А надежный, проверенный протокол для изучения кинетики инактивации микроорганизмов является ключом к развитию систем УФ-светодиодов для очистки воды. Два важных аспекта такого протокола включают работу УФ-светодиодов и определение плотности энергии УФ-излучения. Авторы исследовали влияние условий эксплуатации и методов измерения на выходную мощность излучения различных УФ-светодиодов, используя специально разработанную и изготовленную установку [1]. Было продемонстрировано, что рабочие условия, включая электрический ток и температуру пайки УФ-светодиода, значительно влияют на выходную мощность и максимальную длину волны. Было показано, что методы и оборудование измерения, такие как размер детектора, расстояние детектора от УФ-светодиода и возможное отражение от окружающей среды, влияют на результаты УФ-светодиодов.

Также был разработан метод определения средней плотности энергии в пробе воды в экспериментальной установке с УФ-светодиодом [2]. В этом методе средний флюенс оценивался путем измерения освещенности в нескольких точках коллимированного и однородного излучения на поверхности чашки Петри. Были определены и предложены новые параметры коррекции, а некоторые существующие параметры для определения плотности энергии УФ-ртутной лампы [3] были модифицированы для измерения и количественной оценки коллимации и однородности излучения. Применение новых поправочных коэффициентов для определения плотности потока энергии было предложено и оценено путем проведения исследования кинетической инактивации репрезентативных водных микроорганизмов [2]. В этой статье представлены результаты вышеупомянутых исследований по измерению потока излучения и распределения интенсивности УФ-светодиодов.

Также представлен пошаговый протокол определения плотности потока УФ-излучения. Эта работа может послужить основой для разработки общих рекомендаций по исследованиям инактивации УФ-светодиодов. После разработки и утверждения стандартизированного протокола испытаний УФ-светодиодов его можно применять для получения правильных и сопоставимых кинетических данных инактивации. Измерения спектрального потока излучения и распределения интенсивности излучения Принимая во внимание природу УФ-излучения светодиодов, в любом протоколе исследований инактивации УФ-светодиодов на микроорганизмы необходимо учитывать рабочие и выходные характеристики УФ-излучения светодиодов. Электрический ток и рабочая температура являются одними из наиболее важных параметров, влияющих на мощность излучения и профиль распределения излучения УФ-светодиодов.

Кроме того, конфигурация установки, характеристики детектора и метод измерения влияют на регистрируемый / измеренный выход УФ-светодиодов [1]. Рекомендации по измерению мощности излучения включают в себя проектирование и изготовление испытательной установки; средство для выбора рабочих устройств, таких как детектор и устройства поддержания температуры; и методика правильного измерения. Степень, в которой каждый параметр влияет на выход УФ-светодиодов, обсуждалась в другом месте [1]. выходная мощность излучения Рисунок 1. Протокол измерения выходной мощности излучения УФ-светодиода (слева) и протокол определения плотности энергии излучения (справа) Аппарат Рисунок 2.

Схематическое изображение предлагаемой установки. Профиль излучения УФ-светодиода является важным параметром, который влияет на измерение УФ-излучения и конструкцию реакторов УФ-светодиодов. Гониометрический метод можно использовать для измерения распределения излучения в полусфере, окружающей УФ-светодиод. Поскольку профиль излучения УФ-светодиодов не является осесимметричным, гониометр необходимо использовать как в азимутальном, так и в полярном направлениях полусферы. Схематический вид предлагаемой установки представлен на рисунке 2.

Контроль температуры и тока Температура и сила тока являются зависимыми параметрами, которые влияют на мощность излучения УФ-светодиодов. В зависимости от управления температурой УФ-светодиодной системы и рабочего электрического тока, температура светодиодов может достигнуть установившихся значений через несколько минут, что может не соответствовать безопасному рабочему диапазону температур, указанному производителем. Следовательно, необходимо использовать термометр для контроля температуры во время работы светодиода. Термоэлектрический охладитель и радиатор могут быть объединены для регулирования температуры. Для работы УФ-светодиода необходим источник постоянного тока.

Если необходимо уменьшить яркость светодиода, необходимо снизить ограничение по току источника питания, чтобы светодиод работал в режиме постоянного тока - в этом случае ток является ограничивающим параметром. Характеристики детектора. Предлагается использовать спектрометр для измерения энергетической освещенности и спектрального распределения мощности. Чтобы обеспечить правильное измерение энергетической освещенности, необходимо использовать косинусный корректор. Кроме того, все измерения должны выполняться на расстояниях, превышающих критическое расстояние, которое зависит от размера светодиода и поверхности детектора.

Есть несколько соображений, которые заключаются в следующем: Детектор должен быть обращен к светодиоду во время измерения так, чтобы нормальная ось поверхности детектора пересекала поверхность светодиода. Скорость обнаружения детектора должна быть не менее 1 с. Калибровку детектора следует выполнять один раз в год с привлечением третьей стороны. Предпочтительно использовать детектор с относительно небольшим размером поверхности (например, 0,12 см 2 ). Измерения и расчеты УФ-светодиоды - это относительно небольшие источники УФ-излучения с поверхностью матрицы всего 1 мм, что делает их более похожими на точечный источник, чем ртутные лампы.

Однако на очень близких расстояниях эти УФ-источники не могут считаться точечными источниками излучения. Чтобы определить минимальное расстояние, на котором УФ-светодиоды могут считаться точечными источниками по сравнению с поверхностью детектора, необходимо измерить и сравнить освещенность на разных расстояниях от УФ-светодиода. При допустимой погрешности% минимальное расстояние (D min ) для измерения энергетической освещенности комбинации УФ-светодиод-детектор можно рассчитать с помощью следующего уравнения: где I Di - освещенность на расстоянии D i , D min - максимальное расстояние, на котором проверяется указанное выше условие, а D i + 1 = D i + 5 мм. Все измерения должны производиться на расстояниях больше или равных D min . Включение термоэлектрического охладителя перед включением светодиода оказывает меньшее температурное воздействие на УФ-светодиоды, чем их одновременное включение.

Таким образом, перед включением УФ-светодиода необходимо включить термоэлектрический охладитель или какое-либо средство пассивного отвода тепла. Рабочий ток большинства доступных УФ-светодиодов измеряется в миллиамперах. Поскольку мощность излучения УФ-светодиодов сильно зависит от электрического тока, рекомендуется использовать источник постоянного тока с точностью до трех десятичных знаков для контроля электрического тока в режиме онлайн. Следуя предложенной блок-схеме (рис. 1), мощность излучения УФ-светодиода может быть рассчитана с использованием следующего уравнения, где r - расстояние от УФ-светодиода до детектора (см); E - измеренная энергетическая освещенность (мВт.

см -2 ); θ и φ - полярный и азимутальный углы соответственно; и P - мощность излучения УФ-светодиода (мВт): Содержание отчета В отчет рекомендуется включать следующую информацию: Условия эксплуатации, такие как температура, электрический ток и напряжение. Технические данные производителя УФ-светодиодов и порядок пайки Производитель блока питания и номер модели Производитель детектора, модель и время калибровки Расположение термопары на монтажной плате УФ-светодиода Минимальное расстояние от УФ-светодиода, необходимое для измерения его освещенности Время прогрева и освещенность в зависимости от времени с момента включения УФ-светодиода Спектральное распределение мощности УФ-светодиода Расчетная мощность излучения УФ-светодиода Трехмерный профиль излучения УФ-светодиода Расстояние, на котором был измерен профиль излучения УФ-светодиода Допустимый диапазон ошибок для минимального расстояния и любого влияния отражения на измерения Определение флюенса Точный протокол широко используется для определения плотности энергии в системах УФ-ртутных ламп; однако такой протокол нельзя применять к УФ-светодиодным системам без учета их различного излучения. В этом предложенном протоколе параметры, используемые в протоколе УФ-лампы, были пересмотрены, определены новые параметры и предложено новое устройство для определения плотности энергии для УФ-светодиодных систем. В отличие от протокола УФ-лампы, и актинометрия, и детекторное измерение (радиометрия) необходимы для определения правильной конфигурации настройки УФ-светодиодных систем. Как показано в исследованиях [2], когда надлежащая установка была спроектирована и изготовлена, либо актинометрии, либо радиометрии будет достаточно.

Цель этого протокола - определить скорость потока в чашке Петри, содержащей микроорганизмы и другие составляющие. Аппаратура Модульная конструкция экспериментальной установки рекомендуется для проведения как радиометрических, так и актинометрических экспериментов. Нет необходимости в подобной установке для разных экспериментов, как при настройке лабораторного прибора с коллимированным пучком ртутных ламп. Поскольку устройство минимизирует отражение и может выполнять как актинометрию, так и радиометрию на расстоянии 15 см от УФ-светодиода, результаты различных пользователей сопоставимы. Расстояние в 15 см гарантирует, что предположение о точечном источнике для комбинации УФ-светодиода и детектора действительно и что достигается приемлемая коллимация и однородность излучения.

Рис. 3. Упрощенный схематический вид установки для определения плотности потока энергии, изображающий совмещение УФ-светодиода и чашки Петри. Этот термин действителен для типичного УФ-светодиода с углом обзора около 120 ° и стандартным профилем распределения излучения. Для актинометрии центр поверхности чашки Петри должен быть совмещен с матрицей УФ-светодиода, а ось радиометрии должна совпадать с основным доступом излучения светодиода (рис.

3). Рекомендуется чашка Петри диаметром 5 см и глубиной 1,5 см. Чашка Петри должна быть заполнена образцом / раствором до краев, чтобы избежать эффекта внутреннего отражения от стенок чашки Петри. Пример установки со всеми деталями был дан в другом месте [1]. Радиометрия Распределение излучения на x – y поверхности параллельно поверхности светодиода на расстоянии 15 см должно быть измерено детектором.

Начало оси этой поверхности ([x, y] = [0,0]) должно быть совмещено с положением кристалла светодиода. Освещенность необходимо измерять от [x, y] = [−2,5, −2,5] см до [x, y] = [2,5, 2,5] см через каждые 2 мм. Ориентация детектора для всех измерений должна гарантировать, что вектор нормали детектора параллелен вектору нормали к радиометрической поверхности. Результаты радиометрии представлены как энергетическая освещенность как функция от x и y (то есть E 0 (x, y)). Актинометрия Что касается максимальной длины волны УФ-светодиода, измеренной для характеристики выходной мощности УФ-светодиода, необходимо использовать правильную актинометрию с относительно высоким поглощением на максимальной длине волны светодиода [4].

Из-за полихроматического излучения УФ-светодиодов рекомендуется йодид-йодатная актинометрия для УФ-светодиодов в диапазоне УФ-С. То есть квантовый выход и молярный коэффициент поглощения для расчета плотности энергии должны быть взвешены на основе спектра излучения УФ-светодиодов. Раствор для актинометрии должен иметь то же положение и объем, что и образец воды. Освещенность, полученная с помощью актинометрии, выражается в плотности потока энергии на поверхности чашки Петри (E 0 ). Поправочные факторы Как актинометрия, так и радиометрия обеспечивают интенсивность излучения или флюенса на поверхности чашки Петри.

Тем не менее, средняя плотность потока энергии / плотность потока энергии по объему образца также может представлять интерес. Для перевода измеренной интенсивности поверхностного излучения / плотности потока энергии в среднюю скорость потока энергии в пробе воды необходимы четыре поправочных коэффициента: коэффициент дивергенции (DF), коэффициент воды (WF), коэффициент отражения (RF) и коэффициент вариации (CV). Фактор расходимости Выполнение радиометрии на рекомендуемом расстоянии 15 см от светодиода гарантирует точечный источник для УФ светодиода. DF можно рассчитать с помощью следующего уравнения, где d - расстояние от УФ-светодиода (см), а l - глубина чашки Петри (см):   Коэффициент отражения Для образца воды RF является функцией длины волны излучения. Используя закон Френеля и показатель преломления воды на разных длинах волн [5], RF можно рассчитать как функцию длины волны (RF λ ).

Однако на относительно больших расстояниях от УФ-светодиода (15 см) предположение о монохроматичности остается в силе, и RF можно считать тем же значением, что и в системах с ртутными лампами низкого давления (RF = 0,975). Водный фактор Здесь WF представляет собой количественную оценку градиента излучения по глубине образца воды. Как и RF, WF зависит от длины волны и должен рассчитываться по спектру излучения УФ-светодиода. Для чашки Петри с глубиной л (см), ВФ при длине волны может быть вычислена с помощью следующего уравнения, где λ является молярный коэффициент поглощения образца воды (М -1 см -1 ):   Коэффициент вариации CV представляет собой однородность излучения на поверхности чашки Петри. Для измерения плотности потока воды в образце воды необходимо количественно определить градиент излучения на поверхности чашки Петри.

Круглая геометрия чашки Петри должна использоваться для понимания градиента излучения на ее поверхности. Для расчета CV рекомендуется использовать полярные координаты. Распределение энергетической освещенности на поверхности чашки Петри в полярных координатах может быть рассчитано на основе измерения энергетической освещенности (в декартовых координатах и ​​измерено с помощью радиометрии) с использованием следующего уравнения:   Для r 'от 0 до радиуса чашки Петри и θ' от 0 до 180, энергетическая освещенность может быть измерена на поверхности чашки Петри, после чего CV можно рассчитать, используя следующее уравнение, где n - количество вычислений энергетической освещенности. , w i - вес площади, на которой была рассчитана освещенность, A - площадь, и - средняя освещенность на расстоянии r и полярном угле θ:   Максимально допустимое значение CV составляет 6,7%, что обеспечивает такую ​​же однородность, которую достигают аппараты с ртутными лампами, когда коэффициент Петри выше 0,9. Для установок с CV выше, чем это значение, оптические устройства, такие как линзы и УФ-коллекторы, могут улучшить однородность излучения.

Фактор коллимации Фактор коллимации (CF) определяет коллимацию излучения, попадающего в образец воды. Для предлагаемой установки единственным параметром, влияющим на коллимацию, является расстояние от УФ-светодиода. Было показано, что на расстоянии 15 см ближняя коллимация может быть достигнута в типичных светодиодах с углом обзора около 120 °. Однако в случаях, когда используется несколько УФ-светодиодов, это расстояние необходимо снова оценить, чтобы обеспечить почти полную коллимацию. Коэффициент коллимации можно рассчитать как отношение интенсивности излучения к плотности потока энергии на поверхности чашки Петри.

Плотность энергии измеряется актинометрией, а средняя освещенность в чашке Петри составляет . Определение плотности потока энергии Следуя блок-схеме, представленной на рисунке 1 и удовлетворяющей критериям конструкции установки, средняя энергетическая освещенность внутри образца воды может быть определена с помощью следующего уравнения, где P λ - часть выходного излучения светодиода на длине волны λ (мВт нм -1 ), P - мощность излучения УФ-светодиода, а E - средняя освещенность в объеме образца чашки Петри:  Уравнение 1 После того, как коллимация и однородность излучения были обеспечены, плотность потока энергии и плотность энергии для пробы воды могут быть рассчитаны с использованием следующего уравнения, где - средняя скорость потока энергии, F 0 - средняя плотность потока энергии (доза УФ) в чашке Петри и t - время воздействия: Уравнение 2 Хотя на распределение излучения в чашке Петри влияет профиль излучения источника, предлагаемый протокол не зависит от профилей излучения УФ-источника. Таким образом, этот протокол может быть реализован для любого источника УФ-излучения. Единственное, что нужно учитывать - это обеспечить точное измерение распределения энергетической освещенности и плотности потока энергии на поверхности чашки Петри. Следовательно, все поправочные коэффициенты могут быть рассчитаны независимо от профиля излучения УФ-источника.