksichtigt, daß die verschiedenen Menschen unterschiedlich auf die Sonneneinstrahlung reagieren, durch ihren Hauttyp.
Es kann also für sonnenunempfindlichere Hauttypen ein "Grund"- Faktor eingestellt werden.
Automatisch voreingestellt ist der Faktor 1.
Auch während der laufenden Messung kann der Schutzfaktor verändert werden, dadurch daß dieser mathematisch so verarbeitet wird, daß eine Veränderung die maximale Verweildauer entsprechend angleicht während des Betriebes, ohne daß ein Rücksetzen notwendig ist.
Wird der Faktor "1" durch Einstellung verändert, so speichert das Gerät den eingestellten Wert 10 sek. nach dem letzten Tastendruck, der Tasten "zwei′ oder "drei" ab.
Die jeweilige Anzeige wird automatisch gelöscht, wenn länger als 10 sek. die MODETASTE unbetätigt bleibt, um die Betriebsdauer mit der vorhandenen Batterie zu verlängern.
Die elektrische Funktion ist wie folgt:
Der Sensor setzt die Meßgröße "UV-STRAHLUNG" in eine Spannung um, die von der nachgeschalteten Elektronik weiterverarbeitet wird. Die elektronische Schaltung kann als ACIC/Hybrid oder als programmierbares Bauteil, wie z. B. einem EPROM oder EEPROM aufgebaut sein.
Sie enthält die notwendigen Bauteile und Funktionsglieder, die zur Anzeige von der Meßgröße (Bestrahlungsstärke) und zur Berechnung und Anzeige der Größen
  • - Bestrahlungsdosis
  • - Verweildauer
  • - Meßzeit
  • - Schutzfaktor
gereichen, mit gleichzeitiger Anzeige des richtigen Buchstabens.
Die Elektronik ist durch die Eingabemöglichkeit des momentan angewandten Schutzfaktors in der Lage, das jeweils aktuell richtige Ergebnis (z. B. max Verweildauer) zu ermitteln und anzuzeigen.
Sollte die Verweildauer überschritten werden, bzw. zu Null gehen, so ertönt ein Alarmsignal.
Das Alarmsignal ist durch den An/Aus-Schalter zurückzusetzen.
Das Meßgerät kann einzeln benutzt werden, es kann aber auch als Aufsatz, auf eine handelsübliche Sonnenmilchflasche genutzt werden, und wird durch eine Tragevorrichtung, wie z.B: einer Halskordel, Gürtelöse, eines Klipps oder einer Ansteckvorrichtung als permanent mitgeführtes Dauermeßgerät eingesetzt. (s. Zchg. 4)
ERKLÄRUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
Zchg. 1) Die derzeitig anerkannte ACGIH-Wirksamkeitskurve.
Zchg. 2) Eine Vorstellung der möglichen gaußähnlichen Glockenkurven, die als detektorspezifische Empfindlichkeitskurve bezeichnet werden können.
Zchg. 3) Darstellung des Gerätes, mit Bezeichnung der Anzeige- und Bedienelemente.
Zchg. 4) Darstellung der Transportvorrichtungen und der Adaptionsvorrichtung an z. B. eine Sonnenmilchflasche.

Claims (25)

1. Gerät zur Messung von natürlicher und künstlicher UV-Strahlung, gekennzeichnet durch die Verwendung eines faseroptischen Sensors, der aufgrund der verwendeten Sensormaterialien und seines Aufbaus eine integrierende Messung im UV-Bereich ermöglicht.
Die Lage und die Größe der gaußähnlichen Glockenkurve, die als detektorspezifische Empfindlichkeitskurve bezeichnet werden kann, ist durch Auswahl und Zusammenstellung der Materialien einstellbar.
So wird eine einstellbare Integrationsmessung im UV-Bereich ermöglicht.
1.1 Gerät gemäß Anspruch 1, dessen detektorspezifische Empfindlichkeitskurve derart ausgelegt ist, daß sie der ACGIH-Wirksamkeitskurve nachempfunden ist.
Die gaußähnliche Glockenkurve wird durch geeignete Materialauswahl und Komponentenaufbau so erzeugt, daß die detektorspezifische Empfindlichkeitskurve möglichst geringe Abweichung von der ACGIH-Wirksamkeitskurve aufweist. Zur Sicherheit wird die Detektorkurve so erzeugt, daß das enthaltene Integral etwas größer ist als das der ACGIH-Kurve, so daß man auf der "sicheren Seite" ist.
1.2. Gerät nach Anspruch 1, das in Abhängigkeit der Einstrahlungsintensität die Bestrahlungsstärke im genannten Wellenlängenbereich,auf einer digitalen und/oder analogen Anzeige anzeigt. (MESSWERTANZEIGE)
1.2.1 Gerät nach Anspruch 1, das den Meßwert der Bestrahlungsstärke, mit einer Bezeichnung für diese Meßgröße anzeigt, z. B. dem normgerechten Buchstaben "E".
1.2.2 Gerät nach Anspruch 1, das den Meßwert der Bestrahlungsstärke, mit einer Bezeichnung für die Meßgröße anzeigt, z. B. der normgerechten Einheit "Mikrowatt pro Quadratzentimeter".
1.3 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, die Berechnung der akkumulierten Bestrahlungsdosis "H", aus der kontinuierlich gemessenen Strahlungsintensität "E", mittels einer eingebauten elektronischen Schaltung durchzuführen.
Es bildet jederzeit und fortlaufend das aktuelle Produkt aus momentaner Bestrahlungsstärke und Meßzeit. (DOSISBERECHNUNG)
1.3.1 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, die berechnete Dosis, mit einer Bezeichnung für die Meßgröße anzuzeigen, z. B. dem normgerechten Buchstaben "H".
1.3.2 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, die berechnete Dosis, mit der Angabe einer Meßeinheit anzuzeigen, z. B. der normgerechten Einheit "Mikrojoule pro Quadratzentimeter".
1.4 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, durch Einstellung oder Festlegung eines Wertes für die maximale Dosis, die maximal zulässige Verweildauer im vorherrschenden Bestrahlungsfeld zu errechnen. Dieses erfolgt durch kontinuierliche Aktualisierung des Meßergebnisses der Bestrahlungsstärke "E" und der mathematischen Division durch den Dosisgrenzwert. (ZEITBERECHNUNG)
1.4.1 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, die aktuell errechnete noch verbleibende Verweildauer anzuzeigen.
1.4.2 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, die aktuell errechnete noch verbleibende Verweildauer, mit einer Bezeichnung anzuzeigen, z. B. mit dem normgerechten Buchstaben "T".
1.4.3 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, die aktuell errechnete noch verbleibende Verweildauer, mit einer Bezeichnung für die Meßeinheit anzuzeigen, z. B. mit der normgerechten Einheit "sek." für Sekunden.
1.5 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, ein Alarmsignal anzuzeigen, z. B. einen Summton hörbar macht. Beispielkriterien
  • - Überschreitung der Tagesdosis.
  • - Überschreitung der Expositionszeit.
  • - Überschreitung eines Bestrahlungsgrenzwertes.
  • - Nichtfunktion des Gerätes.
1.6 Gerät nach Anspruch 1, das die zuvor beschriebenen gemessen oder berechneten Größen über einen Schalter oder Taster auf dem Anzeigenfeld sichtbar macht.
1.7. Gerät nach Anspruch 1, das die jeweilige Anzeige nach einer voreingestellten Zeit löscht, um den Stromverbrauch zu minimieren. Die Messung und Berechnung wird dadurch nicht unterbrochen oder beeinträchtigt.
1.8 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, über Eingabeelemente (Schalter oder Taster) Faktoren einzulesen, die in die Berechnung eingehen, z. B. Eingabe von Sonnenschutzfaktoren, die die Verweildauer beeinträchtigen.
1.8.1 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, die unter Pkt. 1.8 beschriebenen Faktoren auf der Anzeige sichtbar zu machen.
1.8.2 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, während der laufenden Messung neue oder weitere Faktoren einzulesen, die rechnerisch in die Berechnung eingehen und die Ergebnisse aktualisieren. Z.B. die Eingabe eines anderen Sonnenschutzfaktors, während der Messung, würde direkt in die laufende Messung und Berechnung aufgenommen und z. B. die Verweildauer verlängern.
1.9 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist, durch Aus- und Anschalten die eingegebenen Faktoren und die auf integrierte Dosis zu löschen oder zu Null zu setzen.
1.10 Gerät nach Anspruch 1, das in der Lage ist durch entsprechende Vorschaltung oder Programmierung, die eingelesenen Faktoren und auf integrierte Dosis zu speichern, bis zur Eingabe eines Re-set Befehls.
1.11 Gerät nach Anspruch 1, das durch eine Batterie mit Strom versorgt wird oder nach entsprechender Schaltung, durch eine alternative Stromversorgung, z. B. 220 V Netzanschluß oder Solarenergie versorgt wird.
2. Gerät zur Messung von künstlicher und natürlicher UV-Strahlung, gekennzeichnet durch die "Scheerkopf"-förmige Auslegung des Meßkopfes.
Die halbrunde Detektoranordnung gibt dem Benutzer die Möglichkeit das Gerät nicht jederzeit in die Richtung der Einstrahlung richten zu müssen, weil der Meßfehler über einen Einstrahlwinkel über ca. 180 Grad nahezu gleich ist, und so normiert werden kann.
2.1 Gerät nach Anspruch 1 und 2, das ein spritzwassergeschütztes Gehäuse hat.
2.2. Gerät nach Anspruch 1 und 2, das durch eine Transportvorrichtung jederzeit mitgeführt werden kann, wie z. B. mit einer Ansteckvorrichtung, Gürtelöse, Halskordel oder Klipp.
2.3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, das als Aufsatz für eine handelsübliche Sonnenmilchflasche benutzt werden kann. (Meßgerät im Verschluß)
So kann der Benutzer immer die entsprechende Sonnenmilch, gemäß der aktuellen Bestrahlung mitführen.
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