DE102007043470A1

DE102007043470A1 - Vorrichtung zur langzeitstabilen Strahlungsmessung und Verfahren zu deren Funktionsprüfung

Info

Publication number: DE102007043470A1
Application number: DE102007043470A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Rösemann; Olaf Kiesewetter
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2007-07-21
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: DE102007043470B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensor (1) zur Bestimmung der Intensität elektromagnetischer Strahlung mit einer Absorptionsschicht (2), die durch eine Vorrichtung (4) um eine vorgebbare Temperaturdifferenz erwärmbar oder kühlbar ist, sowie ein Verfahren, mit dem der Strahlungssenor (1) ohne Verwendung einer externen Strahlungsquelle auf Funktionsfähigkeit und zeitliche Stabilität seiner Messeigenschaften prüfbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensor zur Bestimmung der Intensität einer elektromagnetischen Strahlung und ein Verfahren zu dessen Funktionsprüfung.
Unter einem Strahlungssensor wird im Folgenden eine Vorrichtung zur Bestimmung der Intensität einer elektromagnetischen Strahlung verstanden. In den meisten bekannten Strahlungssensoren wird die Energie der elektromagnetischen Strahlung in Wärmeenergie umgewandelt, indem eine geschwärzte Absorptionsfläche der Strahlung ausgesetzt und dadurch erwärmt wird. Die Intensität der Strahlung wird aus der Temperaturerhöhung der Absorptionsfläche ermittelt. Die Temperaturerhöhung der Absorptionsfläche wird in der Regel aus der Differenz der Temperatur der Absorptionsfläche und der Temperatur eines Referenzobjektes bestimmt. Diese Temperaturdifferenz wird häufig mittels einer Thermosäule erfasst. In anderen Strahlungssensoren werden temperaturabhängige elektrische Widerstände zur Erfassung der Temperaturdifferenz eingesetzt, vgl. R. Rösemann, Strahlungsmesstechnik: vom Sensor bis zur Anwendung in Meteorologie und Umweltmesstechnik; eine Übersicht über den Stand der Technik, 1. Auflage, Reichenbach/Fils: Gengenbach Messtechnik, 2005, ISBN 3-936947-57-0, S. 33 ff.
Allen bisher bekannten Strahlungssensoren ist gemeinsam, dass ihre Nachkalibrierung sehr aufwändig ist. In der Regel erfordert die Nachkalibrierung eines Strahlungssensors dessen Bestrahlung durch eine externe Strahlungsquelle, deren Strahlungsintensität sehr gut bekannt ist oder, beispielsweise mittels eines weiteren Strahlungssensors, bestimmt werden muss. Als externe Strahlungsquelle ist dazu die Sonne oder eine künstliche Strahlungsquelle, beispielsweise ein Halogenstrahler, einsetzbar. Da die Anforderungen an die Messgenauigkeit und Wirtschaftlichkeit von Messvorrichtungen laufend zunehmen, ist dieser hohe Aufwand insbesondere bei einer Funktionsprüfung oder Nachkalibrierung eines Strahlungssensors nachteilig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungssensor anzugeben, der auf einfache und kostengünstige Weise auf Funktionsfähigkeit und Stabilität der Messeigenschaften prüfbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und ein Verfahren mit den in Anspruch 8 oder 9 angegebenen Merkmalen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung sieht einen Strahlungssensor mit einer Absorptionsfläche zur Aufnahme elektromagnetischer Strahlung vor, wobei der Strahlungssensor eine Vorrichtung zur Erwärmung oder Kühlung der Absorptionsfläche und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperaturänderung der Absorptionsfläche umfasst. Mittels der Vorrichtung zur Erwärmung oder Kühlung ist der Absorptionsfläche eine vorgebbare Energiemenge zuführbar oder entziehbar. Durch die Kenntnis der der Absorptionsfläche zugeführten oder entzogenen Energiemenge und die Messung der resultierenden Temperaturänderung sind die Funktionsfähigkeit und die Stabilität der Messeigenschaften des Strahlungssensors ohne Verwendung einer externen Strahlungsquelle prüfbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 schematisch einen Längsschnitt durch einen Strahlungssensor,
2 schematisch einen Längsschnitt durch einen Strahlungssensor mit einer Vorrichtung zur Kühlung des Gehäuses oder einer Wärmewiderstandsschicht.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Strahlungssensor 1 mit einem Gehäuse 7. Der Strahlungssensor 1 umfasst eine Absorptionsschicht 2 zur Aufnahme elektromagnetischer Strahlung. Die Absorptionsschicht 2 besteht bevorzugt aus einem Material, dessen Absorptionsgrad in einem Spektralbereich, für den der Strahlungssensor 1 vorgesehen ist, nahe 1 ist. Für eine Messung der Intensität solarer Globalstrahlung an der Erdoberfläche eignen sich beispielsweise Schwarzlacke, deren Absorptionsgrad in dem Spektralbereich von 300 nm bis 3000 nm nahe 1 ist. Der Strahlungssensor 1 umfasst ferner eine Vorrichtung 4 zur Erwärmung oder Kühlung der Absorptionsschicht 2, so dass der Absorptionsschickt 2 mittels der Vorrichtung 4 eine vorgebbare Energiemenge zuführbar oder entziehbar ist. Die Temperatur der Absorptionsschicht 2 ist mittels eines ersten Temperatursensors 3.1 messbar.
In dem Ausführungsbeispielgemäß 1 ist zwischen der Vorrichtung 4 und dem Gehäuse 7 eine erste Wärmewiderstandsschicht 5.1 vorgesehen, die aus einem Material besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit sich in einem Temperaturbereich, für den der Einsatz des Strahlungssensors 1 vorgesehen ist, nicht wesentlich ändert. Die Temperatur des Gehäuses 7 ist mittels eines zweiten Temperatursensors 3.2 messbar. Optional sind eine zweite Wärmewiderstandsschicht 5.2 zwischen der Vorrichtung 4 und der ersten Wärmewiderstandsschicht 5.1 und ein dritter Temperatursensor 3.3 zwischen den Wärmewiderstandsschichten 5.1 und 5.2 vorgesehen.
Eine geeignete Vorrichtung 4 zur Erwärmung der Absorptionsschicht 2 ist beispielsweise ein Heizwiderstand, mittels dessen der Absorptionsschicht 2 eine über eine einstellbare elektrische Spannung vorgebbare Energiemenge zuführbar ist. Eine alternative geeignete Vorrichtung 4 ist beispielsweise ein Peltierelement, wobei dieses je nach Polung einer an das Peltierelement anlegbaren elektrischen Spannung wahlweise zur Erwärmung oder Kühlung der Absorptionsschicht 2 verwendbar ist.
Bevorzugt umfassen die ersten drei Temperatursensoren 3.1 bis 3.3 jeweils mindestens einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand zur Temperaturerfassung. Geeignete erste drei Temperatursensoren 3.1 bis 3.3 sind beispielsweise Kaltleiter-Sensoren, z. B. Pt100-Sensoren. Ferner sind die ersten drei Temperatursensoren 3.1 bis 3.3 bevorzugt flächig ausgeführt, so dass eine Durchschnittstemperatur der Querschnittsfläche der jeweiligen Schicht der Messvorrichtung erfassbar ist.
Zur Funktionsprüfung des Strahlungssensors 1 wird der Absorptionsschicht 2 mittels der Vorrichtung 4 je nach deren Ausführung oder Betriebsmodus (Erwärmung oder Kühlung der Absorptionsschicht 2) eine vorgebbare Energiemenge zugeführt oder entzogen. Durch Bestimmung der resultierenden Temperaturänderung der Absorptionsschicht 2 und deren Vergleich mit früheren Messwerten ist die Funktionsfähigkeit des Strahlungssensors 1 überprüfbar und der Strahlungssensor 1 erforderlichenfalls nachkalibrierbar. Derartige Funktionsprüfungen sind sowohl statisch als auch dynamisch durchführbar. Dabei wird unter einer statischen Funktionsprüfung eine solche verstanden, bei der der Absorptionsschicht 2 über einen vorgebbaren Zeitraum eine zeitlich konstante Energiemenge zugeführt oder entzogen wird, unter einer dynamischen eine solche, bei der die Energiemenge zeitlich, beispielsweise periodisch, verändert wird. Um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit derartiger Funktionsprüfungen zu optimieren, werden sie bevorzugt regelmäßig unter gleichen äußeren Bedingungen insbesondere hinsichtlich der Außentemperatur und des Strahlungseinfalls auf die Absorptionsschicht 2 durchgeführt, beispielsweise in einem abgedunkelten Raum bei einer festgelegten Raumtemperatur.
Mittels der ersten drei Temperatursensoren 3.1 bis 3.3 sind das Temperaturgefälle und daraus der Wärmefluss von der Absorptionsschicht 2 zu dem Gehäuse 7 bestimmbar. Aus der Kenntnis dieses Wärmeflusses und der der Absorptions schicht 2 mittels der Vorrichtung 4 zugeführten oder entzogenen Energie sind durch eine Betrachtung der Energiebilanz insbesondere die von der Absorptionsschicht 2 jeweils durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung abgegebenen Energiemengen ermittelbar. Aus diesen Daten sind thermische Eigenschaften des Strahlungssensors 1 und deren zeitliche Entwicklung erkennbar und für dessen Nachkalibrierung nützliche Werte ableitbar. Insbesondere sind durch eine dynamische Funktionsprüfung auch Aussagen über dynamische thermische Eigenschaften des Strahlungssensors 1 ableitbar.
Wenn mittels der Vorrichtung 4 die Absorptionsschicht 2 kühlbar ist, sind ferner eine Messung einer Intensität einer einfallenden elektromagnetischer Strahlung und eine Funktionsprüfung des Strahlungssensors 1 durch ein Kompensationsverfahren durchführbar, wobei mittels der Vorrichtung 4 der Absorptionsschicht 2 diejenige Energiemenge entzogen wird, die ihr durch eine einfallende elektromagnetische Strahlung zugeführt wird, so dass ihre Temperaturkonstant bleibt.
Auf den dritten Temperatursensor 3.3 und die zweite Wärmewiderstandsschicht 5.2 kann verzichtet werden, wenn eine detaillierte Kenntnis thermischer Eigenschaften des Strahlungssensors 1 nicht benötigt wird.
Bevorzugt wird der Strahlungssensor 1 mit einer äußeren Glashaube 6.1 und einer inneren Glashaube 6.2 ausgeführt. In einer einfacheren, alternativen Ausführungsform ist nur eine äußere Glashaube 6.1 vorgesehen. In beiden Ausführungsformen ist die Außenoberfläche der äußeren Glashaube 6.1 bevorzugt derart ausgeführt, dass sie eine geringe Benetzbarkeit gemäß dem so genannten Lotuseffekt aufweist. Dazu ist diese Außenoberfläche beispielsweise als eine geeignete mikrostrukturierte Oberfläche ausgeführt und mit einer Nanobeschichtung versehen. Eine derartige Oberfläche ist Wasser- und schmutzabweisend und teilweise selbstreinigend bzw. leicht zu reinigen. Die resultierende geringere Anfälligkeit für eine Verschmutzung der Außenoberfläche der äußeren Glashaube 6.1 erhöht die Zuverlässigkeit der Messergebnisse des Strahlungssensors 1 und erleichtert dessen Reinigung.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strahlungssensors 1, ebenfalls schematisch in Längsschnittdarstellung. Gegenüber dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterhalb der ersten Wärmewiderstandsschicht 5.1 eine zusätzliche Vorrichtung 8 zur Kühlung des Gehäuses 7 oder der ersten Wärmewiderstandsschicht 5.1 sowie optional einen vierten Temperatursensor 3.4 unterhalb der Vorrichtung 8.
Eine geeignete Vorrichtung 8 ist beispielsweise ein Peltierelement, das an eine elektrische Spannungsquelle anschließbar ist, so dass es bei einer anliegenden Spannung je nach Polung der Spannung zur Kühlung des Gehäuses 7 oder der ersten Wärmewiderstandsschicht 5.1 einsetzbar ist. Dadurch ist der Strahlungssensor 1 auch mittels der Vorrichtung 8 auf Funktionsfähigkeit prüfbar und nachkalibrierbar. Ferner sind eine Funktionsfähigkeitsprüfung und erforderlichenfalls eine Nachkalibrierung des Strahlungssensors 1 unter gleichzeitiger Verwendung der Vorrichtungen 4 und 8 möglich. Mittels der vier Temperatursensoren 3.1 bis 3.4 ist das Temperaturgefälle in vertikaler Richtung entlang der verschiedenen Schichten der Messvorrichtung einschließlich der Vorrichtung 8 und mittels des dritten und vierten Temperatursensors 13 und 3.4 insbesondere die Temperaturdifferenz zwischen der oberen und der unteren Seite der Vorrichtung 8 erfassbar.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht alternativ oder zusätzlich zu der Vorrichtung 8 einen nicht dargestellten Thermogenerator vor, mittels dessen elektrische Energie aus durch einfallende elektromagnetische Strahlung erzeugte Wärme gewinnbar ist. Ein geeigneter Thermogenerator ist beispielsweise ein in der DE 297 24 918 U1 beschriebener. Die mittels des Thermogenerators gewonnene Energie ist zur Versorgung elektronischer Komponenten des Strahlungssensors 1 einsetzbar.

1: Strahlungssensor
2: Absorptionsschicht
3.1: Erster Temperatursensor
3.2: Zweiter Temperatursensor
3.3: Dritter Temperatursensor
3.4: Vierter Temperatursensor
4: Vorrichtung zur Erwärmung oder Kühlung der Absorptionsschicht
5.1: Erste Wärmewiderstandsschicht
5.2: Zweite Wärmewiderstandsschicht
6.1: Äußere Glashaube
6.2: Innere Glashaube
7: Gehäuse
8: Vorrichtung zur Kühlung des Gehäuses oder der ersten Wärmewiderstandsschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 29724918 U1 [0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- R. Rösemann, Strahlungsmesstechnik: vom Sensor bis zur Anwendung in Meteorologie und Umweltmesstechnik; eine Übersicht über den Stand der Technik, 1. Auflage, Reichenbach/Fils: Gengenbach Messtechnik, 2005, ISBN 3-936947-57-0, S. 33 ff [0002]

Claims

Strahlungssensor (1) zur Bestimmung der Intensität einer elektromagnetischen Strahlung, umfassend eine Absorptionsschicht (2) und einen ersten Temperatursensor (3.1) und ein Gehäuse (7), dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten Temperatursensors (3.1) die Temperatur der Absorptionsschicht (2) erfassbar ist und der Strahlungssensor (1) eine Vorrichtung (4) zur Erwärmung oder Kühlung der Absorptionsschicht (2) umfasst, mittels derer der Absorptionsschicht (2) eine vorgebbare Energie zuführbar oder entziehbar ist.
Strahlungssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssensor (1) eine erste Wärmewiderstandsschicht (5.1) unterhalb der Vorrichtung (4) zur Erwärmung oder Kühlung der Absorptionsschicht (2) und einen zweiten Temperatursensor (3.2) zwischen der ersten Wärmewiderstandsschicht (5.1) und dem Gehäuse (7) aufweist.
Strahlungssensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssensor (1) zwischen der ersten Wärmewiderstandsschicht (5.1) und dem Gehäuse (7) einen dritten Temperatursensor (3.3) und eine zweite Wärmewiderstandsschicht (5.2) umfasst, wobei der dritte Temperatursensor (3.3) zwischen der ersten und der zweiten Wärmewiderstandsschicht (5.1, 5.2) angeordnet ist.
Strahlungssensor (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssensor (1) zwischen dem zweiten Temperatursensor (3.2) und dem Gehäuse (7) eine Vorrichtung (8) zur Kühlung des Gehäuses (7) oder der ersten Wärmewiderstandsschicht (5.1) umfasst.
Strahlungssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssensor (1) einen Thermogenerator umfasst.
Strahlungssensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Thermogenerators eine elektrische Energie gewinnbar und zur energetischen Versorgung elektronischer Komponenten des Strahlungssensors (1) einsetzbar ist.
Strahlungssensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer äußeren Glashaube (6.1), dadurch gekennzeichnet, dass die Außenoberfläche der äußeren Glashaube (6.1) derart ausgeführt ist, dass sie eine geringe Benetzbarkeit gemäß dem Lotuseffekt aufweist.
Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit und zeitlichen Stabilität der Messeigenschaften eines Strahlungssensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während mindestens einer vorgebbaren Zeitdauer der Absorptionsschicht (2) mittels der Vorrichtung (4) zur Erwärmung oder Kühlung der Absorptionsschicht (2) eine vorgebbare Energiemenge zugeführt oder entzogen und die Temperaturänderung der Absorptionsschicht (2) mittels des ersten Temperatursensors (3.1) bestimmt wird, und die Messwerte mit den Messwerten früherer gleichartiger Messungen verglichen werden.
Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit und zeitlichen Stabilität der Messeigenschaften eines Strahlungssensors (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während mindestens einer vorgebbaren Zeitdauer mittels der Vorrichtung (8) das Gehäuse (7) oder die erste Wärmewiderstandsschicht (5.1) gekühlt und die Temperaturänderung der Absorptionsschicht (2) mittels des ersten Temperatursensors (3.1) bestimmt wird, und die Messwerte mit den Messwerten früherer gleichartiger Messungen verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der mindestens einen vorgebbaren Zeitdauer, in der die Vorrichtung (8) das Gehäuse (7) oder die erste Wärmewiderstandsschicht (5.1) kühlt, mittels der Vorrichtung (4) der Absorptionsschicht (2) eine vorgebbare Energiemenge zugeführt oder entzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während der Temperaturmessung mittels des ersten Temperatursensors (3.1) auch Temperaturmessungen mittels des zweiten und/oder dritten und/oder vierten Temperatursensors (3.2 bis 3.4) durchgeführt und deren Messwerte zur Funktionsprüfung herangezogen werden.