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2020 – Inter-Comparison Campaign of Solar UVR Instruments under Clear Sky Conditions at Reunion Island (21°S, 55°E)

von

Jean-Maurice Cadet¹, Thierry Portafaix¹, Hassan Bencherif¹², Kévin Lamy¹, Colette Brogniez³, Frédérique Auriol³, Jean-Marc Metzger⁴, Louis-Etienne Boudreault⁵, Caradee Yael Wright⁶⁷
¹LACy, Laboratoire de l’Atmosphère et des Cyclones (UMR 8105 CNRS, Université de La Réunion, Météo-France), 97744 Saint-Denis de La Réunion, France.
²School of Chemistry and Physics, University of KwaZulu-Natal, Durban 4041, South Africa.
³Laboratoire d’Optique Atmosphérique, Université Lille, CNRS, UMR 8518, F-59000 Lille, France.
⁴Observatoire des Sciences de l’Univers de la Réunion, UMS 3365, 97744 Saint-Denis de la Réunion, France.
⁵Reuniwatt, 97490 Sainte Clotilde de la réunion, France.
⁶Department of Geography, Geo-informatics and Meteorology, University of Pretoria, Pretoria 0002, South Africa.
⁷Environment and Health Research Unit, South African Medical Research Council, Pretoria 0001, South Africa.

Int J Environ Res Public Health. 2020 Apr 21;17(8):2867. doi: 10.3390/ijerph17082867

Zusammenfassung
Measurement of solar ultraviolet radiation (UVR) is important for the assessment of potential beneficial and adverse impacts on the biosphere, plants, animals, and humans. Excess solar UVR exposure in humans is associated with skin carcinogenesis and immunosuppression. Several factors influence solar UVR at the Earth’s surface, such as latitude and cloud cover. Given the potential risks from solar UVR there is a need to measure solar UVR at different locations using effective instrumentation. Various instruments are available to measure solar UVR, but some are expensive and others are not portable, both restrictive variables for exposure assessments. Here, we compared solar UVR sensors commercialized at low or moderate cost to assess their performance and quality of measurements against a high-grade Bentham spectrometer. The inter-comparison campaign took place between March 2018 and February 2019 at Saint-Denis, La Réunion. Instruments evaluated included a Kipp&Zonen UVS-E-T radiometer, a Solar Light UV-Biometer, a SGLux UV-Cosine radiometer, and a Davis radiometer. Cloud fraction was considered using a SkyCamVision all-sky camera and the Tropospheric Ultraviolet Visible radiative transfer model was used to model clear-sky conditions. Overall, there was good reliability between the instruments over time, except for the Davis radiometer, which showed dependence on solar zenith angle. The Solar Light UV-Biometer and the Kipp&Zonen radiometer gave satisfactory results, while the low-cost SGLux radiometer performed better in clear sky conditions. Future studies should investigate temporal drift and stability over time.

2020 – UV sensors for hydrogen flame detection

von

Dr. Tilman Weiss, sglux GmbH, Berlin, Germany

UV sensors for hydrogen flame detection

Zusammenfassung
Bei der Arbeit am gesellschaftlichen Ziel der Dekarbonisierung des Energieverbrauchs u.a. auch durch die Substitution von Erdgas durch regenerativ erzeugte Brennstoffe, ist Wasserstoff ein besonders aussichtsreicher Kandidat. Bei der erforderlichen Umrüstung von Erdgas-Thermen stellt die durch die Norm EN298 definierte Überwachung der Brennerflamme eine besondere Herausforderung dar. Stand der Technik ist die Flammenüberwachung mittels Ionisationsfühlern. Dieses Verfahren ist preiswert und zuverlässig. Wird dem Erdgas allerdings Wasserstoff beigemischt oder besteht das Gas ausschließlich aus Wasserstoff, ergibt sich eine andere Reaktionskinetik, welche die Zuverlässigkeit der bisherigen Fühler deutlich reduziert bzw. ihren Einsatz unmöglich macht.

Dieser Herausforderung kann mit UV-Sensoren begegnet werden, die alle Arten von Flammen anhand ihres charakteristischen Emissionsspektrums im UV-Bereich zuverlässig erkennen können. UV-Sensoren sind in der Anschaffung teurer als Ionisationsfühler und werden daher aktuell nur in hochpreisigen Industriebrennern, nicht aber in Haushaltsbrennern eingesetzt. Nach aktuellem Wissensstand gibt es aber bei der Erkennung einer Wasserstoff-Flamme keine Alternative zum UV-Sensor.

Unsere UV-Sensoren TOCON_ABC1 und TOCON_ABC2 produzieren wir seit 2006 für den Einsatz in EN298-konformen Erdgas-Feuerungsautomaten. Für die Wasserstoff-Flamme haben wir diese Produkte nun zum neuen TOCON_F weiterentwickelt. Der Unterschied zu TOCONs ABC1 und ABC2 besteht in einer verringerten Off-Totzeit im Fall einer Übersteuerung des Sensors, welche von mehreren 100 Millisekunden auf unter 70 Millisekunden reduziert werden konnte – und zwar unabhängig davon, wie weit der Sensor zum Zeitpunkt des Erlöschens der Flamme ausgesteuert war. Entsprechend konnte die Reaktionsgeschwindigkeit auf das Ausfallen einer Flamme deutlich erhöht werden. Auch wenn TOCONs TOCON_ABC1 und TOCON_ABC2 als Basis EN298-konformer Flammenwächter verwendet werden können (dort wird gefordert, dass der Ausfall einer Flamme spätestens nach 1000 ms eine Unterbrechung der Brennstoffzufuhr bewirken muss), könnte die Normanforderung in Zukunft verschärft werden. Grund hierfür könnte die bei Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas um Faktor 8 höhere Flammengeschwindigkeit und der deutlich größere Zündbereich sein. Mit dem TOCON_F können also kürzere Abschaltzeiten als gegenwärtig gefordert realisiert werden. Dadurch ist der Einsatz dieser Bauteile auch bei eventueller Verschärfung der Norm zukunftssicher.

2019 – UV degradation anaylsis of SiC and AlGaN based UV photodiodes

von

Dr. Niklas Papathanasiou, sglux GmbH, Berlin, Germany

SiC AlGaN Aging Report

Zusammenfassung
SiC and AlGaN based UV photodiodes had been irradiated by Hg medium pressure lamps for 90 hours and a UV irradiation intensity of 60mW/cm². The SiC photodiodes showed no measurable degradation whereas the AlGaN photodiodes lost 80 % – 85 % of sensitivity.

2014-2019 – Creation of novel industry-oriented calibration services for radiometric measures at high irradiance levels

von

Partner: Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und Berlin (PTB) und sglux GmbH
Zeitraum: 2014 – 2019

Abstract
Measurement and calibration facilities and calibration methods for high UV irradiation will be established within this project. These methods will accord to the calibration procedures of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) and will allow sglux to offer novel industry-based calibration services. Hereby the project is focussing on the UV curing industry. Based on results of a corporate BMWi ZIM project, reference radiometers and standard sources with high UV irradiation will be optimized for this application field.

2016-2019 – Development of optics, electronics and software for miniaturized UV spectrometer and camera modules

von

Partner: Leibniz Ferdinand Braun Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), Leibniz Institut für Kristallzüchtung (IKZ), sglux GmbH
Zeitraum: 2016 – 2019
Förderkennzeichen: BMBF 03ZZ0119A

Abstract
This project aims at the development of optics, electronics and software for miniaturized SiC UV spectrometers and camera modules. sglux as the first company worldwide is working on a new product family of Silicon Carbide (SiC) based UV spectrometers (up to 1024 pixel resolution). The advantage of such UV spectrometers results from the extreme radiation hardness and very high visible blindness of SiC compared with Silicon (Si) based UV spectrometers leading to negligible degradation and zero stray light effects caused by visible light. This new spectrometer technology allows precise UV spectrometry also at presence of strong visible light such as UV measurements in the bright sun (e.g. UV Index spectroscopy) or under room light. Another advantage of the SiC UV spectrometer results from the high radiation hardness and low dark current of this material. These features lead to a broader dynamic range of the spectrometer compared with conventional Si based spectrometers. Spectrometers with a 128 pixel resolution are available for evaluation purpose.

2018 – UV measurements for medical applications using SiC photodiodes

von

Dr. Niklas Papathanasiou, Gabriel Hopfenmueller, Dr. Tilman Weiss
sglux GmbH, Berlin, Germany

Presentation on IoT-SNAP2018: IoT Enabling Sensing/Network/AI and Photonics Conference at
Optics & Photonics Intenational Congress OPIC 2018, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan

Abstract
In this contribution we report about SiC based UV photodiodes as the core component of smart UV sensors for various medical applications. In dialysis machines the transparency of urea is monitored by a SiC UV photodiode based UV transmission measurement module. A photodiode combined with an optical filter which reproduces the erythermal action spectrum helps Lupus patients to monitor their daily dose of solar UV radiation. sglux UVC sensor “UV-Safester” is a smartphone based tool to detect harmful UV radiation at a workplace employing the ICNIRP regulation. A wireless UV sensor module monitors the UV disinfection applied by disinfection robots in operating rooms.

2018 – Quantification of harmful UV LED radiation at workplaces

von

G. Hopfenmüller, N. Papathanasiou, T. Weiss,
sglux GmbH, Berlin, Germany

Presentation on International Conference on UV LED Technologies & Applications 2018, Berlin, Germany

Abstract
Artificial UV radiation is applied in many processes such as UV disinfection, UV curing or biological activation. Besides discharge tubes, LEDs are becoming more important for a rising number of applications in particular UV curing or medical treatment. In general, exposure to UV radiation may cause health problems such as skin aging, eye damage or skin cancer. The potential danger varies with the irradiated wavelengths and the exposure time. The limits and the spectral weighting function of the UV irradiance are given in the directive 2006/25/EC published by the European Comission. The hereby submitted lecture will introduce a radiometer that precisely evaluates the hazard potential while displaying the maximum daily exposition time at a certain measurement point. The digital SiC based UV sensor has a spectral responsivity close to the biological weighting function and is calibrated to different UV LEDs with typical half widths. The sensor can be connected to any Android smartphone.

2018 – Ein neues Werkzeug zur Gefährdungsbeurteilung von UV-Strahlung

von

Stefan Langer¹, Dr. Niklas Papathanasiou¹, Johanna Luise Krüger², Gabriel Hopfenmüller¹, Dr. Tilman Weiss¹
¹sglux GmbH, Berlin, Germany, ²Technische Universität Bergakademie Freiberg, Germany

50. Jahrestagung des Fachverbandes Strahlenschutz 2018, Dresden
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Zusammenfassung
Die industrielle Nutzung ultravioletter Strahlung erfordert neben der Beurteilung der Prozesswirksamkeit auch deren Bewertung hinsichtlich der Gefährdung des Bedien- und Wartungspersonals. Zu diesem Zweck sind Regelwerke entstanden, die die Durchführung der Strahlungsmessung und deren Bewertung hinsichtlich gesundheitlicher Gefahren beschreiben. Für diese Gefährdungsbeurteilung sind verschiedene Messgeräte am Markt erhältlich. Sie bestimmen die entsprechend der Norm gewichtete momentane Bestrahlungsstärke. Die Ermittlung der zulässigen maximalen täglichen Aufenthaltsdauer muss allerdings in nachfolgenden Rechenschritten erfolgen.
Ein neuartiger, mit diesem Konferenzbeitrag vorgestellter Ansatz basiert auf einem Sensor mit einer an die jeweilige Norm angepassten Empfindlichkeitscharakteristik, welcher mit einem Smartphone verbunden ist. Dort wird neben der Bestrahlungsstärke auch die zulässige Aufenthaltsdauer numerisch, graphisch und akustisch angezeigt. Weil für verschiedene Normen bzw. Strahlungsquellen spezifische Sensoren verwendet werden müssen, stellt das System sicher, dass der momentan angeschlossene Sensor zur Beurteilung der Strahlung nach der gewählten Norm geeignet ist. Dadurch werden der Aufwand und die Fehleranfälligkeit bei einer Gefahrenbewertung deutlich verringert und die Verwendung im Alltagsbetrieb gefördert.

2017-2018 – Vergleich der Messunsicherheit bei der spektrometrischen und radiometrischen Erfassung des solaren UV-Index

von

Partner: Universiät Freiberg und sglux GmbH
Zeitraum: 2017 – 2018

Zusammenfassung
Der UV-Index nach ISO 17166 ist ein Maß für das Risiko eines Sonnenbrands (Erythema solare) bei einer gegebenen solaren UV-Exposition. Erfasst wird der UV-Index mittels Spektroradiometern. Da diese Systeme in Anschaffung und Betrieb hohe Kosten verursachen, ist bei einer geplanten Verdichtung oder Neuanlage meteorologischer Messnetze die Verwendung kleiner, robuster und wartungsarmer UV-Index-Radiometer zu prüfen.
Primär ist hier die Messunsicherheit beider Konzepte zu vergleichen. Bei Spektroradiometern beträgt diese Messunsicherheit ± 5 % (Egli et al.¹). Die hier zusammengefasste Studie ermittelt die Messunsicherheit von UV-Index-Radiometern des Herstellers sglux GmbH. Hierzu wurden in Summe 2073, an unterschiedlichen Stellen der Erde rückführbar ermittelte, Sonnenspektren (UVI 0,5 bis UVI 13,5) in einer Datenbank erfasst. Aus allen Spektren wurde nach der in ISO 17166 benannten Formel der UV-Index errechnet. Der vom UV-Index- Radiometer gemessene Wert wurde durch Integrierung des jeweiligen Sonnenspektrums mit der spektralen Empfindlichkeit von sieben unterschiedlichen UV-Index-Sensoren ermittelt. Der Unterschied dieser sieben Sensoren bestand aus leicht abweichenden spektralen Empfindlichkeiten, die sich aus nicht vermeidbaren Fertigungstoleranzen ergeben. Aus den beiden Werten wurde für jedes einzelne Sonnenspektrum mit sieben unterschiedlichen Sensoren jeweils der UV-Index errechnet. Diese Werte wurden mit dem jeweiligen aus den Angaben der Norm und den Sonnenspektren ermittelten UV-Indizes verglichen und jeweils eine Messabweichung errechnet, in Summe also 14.511 Werte.
Im Ergebnis ist festzustellen, dass die durch Fertigungstoleranzen erzeugten leicht verschiedenen spektralen Empfindlichkeiten keinen messbaren Einfluss auf die Messabweichung haben. Extremwerte der Sonnenspektren wie UV-Indices von unter 0,5 führten aber zu einer deutlichen Messabweichung. Es wurde erkannt, dass diese Messabweichung einer definierbaren Regel folgt. Entsprechend wurde eine Korrekturmatrix entwickelt und in der Firmware des UV-Index-Radiometers hinterlegt. Nach Anwendung dieser Korrekturmatrix konnte die Messabweichung auch bei extrem niedrigen UV-Indizes auf unter ± 5 % reduziert werden.
Die Messabweichung des UV-Index-Radiometers liegt also im gleichen Bereich wie die für Spektroradiometer berichteten Werte. Dieses Ergebnis ermutigt, weitere Untersuchungen anzustellen. In einer aktuell laufenden Untersuchung wird die Winkelabhängigkeit des UV- Index-Radiometers zu einer von der ISO 17166 geforderten Kosinuskurve hin evaluiert und optimiert. Sollten hier ähnlich gute Ergebnisse wie bei der Messung mit Spektroradiometern erzielbar sein, kann das Ergebnis im Feldeinsatz durch Vergleichsmessungen mit Spektroradiometern validiert werden. Im Erfolgsfall könnte das UV-Index-Radiometer als zuverlässige Ergänzung oder sogar Ersatz von Spektroradiometern betrachtet werden. Besonders in Gegenden, in denen kein ausreichend qualifiziertes Personal zum Betrieb der Spektroradiometer vorhanden ist, können UV-Index-Radiometer einen wichtigen Beitrag zur Gewinnung lokaler Werte des UV-Index darstellen.