收稿日期：2023-07-28

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.21.026

摘" 要：為了解決紫外殺菌燈的有效溯源、確保其殺菌效果持續(xù)有效，根據(jù)紫外殺菌燈的使用方法，經(jīng)過多年的工作經(jīng)驗(yàn)積累和驗(yàn)證，特提出了一種在規(guī)定距離下測量其紫外輻照度，通過計(jì)算最小輻照度值和均勻性，來表征其殺菌效果持續(xù)有效的校準(zhǔn)方法。該校準(zhǔn)方法滿足紫外殺菌燈出廠檢驗(yàn)要求的同時(shí)，可在現(xiàn)場進(jìn)行校準(zhǔn)，避免了郵寄過程中燈管的損壞風(fēng)險(xiǎn)。最后對(duì)該校準(zhǔn)方法的測量結(jié)果進(jìn)行不確定度分析，為紫外殺菌燈制定相應(yīng)校準(zhǔn)規(guī)范提供了可靠的計(jì)量依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紫外殺菌燈；計(jì)量技術(shù)參數(shù)；校準(zhǔn)方法

中圖分類號(hào)：TH741" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2096-4706（2023）21-0111-04

Exploration of the Calibration Method of Ultraviolet Germicidal Lamps and Uncertainty Evaluation of Measurement Results

HAO Yangyang， ZENG Pan， YAN Xunxiong

（Shenzhen Tiansu Calibration and Testing Co.， Ltd.， Shenzhen" 518116， China）

Abstract： In order to solve the effective traceability of ultraviolet germicidal lamps so as to ensure that their germicidal effect continues to be effective， according to the use method of ultraviolet germicidal lamps， after years of work experience and verification， a calibration method is proposed to measure its ultraviolet irradiance at a specified distance and characterize its germicidal effect by calculating the minimum irradiance and uniformity. The calibration method meets the requirements of the factory inspection of ultraviolet germicidal lamps， and at the same time， it can be calibrated in the field， which avoids the risk of damage to the lamps during the mailing process. Finally， the uncertainty analysis of the measurement results of the calibration method provides a reliable measurement basis for the development of the corresponding calibration specifications for ultraviolet germicidal lamps.

Keywords： ultraviolet germicidal lamp; measurement technology parameter; calibration method

0" 引" 言

紫外線消毒是一種利用病原微生物吸收波長在200～280 nm間的紫外線能量后，病原微生物的遺傳物質(zhì)（核糖核酸即DNA）發(fā)生突變導(dǎo)致細(xì)胞不再分裂繁殖，從而達(dá)到滅活病原微生物目的的消毒方式。而紫外殺菌燈就是該消毒方式下的產(chǎn)物。紫外殺菌燈是一種采用石英玻璃或其他透紫外玻璃的低氣壓汞蒸汽放電燈，放電產(chǎn)生235.7 nm波長為主的紫外輻射，當(dāng)輻射強(qiáng)度達(dá)到一定劑量時(shí)能夠殺死細(xì)菌和病毒。由于紫外殺菌燈的低成本、環(huán)保、高效等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、食品安全、疾病防疫等領(lǐng)域。本文的校準(zhǔn)方法目的在于如何統(tǒng)一參考標(biāo)準(zhǔn)，確保所使用的紫外殺菌燈在投入使用前或者使用中，仍能夠有效地確定其紫外輻射照度，確保殺菌效果滿足預(yù)期要求。

1" 測量原理

1.1" 紫外殺菌燈輻射照度測量

采用直接測量法即將紫外輻射照度計(jì)放在紫外殺菌燈的中垂線上，如圖1所示，測量紫外輻射強(qiáng)度。

1.2" 計(jì)算紫外輻射通量

根據(jù)式（1）計(jì)算紫外輻射通量：

（1）

式中，Φ表示紫外輻射通量，單位W；Ee表示紫外輻射照度計(jì)測得的紫外輻射照度，單位mW/cm2；D表示紫外輻射照度計(jì)到紫外殺菌燈中心的距離，單位m；L表示紫外殺菌燈弧長，即燈兩端燈絲的距離，單位m；α表示紫外輻射照度計(jì)與紫外殺菌燈弧長的半夾角，單位rad。

紫外輻射照度計(jì)感光探頭與紫外殺菌燈弧長的夾角2α隨著感光探頭到紫外殺菌燈中心的距離D的變化而變化，由于感光探頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，不同的夾角對(duì)探頭的響應(yīng)有不同的影響，因此要在不同距離測試紫外輻射強(qiáng)度，直至找到合適的測試距離（通常測試距離為D = L / 2～4L），使得測試得到的紫外輻射通量Φ不再隨著探頭與紫外殺菌燈的距離的增加而增加。

1.3" 紫外輻射照度計(jì)探頭與紫外殺菌燈距離的確定

將被測紫外殺菌燈管固定在光軌上水平放置，該點(diǎn)位距離墻壁0.5 m以上，距離地面高度1 m，紫外殺菌燈的中部的水平法線通過紫外輻射照度計(jì)的感光探頭中心，且紫外殺菌燈應(yīng)垂直于導(dǎo)軌并與紫外輻射照度計(jì)感光探頭感光面平行。

將紫外輻射照度計(jì)安裝在導(dǎo)軌上，使紫外輻射照度計(jì)的感光探頭平面的法線與被測紫外殺菌燈管中部的水平法線相重合。在距地面1 m高度的紫外殺菌燈中垂線上設(shè)置若干個(gè)測試點(diǎn)位，將紫外輻射照度計(jì)的感光探頭放置在第一個(gè)測試點(diǎn)處。

接通被測紫外殺菌燈管的電源使燈正常燃點(diǎn)，并預(yù)熱1 min。同時(shí)，調(diào)試好紫外輻射照度計(jì)使其處于測量狀態(tài)，待燈穩(wěn)定后，直接讀取紫外輻射照度計(jì)的讀數(shù)。再將紫外輻射照度計(jì)的探頭移至第二個(gè)測試點(diǎn)處，測試和記錄紫外輻射強(qiáng)度。按照上述步驟依次測試和記錄每一個(gè)測試點(diǎn)的紫外輻射強(qiáng)度。

根據(jù)式（1）計(jì)算紫外輻射通量Φ，并計(jì)算1 m處的紫外輻射照度Ee。

以紫外輻射照度計(jì)探頭到紫外殺菌燈中心的距離（D）為橫坐標(biāo)，紫外輻射通量為縱坐標(biāo)作圖。當(dāng)某個(gè)測試點(diǎn)之后所測得的紫外輻射通量不再隨D的增加而增加時(shí)，這個(gè)距離就是最小測試距離D mm。對(duì)于同一個(gè)紫外輻射照度計(jì)和相同型號(hào)的紫外殺菌燈，D mm是固定不變的，可以作為相同型號(hào)紫外殺菌燈的紫外輻射通量測試距離。

2" 校準(zhǔn)條件

2.1" 環(huán)境條件

室內(nèi)溫度 5～40 ℃；相對(duì)濕度≤80%。由于紫外線對(duì)人體傷害較大，在測量過程中務(wù)必做好防護(hù)措施，佩戴好防護(hù)設(shè)備，如紫外線防護(hù)服、紫外線防輻射眼鏡、手套等。

2.2" 測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備

紫外輻照計(jì)：中心波長為253.7 nm的紫外線輻射照度計(jì)，測量范圍涵蓋0.1～500 μW/cm2。鋼直尺或其他測量距離的設(shè)備，測量范圍可覆蓋500～

1 500 mm。紫外輻照計(jì)、鋼直尺或其他測量距離的設(shè)備必須經(jīng)計(jì)量部門校準(zhǔn)或檢定，并在有效期內(nèi)。

3" 技術(shù)指標(biāo)的選取

在紫外殺菌燈的生產(chǎn)中，目前規(guī)定的空氣中紫外殺菌燈的測量距離D取1 000 mm；即測量距離定為1 000 mm處；紫外殺菌燈的輻射強(qiáng)度≥100 μW/cm2的指標(biāo)來自：GB/T 19258—2012《紫外線殺菌燈》5.8紫外線輻射照度，表2、表3。當(dāng)前紫外殺菌燈多數(shù)標(biāo)配為標(biāo)稱功率15 W以上的燈管（雙燈）經(jīng)過計(jì)算也為≥100 μW/cm2；HJ 2522—2012《環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求 紫外線消毒裝置》A.4.3；以及之前了解到的人體能承受的最大紫外殺菌輻射不超過70 μW/cm2，而目前市場上生產(chǎn)指標(biāo)也是≥100 μW/cm2。特此選取測量紫外殺菌燈在規(guī)定距離1 000 mm或特定距離下，紫外輻照度不低于100 μW/cm2作為輻照度值的技術(shù)指標(biāo)。

其均勻性技術(shù)指標(biāo)來自GB 50073—2013《潔凈廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》 9.2.4 根據(jù)對(duì)現(xiàn)有潔凈廠房的照明調(diào)查，一般生產(chǎn)車間的照度均勻度都能達(dá)到0.7。而潔凈室中頂空紫外殺菌燈也需覆蓋全房間內(nèi)的空氣殺菌，因此其均勻度選擇0.7。

4" 校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備

選擇某品牌如ZXC型紫外殺菌燈作為校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備應(yīng)能正常工作，調(diào)整好工作區(qū)域后，開熱預(yù)熱1 min后進(jìn)行校準(zhǔn)。

5" 校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法

5.1" 規(guī)定距離下的紫外輻照度

紫外殺菌燈車，由筒體、燈臂、燈臂調(diào)節(jié)柄、定時(shí)器、腳輪等組成，將燈臂調(diào)整至與支桿垂直且燈面朝下，將紫外輻射照度計(jì)的探頭接收面放置于地面上，探頭接收面面朝上正對(duì)燈面，測量距離為1 000±30 mm；對(duì)于左右兩側(cè)輻射區(qū)域，同樣根據(jù)燈源面尋找可支托探頭接收面擺放的平面，使探頭接收面正對(duì)燈源面，測量距離為1 000±30 mm，具體測量布點(diǎn)如圖2所示。

調(diào)整好測量距離后，開啟紫外殺菌燈，燈預(yù)熱時(shí)間不少于1 min。完成預(yù)熱好，在燈管發(fā)光面的幾何中心點(diǎn)下方進(jìn)行測量，重復(fù)測量3遍，取三次測量值的算數(shù)平均值作為該面紫外輻照度的測量結(jié)果：

（2）

式中，Ei表示第i次的測量值，單位：μW/cm2。

5.2" 輻照均勻性

將圖2中被測燈面均勻分為3段，如圖3所示，取每一塊的中心點(diǎn)進(jìn)行測量，每點(diǎn)測量1次；均勻度計(jì)算式為g = Emin / Eav。其中，Emin表示A、B、C這3個(gè)點(diǎn)中最小值，Eav表示3個(gè)點(diǎn)的算術(shù)平均值。

6" 測量不確定度評(píng)定

對(duì)紫外殺菌燈（型號(hào)ZXC）的紫外輻照度測量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。采用的標(biāo)準(zhǔn)器有：紫外輻射照度計(jì)、UVC波段、鋼直尺。

6.1" 測量方法

具體測量方法及計(jì)算公式按照本文式（2）進(jìn)行。

6.2" 相關(guān)信息

紫外輻射照度計(jì)，型號(hào)SUV-6T，出廠編號(hào)：2019-004（C），溯源證書可知：Urel = 5.8%，k = 1。

6.3" 測量模型

根據(jù)測量方法得知其測量模型使用（2）進(jìn)行計(jì)算。

6.4" 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式

由測量模型可看出被測量的各輸入量之間不相關(guān)，且有測量模型的函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)為1，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算如下：

（3）

式中，uc （ y）表示被測量y的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ui表示被測量y的第i個(gè)分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

6.5" 評(píng)量不確定度分量

該模型只有一個(gè)輸入量E，其不確定度來源主要由有兩個(gè)方面：

1）標(biāo)準(zhǔn)器紫外輻射照度計(jì)溯源證書引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel （E1），由相關(guān)信息查的：urel （E1）= 5.8%。

2）重復(fù)測量性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u （E2），測量中心點(diǎn)位置的3 cm半徑范圍和探頭接收面到燈管面3 cm的影響（μW/cm2），測量數(shù)據(jù)如表1所示，重復(fù)性不確定度測量布點(diǎn)圖如圖4所示。

測量重復(fù)性數(shù)據(jù)為223.8、224.5、224.7 μW/cm2。按照A類方法進(jìn)行評(píng)定，采用極差法，n = 3，C = 1.69，則：。

根據(jù)測量結(jié)果得到" μW/cm2。

；

1）由于在實(shí)際校準(zhǔn)過程中，測量中心點(diǎn)針對(duì)不同的燈源形狀，可能會(huì)存在差異，目前假定其測量點(diǎn)落在以幾何中心點(diǎn)為圓點(diǎn)的3 cm半徑范圍內(nèi)，重復(fù)性不確定度測量布點(diǎn)圖如圖4所示；在輻射探頭接收面與燈面距離固定下測量5個(gè)點(diǎn)的輻照度值，改變測量距離分別為1.03 m、1.00 m、0.97 m；得到3組測量數(shù)據(jù)。對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算幾何中心測量范圍引入的不確定度分量u （E3）。

由于每組測量次數(shù)為5次，采用貝塞爾公式計(jì)算：

由于改變距離后每組的測量次數(shù)相同，合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算：

2）由于實(shí)際測量過程中可能會(huì)把探頭接收面的尺寸算進(jìn)去，以及燈面到探頭接收面面的弧度等其他因素影響，假設(shè)測量距離對(duì)實(shí)際測量產(chǎn)生1.00±0.03 m允差；對(duì)上述數(shù)據(jù)分析每一個(gè)幾何位置都會(huì)產(chǎn)生±0.03 m的影響，那么對(duì)于1.03 m、1.00 m、0.97 m的測量距離下，在圖4中幾何中心范圍內(nèi)上、中、下、左、右共產(chǎn)生5組數(shù)據(jù)，每組為1.03 m、1.00 m、0.97 m的測量值；對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算測量距離引入的不確定度分量u（E4）。

由于每組測量次數(shù)為3次，采用極差法計(jì)算：

由于改變距離后每組的測量次數(shù)相同，合并樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算：

6.6" 輸出量" 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u（Ei）一覽表

對(duì)上述不確定分量分析進(jìn)行匯總，匯總結(jié)果見表2不確定度分量評(píng)定匯總表。

6.7" 計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

6.8" 確定擴(kuò)展不確定度

為了測量結(jié)果間可以相互比較，按慣例在確定擴(kuò)展不確定度時(shí)取包含因子為2，則：Urel = 14%。

6.9" 報(bào)告測量結(jié)果

紫外殺菌燈的紫外輻照度測量結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為Urel = 14%，k = 2。

7" 結(jié)" 論

本文確定了適用于紫外殺菌燈校準(zhǔn)的條件以及校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行了分析，為制定紫外殺菌燈的校準(zhǔn)規(guī)范提供了參考。

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作者簡介：郝洋洋（1992—），男，漢族，陜西延安人，一級(jí)注冊計(jì)量師，本科，研究方向：計(jì)量測試技術(shù)；曾盼（1991—）女，漢族，湖北天門人，二級(jí)注冊計(jì)量師，本科，研究方向：計(jì)量測試技術(shù)；顏訓(xùn)雄（1981—）男，漢族，廣西北海人，一級(jí)注冊計(jì)量師，本科，研究方向：計(jì)量測試技術(shù)。