DE19509576C1 - Einrichtung zur Bestimmung der UV-Strahlungsstärke und -dosis mittels UV-empfindlicher Sensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der UV-Strahlungsstärke und -dosis mittels UV-empfindlicher Sen­ soren.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 32 38 840 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen von UV-Strahlen bekannt. Bei der dort gezeigten Vorrichtung wird eine für ultraviolettes Licht empfindliche Fotodiode verwendet, um die Strahlungsintensität ermitteln zu können. Dieser UV-Sensor wirkt mit einem span­ nungsgesteuerten Oszillator zusammen, wobei entsprechend einer Frequenzänderung des spannungsgesteuerten Oszillators ein Ausgangssignal erhalten wird, welches auf eine Anzeige­ einrichtung führbar ist. Dort wird also die einfallende Strahlung in ein bezüglich der Frequenz veränderliches Signal umgewandelt, wobei die Frequenzveränderung detektiert und als Meßgröße darstellbar ist. Hierdurch soll der Einsatz eines ansonsten erforderlichen Spannungsfrequenzwandlers entfallen.

Derartige frequenzgesteuerte Schaltungen unterliegen jedoch einem großen Temperatureinfluß, weisen nur eine geringe Meß­ genauigkeit auf und sind daher für die exakte Bestimmung erythemwirksamer UV-Strahlung zur Vermeidung von Hautschäden nicht geeignet.

Darüber hinaus ist eine derartige Vorrichtung nicht an zen­ traler Stelle als übersichtliches Informationsdisplay ver­ wendbar, da die erwähnte Meßungenauigkeit sowie die Notwen­ digkeit der einfallswinkelbezogenen Nachführung der Fotodiode einen solchen Einsatz ausschließen.

Aus der Deutschen Patentschrift 23 00 213 ist ein Gerät zur Messung der Strahlungsdosis von ultravioletter Strahlung be­ kannt, bei welchem der Strahlungsanteil im erythemerzeugenden Bereich mit einer Photozelle bestimmt werden soll. Vor dem verwendeten optisch-elektrischen Wandler sind zwei Kanten­ filter angeordnet, welche spezifisch UV-durchlässig sind. Die Charakteristiken dieser Kantenfilter und des optisch-elek­ trischen Wandlers sind derart aufeinander abgestimmt, daß nur UV-Strahlung im erythemwirksamen Bereich erfaßt wird.

Die Schwierigkeiten bei einem derartigen Gerät bestehen darin, daß physikalische Kantenfilter nicht oder nur mit er­ heblichem Aufwand realisierbar sind, so daß der mechanisch konstruktive Aufwand zur Erfassung von Strahlung im erythem­ wirksamen Bereich zu hoch ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß der erforderliche Sensor bzw. der optisch­ elektrische Wandler exakt zur einfallenden Strahlung ausge­ richtet sein muß, wodurch der Anwendungsbereich des Gerätes eingeschränkt ist.

Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 40 12 984 A1 zeigt ein Dosimeter zur Bestimmung der beim Sonnen im natürlichen oder künstlichen Sonnenlicht für die Menschen verträglichen Dosis an UV-Strahlung. Dieses Dosimeter besitzt einen UV-Sensor und eine Meßwertverarbeitungsschaltung, die die gesamte Strah­ lungsmenge bestimmt, welche mit einem einstellbaren Refe­ renzwert vergleichbar ist und wobei das Erreichen des Refe­ renzwertes optisch oder akustisch angezeigt wird.

Auch das in der DE 40 12 984 A1 gezeigte Gerät muß in ge­ eigneter Position neben einer sonnenbadenden Person angeord­ net sein, um die richtungsabhängig einfallende UV-Strahlung zu summieren und anzeigen zu können. Aufgrund der unter­ schiedlichen Einfallswinkel, insbesondere beim natürlichen Sonnenlicht, ist es erforderlich, ein derartiges Dosimeter mit einem Gelenk oder einer Gelenkstütze zu versehen, um es je nach realem Strahlungseinfallswinkel aufstellen zu können bzw. um das Gerät dem veränderten Sonnenstand nachzuführen.

Dies ist jedoch ein außerordentlicher Nachteil, insbesondere auch dann, wenn ein derartiges Gerät über einen längeren Zeitraum mit möglichst geringem Wartungs- und Einstellaufwand betrieben werden soll.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 94 06 436 U1 ist eine Vor­ richtung zur Bestimmung der UV-Strahlungsstärke und -dosis bekannt, welche als einfaches, kleines und tragbares Handge­ rät ausgebildet ist. Die dort verwendeten UV-Sensoren spannen ein rechtwinkliges Koordinatensystem auf und sind an den Sei­ tenflächen eines Quaders oder Würfels im wesentlichen frei von einer Winkelabweichung angeordnet. Die Seitenflächen des Quaders oder Würfels sind so gerichtet, daß deren Flächen­ normalen zu den Einheitsvektoren des Koordinatensystems par­ allel stehen derart, daß strahlungswinkelunabhängig die ein­ fallende UV-Strahlung verktoriell ermittelbar ist, was für ein tragbares Gerät wesentliche Vorteile bringt. Ein dort vorgesehener Mikroprozessor bewertet die Ausgangssignale und nimmt eine Kalibrierung in Einheiten der erythemwirksamen Strahlung vor. Das bekannte Handgerät hat jedoch den Nach­ teil, daß es ständig mitgeführt werden muß, energiever­ brauchsseitig auf Batterien oder Akkumulatoren angewiesen ist und insbesondere an Badestränden beaufsichtigt werden muß, um Diebstählen vorzubeugen.

Bei der Vorrichtung zum Messen, Verarbeiten und Anzeigen von ultravioletter Strahlung gemäß US-PS 4 975 584 wird von einer Vielzahl von Sensorstationen ausgegangen, die jeweils kugel­ förmige Sensorköpfe aufweisen, und welche mittels Telemetrie erhaltene Daten zu einer Zentralstation senden. Die Zentral­ station steht wiederum telemetrisch mit Anzeigeeinrichtungen in Verbindung. Die eigentlichen UV-Sensoren sind räumlich von den Anzeigeeinrichtungen getrennt angeordnet, wodurch sich das Problem ergibt, daß Unterschiede in der tatsächlichen UV-Belastung zwischen Meß- und Anzeigeort nicht berücksichtigt werden können. Darüber hinaus ist der kugelförmige Sensorkopf aufgrund einer Vielzahl von notwendigen auf seiner Umfangs­ fläche verteilt angeordneten Lichtwellenleitern, die auf ein photovoltaisches Element führen, hinsichtlich Konstruktion und Wartung aufwendig.

Die Sonnenbrandwarnanordnung auf der Basis der Detektion von UV-Komponenten in der Sonnenstrahlung gemäß US-PS 3 710 115 ist als Standgerät ausgeführt, das einen Strahlendetektor an seiner Oberseite aufweist und Anzeigemittel sowie einen Laut­ sprecher und einen Empfindlichkeitswählschalter umfaßt. Die dort als Strahlungsdetektor verwendete Photozelle ist nicht sonneneinfallswinkelkorrigiert, so daß sich keine exakten Meßwerte ergeben. Darüber hinaus erfolgt die Anzeige der er­ faßten Meßwerte nur in einer Form, die nicht geeignet ist, Aussagen dahingehend zu liefern, welche Sonnenschutzmittel aufgetragen werden müssen oder wie lange unter den gegebenen Umständen, je nach Hauttyp, ein Sonnenbad ohne Schädigungen möglich ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Be­ stimmung der UV-Strahlungsstärke und -dosis mittels UV-Senso­ ren anzugeben, welche zum einen strahlungswinkelunabhängig eine optimale Erfassung der Bestrahlungsstärke und -dosis er­ möglicht und die zum anderen in übersichtlicher Weise eine aktuelle Messung und Anzeige tatsächlich erythemwirksamer So­ lar-UV-Strahlung gestattet.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen­ stand gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Hauptanspruches umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, einen spe­ ziellen UV-Sensorkopf zu verwenden, welcher Dioden aufweist, die so angeordnet sind, daß deren Flächennormalen ein z. B. rechtwinkliges Koordinatensystem aufspannen, wobei die Dioden im Falle eines vorzugsweise rechtwinkligen Koordinatensystems an bzw. auf den Seitenflächen eines Quaders bzw. eines Wür­ fels angeordnet sind. Die verwendeten Dioden besitzen vorteilhafterweise eine gleiche Empfindlichkeit, wobei die Empfindlichkeit der Dioden in Abhängigkeit vom Einfallswinkel vorzugsweise einer Kosinusfunktion oder einer cos²-Funktion entspricht.

Hierdurch kann erfindungsgemäß der Sensorkopf der Einrichtung vollig unabhängig von der Änderung des Einfallswinkels der Sonnenstrahlung exakt den UV-B-Strahlungsanteil messen, ohne daß ein Ausrichten oder Nachführen der strahlungsempfindli­ chen Sensorfläche zur Sonne bzw. zur Strahlungsquelle er­ forderlich ist.

Die spezielle Anordnung der Dioden ermöglicht es den ein­ fallenden Lichtstrom als vektorielle Größe aufzufassen, wobei die von den Dioden aufgenommene Lichtmenge dem Anteil des Lichtstromes in der X-, Y- bzw. Z-Richtung des erwähnten Ko­ ordinatensystems entspricht. Hieraus sind die Komponenten des Vektors des Lichtstromes bestimmbar und es kann demnach der Betrag des Lichtstromes bzw. der einfallenden Strahlung er­ mittelt werden. Unter Verwendung eines Mikroprozessors wird dann die tatsächlich erythemwirksame Strahlung ermittelt und einer Anzeigeeinrichtung zugeführt. Der Mikroprozessor steht mit einem Speicher in Verbindung, welcher Look-Up-Tabellen zur numerischen Kalibrierung sowie ein Steuerprogramm zur Be­ wertung der Ausgangssignale der UV-Dioden enthält.

Die tatsächliche Zuordnung und Kalibrierung der Sensoraus­ gangssignale zur erythemwirksamen UV-Strahlung erfolgt nume­ risch mittels einer Approximationsfunktion oder derart, daß eine Funktion erythemwirksamer UV-Strahlung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Sensorsignal in Form einer in der Look-Up- Tabelle gespeicherten Menge von Wertepaaren gebildet wird, wobei die Menge von Wertepaaren der Lösung des bzw. der Inte­ grale für das jeweilige Sensorsignal und der erythemwirksamen Strahlung für eine Vielzahl von möglichen terrestrischen Be­ strahlungsstärken entspricht, und wobei nach einer derartigen Kalibrierung in Einheiten die erythemwirksame UV-Strahlung durch zeitliche Integration die Bestrahlungsstärke oder -do­ sis ermittelbar ist.

Erfindungsgemäß ist beim Überschreiten einer vorgegebenen Be­ strahlungsstärke oder -dosis ein Warnsignal auslösbar.

Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die ermittelten UV-B-Strahlungsbelastungen auf Einheiten einer als verbindlich normierten Meßgröße, nämlich dem Sonnenbrand- oder UV-Index umzurechnen und auf einem Großdisplay zur An­ zeige zu bringen. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Einrichtung in der Lage eine Tendenzanzeige in analoger oder digitaler Art anzugeben, um betreffenden Personen, die sich im Einzugsbereich der Einrichtung befinden, Hinweise über eine verträgliche Sonnenbelastung oder das Auftragen von Sonnenschutzcremes auf unbedeckte Körperstellen zu geben.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird an­ stelle oder in Ergänzung einer analogen oder digitalen An­ zeige schwellwertabhängig das Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwertes durch farblich abgestimmte, optische Signale angezeigt.

Die erwähnte Tendenzanzeige wirkt vorteilhafterweise mit ei­ ner Einrichtung zur Berücksichtigung des Tagesganges der UV-B-Strahlung zusammen, so daß eine exakte und fundierte Vor­ hersage der Strahlungsbelastung in den folgenden Zeitab­ schnitten vorgegeben ist.

Die Anzeigeeinheit ist erfindungsgemäß als elektronische An­ zeigetafel ausbildbar, so daß in größeren Entfernungen bei­ spielsweise bis zu 100 Metern die angezeigten Meßgrößen oder Tendenzen ablesbar sind.

Gemäß einem weiteren Merkmal wird die zur Versorgung der Ein­ richtung erforderliche elektrische Energie autark über Solar­ zellen bereitgestellt, so daß ohne das aufwendige Verlegen von elektrischen Anschlüssen und Kabeln die Betriebsfähigkeit an beliebigen Orten im Freien gewährleistet ist.

Es liegt im Sinne der Erfindung alternierend oder gleichzei­ tig mit der Anzeige des erwähnten Sonnenbrand- oder UV-Index zur Darstellung der UV-B-Strahlungsbelastung eine Zeitan­ zeige, eine Anzeige der Lufttemperatur oder weiterer relevan­ ter Größen vorzusehen.

In einer weiteren Ausführungsform steht die erfindungsgemäße Einrichtung über ein Telemetriesystem mit einem Wassertempe­ ratursensor in Verbindung und ist in der Lage, die teleme­ trisch übertragene Wassertemperatur ebenfalls zur Anzeige zu bringen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Einrichtung an Badestränden oder dergleichen aufgestellt ist.

Alternativ oder ergänzend ist die Anordnung eines Ozonsensors in der Einrichtung vorgesehen, so daß örtlich aktuelle Ozon­ werte bestimmt und angezeigt werden können.

Die erfindungsgemäße Einrichtung findet Verwendung zur An­ zeige und Information über die wirksame Strahlungsbelastung in Strand- und Kurbädern, Kurhotels, Kurkliniken, Winter­ sportorten, insbesondere in größeren Höhenlagen, auf Kreuz­ fahrtschiffen und dergleichen.

Erfindungsgemäß ist die erfindungsgemäße Einrichtung mit Hilfe eines Mikrorechners in der Lage, interaktiv mit einem Benutzer zu kommunizieren, wobei der Benutzer über eine Ein­ gabe des Hauttypes und/oder bereits verwendeter Sonnen­ schutzmittel eine individuelle Anzeige und Information darüber erhält, wie lange ohne zu erwartende Schädigungen das Fortsetzen oder Ausführen eines Sonnenbades unter den jeweiligen örtlichen Bedingungen empfohlen wird. Damit ist sichergestellt, daß in Abhängigkeit vom jeweiligen Hauttyp Schädigungen, nämlich Sonnenbrand an den der Sonne ausge­ setzten Hautpartien vermieden wird.

Die Einrichtung ist intern mit einer vorprogrammierten Aus­ wertung und Festlegung von Sonnenbrand- bzw. UV-Index auf der Basis unterschiedlicher klassifizierter Hauttypen versehen. In einer Grundausführung ist die Einrichtung auf den Hauttyp II, dem sogenannten hellhäutigen, europäischen Typ mit Sonnenbrandempfindlichkeit und mäßiger Bräunung voreinge­ stellt. Dieser Hauttyp bildet die Bewertungsgrundlage für den erwähnten Sonnenbrandindex.

Die erfindungsgemäße Einrichtung vereint einen speziellen Sensorkopf mit UV-empfindlichen Sensoren, mit dessen Hilfe einfallswinkelunabhängig die jeweils vorliegende Strah­ lungsbelastung ermittelbar ist sowie ein Mikrorechnersystem, das tatsächlich erythemwirksame Strahlungsanteile berechnet. Weiterhin erfolgt die Anzeige der Strahlungsbelastung in Form einer allgemein verständlichen Bewertungsgröße beispielsweise dem Sonnenbrandindex (SBI) bzw. dem UV-Index über ein Groß­ display.

Ergänzend verfügt die Einrichtung, welche als Informations­ station durch Solarzellenbetrieb autark an den verschieden­ sten Orten einsetzbar ist, über eine interaktive Bedienein­ heit, so daß im Dialogbetrieb nach Angabe von Hauttyp, einer möglicherweise gegebenen Vorbräunung und bereits angewendeten Sonnenschutzmitteln für die jeweilige Person konkrete Empfehlungen zum Sonnenaufenthalt anzeigbar sind.

Durch die Berücksichtigung des Tagesganges der erythemwirk­ samen UV-B-Strahlung kann mit der erfindungsgemäßen Ein­ richtung eine exakte Vorhersage der Belastung für die fol­ genden Stunden im Sinne einer empfohlenen Aufenthaltsdauer in der Sonne ermittelt werden.

Dadurch, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung im Gegen­ satz zu bekannten Lösungen ein Vorbräunungszustand der Haut ebenfalls berücksichtigt werden kann, ist eine dermatologisch fundierte Anzeige und Bräunungsempfehlung bzw. Empfehlung für das Sonnenbad gewährleistet.

Erfindungsgemäß erfolgt der konstruktive Aufbau der Einrich­ tung in Säulenform, wobei die Komponenten Steuerrechner, An­ zeige, Tastatur, Eingabeschnittstelle, Drucker, Stromversor­ gung in einem Standgehäuse in Säulenform untergebracht sind.

Der Sensorkopf wird freistehend im oberen Bereich oder als Fortsatz des Standgehäuses so angeordnet, daß schattenfrei einfallende UV-Strahlung bestimmt werden kann und daß Beschädigungen, insbesondere mutwilliger Art ausgeschlossen sind.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung der Anordnung der UV-empfindlichen Sensoren bzw. Dioden im Sensorkopf mit dem Ziel der Bestimmung der Be­ strahlungsstärke unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der wesentlichen Funktions­ gruppen der Einrichtung;

Fig. 3 verschiedene Seitenansichten der Einrichtung in einem Stand- bzw. Säulengehäuse; und

Fig. 4a, b Detaildarstellungen von Ausführungsformen des Sensorkopfes.

Gemäß Fig. 1 befinden sich die Dioden des Sensorkopfes je­ weils an gegenüberliegender Position auf den Seitenflächen des beispielhaft gezeigten Quaders 1.

Der einfallende Lichtstrom, welcher als vektorielle Größe aufgefaßt wird, ist mit I gekennzeichnet. Die UV-Dioden (in Fig. 4a Bezugszeichen 24) sind so angeordnet, daß die Flächennormalen der Diodenoberflächen ein z. B. recht­ winkliges Koordinatensystem X, Y und Z aufspannen. Diese Seitenflächen des Quaders sind so gerichtet, daß ihre Flächennormalen zu den Einheitsvektoren parallel sind. Die Flächennormalen der Dioden sind mit N1, N2 und N3 symbo­ lisiert.

Wie aus der Fig. 1 erkennbar, entspricht die von den Dioden, deren Flächen die Flächennormalen n1, n2 und n3 besitzen, aufgenommenen Lichtmenge dem Anteil des Licht- bzw. Strah­ lungsstromes in der X-, Y- bzw. Z-Richtung.

Hieraus sind die Komponenten des Vektors des Licht- bzw. Strahlungsstromes bekannt, und es ist der Betrag des Licht­ stromes bzw. der einfallenden Strahlung durch eine entspre­ chende Auswerteelektronik bestimmbar. Durch die gezeigte qua­ der- oder würfelförmige Anordnung der UV-Dioden im Sensorkopf werden außer der Diode, die parallel zur X-Y-Ebene angeordnet ist, je nach Strahlungseinfallswinkel nur eine bis maximal zwei weitere Dioden beleuchtet und liefern ein Meßsignal.

Zum Ausschalten von Meßfehlern aufgrund diffuser Strahlungs­ reflexion werden die Ausgangssignale der Dioden durch einen Steuerrechner bewertet. Hierbei werden nur die Dioden zur Berechnung der Bestrahlungsstärke herangezogen, welche tat­ sächlich bezogen auf den Vektor des einfallenden Lichtstromes bzw. Lichtstrahlungsstromes relevant sind.

Alternativ ist es möglich, einen Streustrahlungsanteil aus den Ausgangssignalen der Dioden durch Berücksichtigung der Verhältnisse der Ausgangssignale der Dioden untereinander zu ermitteln. Ein Mittelwert der nicht direkt bestrahlten Dioden wird gebildet und zur Erfassung der gesamten Strahlungsbe­ lastung zum Wert der direkten Strahlung addiert.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht die Möglich­ keit, die Mittelwertbildung in kontinuierlichen Abständen zu wiederholen und die erhaltene Streustrahlung prozentual zu quantifizieren, um in einem vereinfachten Verfahren einen jeweils angenommenen prozentualen Streustrahlungsanteil bei der Ermittlung der gesamten einfallenden Strahlung zu berücksichtigen.

Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Einrichtung zur Bestimmung der UV-Strahlungsstärke und -dosis an Orten verwendet wird, bei denen mit einem hohen Streustrahlungs­ anteil, z. B. auf Kreuzfahrtschiffen, Skigebieten oder an Badestränden mit der Kombination von reflektierendem Sand und Wasser, zu rechnen ist.

Die Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild die wesentlichen Funktionsgruppen der Einrichtung zur Bestimmung der UV-Strah­ lungsstärke und -dosis.

Die Einrichtung besteht aus dem bereits erwähnten Sensorkopf 1, der gegebenenfalls in einer Signalvorverarbeitungsbau gruppe einen Analog-Digital-Umsetzer aufweist.

Der Sensorkopf 1 steht mit einem Steuerrechner 2, welcher auch ein Signalprozessor sein kann, in Verbindung. Eine Tastatur 3 zur Eingabe von Daten und zur interaktiven Kommu­ nikation wirkt mit dem Steuerrechner 2 zusammen. Die Strom­ versorgung des Steuerrechners 2 erfolgt über eine Stromver­ sorgungsbaugruppe 4, die Solarzellen aufweist, wobei die So­ larzellen zum Puffern von Akkumulatoren dienen. Optional ist der Steuerrechner 2 über eine Druckerschnittstelle mit einem Drucker 6 verbunden. Über einen Anzeigetreiber, welcher gegebenenfalls auf der Platine des Steuerrechners 2 ange­ ordnet ist, wird ein großflächiges Display 5 angesteuert.

Mittels eines weiteren Einganges werden zusätzlich Sensoren, gegebenenfalls multiplex, abgetastet. Diese zusätzlichen Sensoren sind mit den Bezugszeichen 7 symbolisch dargestellt und können der Erfassung von Ozonwerten, der Lufttemperatur oder der Wassertemperatur dienen.

Die Erfassung der Wassertemperatur kann telemetrisch erfol­ gen, wobei ein Telemetriesender im zu vermessenden Gewässer vorhanden ist und der Telemetrieempfänger im oder in der Nähe des Sensorkopfes 1 bzw. der weiteren Sensoren 7 einschließ­ lich einer entsprechenden Antenne angeordnet ist.

Mittels des Sensorkopfes 1 wird im Zusammenwirken mit dem Steuerrechner 2 die aktuelle UV-Bestrahlungsstärke erythem­ wirksam gemessen bzw. berechnet und mittels des Display 6 zur Anzeige gebracht. Innerhalb des Steuerrechners 2 ist ein nicht gezeigter Speicher angeordnet, der ein internes Steuerprogramm sowie Look-Up-Tabellen zur numerischen Kali­ brierung der Ausgangssignale der verwendeten Dioden des Sen­ sorkopfes enthält.

Zweckmäßigerweise wird der von den Dioden kommende Photostrom durch Stromspannungswandler in eine proportionale Spannung umgesetzt, wobei diese Spannung analog-digital gewandelt wird. Beispielhaft können dann aus allen Spannungswerten die zwei größten Werte bestimmt und zur weiteren Verarbeitung herangezogen werden.

Diese beiden größten Werte werden dann quadriert und die Quadrate addiert. Aus der Summe wird die Quadratwurzel gezogen, wobei der dann erhaltene Wert dem Photostrom entspricht, den eine Diode bei gleicher Beleuchtungsstärke liefern würde, wenn der Vektor der Beleuchtungsstärke senkrecht auf die Beleuchtungsfläche der Diode trifft.

Sollten keine oder nur unter einem Schwellwert liegende Span­ nungswerte weiterer Dioden vorliegen, befindet sich die Strahlungsquelle, nämlich die Sonne, senkrecht über dem Sen­ sorkopf 1. Mittels eines speziellen Kalibrierungsverfahrens unter Rückgriff auf die Wechselwirkung zwischen dem Steuer­ rechner und dem im Inneren angeordneten Speicher sowie durch das Auswerten der aktuellen Photoströme ist eine Zuordnung der Dioden bzw. der Sensorausgangssignale zu handhabbaren Einheiten des erythemwirksamen UV-Strahlungsanteiles und zur Umrechnung auf den Sonnenbrand- bzw. UV-Index möglich.

Wie dargelegt, besitzen die im Sensorkopf 1 verwendeten Di­ oden jeweils gleiche Empfindlichkeit, wobei diese Empfind­ lichkeit vom Eingangswinkel vorzugsweise einer Kosinus- oder Kosinus-Quadrat-Funktion entspricht. Die Anordnung der Dioden weist keine wesentliche Winkelabweichung auf, so daß der Sen­ sor nicht mehr nachgeführt werden muß, um eine exakte Messung zu gewährleisten.

Der einfallende Lichtstrom wird, wie erläutert, als vekto­ rielle Größe aufgefaßt, wobei die von den Dioden aufgenommene Lichtmenge dem Anteil des Lichtstromes in der X-, Y- bzw. Z- Richtung des gewählten Koordinatensystems entspricht. Hieraus sind die Komponenten des Vektors des Licht- bzw. Strahlungs­ stromes bestimmbar und es kann der Betrag des Lichtstromes bzw. der Strahlung ermittelt werden.

Je nach Lage des Sensorkopfes werden in Abhängigkeit des Strahlungseinfallswinkels eine bis drei Dioden beleuchtet. Diese beleuchteten Dioden liefern das erwähnte Sensoraus­ gangssignal zur Berechnung der Beleuchtungsstärke mittels des Steuerrechners.

Für die Kalibrierung wird von folgendem Sachverhalt ausgegan­ gen.

Bekanntermaßen verläuft die spektrale Responsefunktion R(λ) einer Diode über die Wellenlänge nicht linear. Fällt auf einen Sensor wie beschrieben senkrecht die spektrale Strah­ lungsflußdichte E(λ) ein, so ergibt sich daher ebenfalls ein nicht-linearer Zusammenhang bezogen auf die betreffende Wellenlänge.

Es ergibt sich demnach der jeweilige Sensorsignalausgangs­ strom nach folgender Beziehung:

mit A_E = Sensorfläche.

Aufgrund der Tatsache, daß die verwendeten Sensoren, insbe­ sondere die UV-Dioden die Responsefunktion wie oben genannt besitzen, die im übrigen nicht identisch mit der Wirkungs­ funktion des UV-Erythems ist, wird eine Kalibrierung vorge­ nommen, um eine entsprechende Zuordnung der erythemwirksamen Strahlung zum jeweiligen Diodenausgangsstrom herzustellen.

Diese Kalibrierung erfolgt mit einer Aufstellung eines funk­ tionalen Zusammenhanges zwischen der erythemwirksamen UV- Strahlung als Funktion des Diodenstromes in Form einer Menge von Wertepaaren, die wiederum numerisch ermittelt werden.

Hierfür werden Integrale für den Diodenstrom I und ihre ery­ themwirksame UV-Strahlungsflußdichte für eine Vielzahl mögli­ cher terrestrischer Strahlungsstärken direkt gelöst und in der Look-Up-Tabelle im Speicher des Steuerrechners bzw. Si­ gnalprozessors abgelegt.

Alternativ kann eine vorab bestimmte Kalibrierungsfunktion durch ein Polynom n-ten Grades mit z. B. n=2 approximiert werden und die Approximationsfunktion zur Bestimmung des ery­ themwirksamen UV-Strahlungsanteils genutzt werden. Ebenso wird, gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel die terrestri­ sche Strahlungsstärke für den atmosphärischen Zustand, die exterrestrische Bestrahlungsstärke und die atmosphärische Transmission bei bestimmten Zuständen berücksichtigt. Aus den vorgenannten Größen wird die endgültige Kalibrierungsfunktion bestimmt, die zur exakten Berücksichtigung des tatsächlich erythemwirksamen Strahlungsanteils herangezogen wird.

Die beschriebene Verfahrensweise ermöglicht es also reale Abweichungen der Sensorresponsefunktion von der Response­ funktion des eigentlichen Strahlungstargets, z. B. der Hautoberfläche, zu berücksichtigen.

Nachdem die Kalibrierung in Einheiten der erythemwirksamen UV-Strahlung vorgenommen wurde, kann im Ergebnis zeitlicher Integration die Bestrahlungsstärke ermittelt und das Über­ schreiten von vorgebbaren Sollwerten überwacht und eine optische und/oder akustische Alarmfunktion ausgelöst werden. Zweckmäßigerweise erfolgt die Überwachung der Bestrahlungs­ stärke unter laufender zeitlicher Integration mit Hilfe des Steuerrechners und unter Berücksichtigung von mittels der Tastatur 3 eingebbaren spezifischen Hauttypen und Sonnenschutzfaktoren aufgetragener Hautcremes interaktiv, so daß benutzerspezifische Daten ermittelbar sind.

Demnach kann der Vorbräunungszustand der Haut mitberücksich­ tigt werden, wodurch dermatologisch fundierter eine Vorher­ sage der effektiven Sonnenbadedauer erfolgen kann.

Zusätzlich ist mittels dieses Steuerrechners und einem weite­ ren Speicher der Tagesgang der erythemwirksamen UV-B-Strah­ lung aufzeichenbar, wodurch für nachfolgende Tage oder Zeitabschnitte Vorhersageparameter abgeleitet werden können. Letztlich wird mittels des Steuerrechners nicht nur eine rechnerische Vorhersage über den weiteren Tagesverlauf der UV-Strahlungsstärke in Abhängigkeit von der Tageszeit ange­ geben, sondern es wird eine Anzeige der konkreten Strah­ lungsbelastung umgerechnet in Einheiten des Sonnenbrand- oder UV-Index vorgenommen, so daß in verständlicher Form benut­ zerrelevante Informationen auf der Basis des statistischen Tagesganges ausgegeben werden können.

Die Fig. 3 zeigt nun in verschiedenen Seitenansichten die prinzipielle Gehäusegestaltung der Einrichtung. Im Standfuß 10 befindet sich in einem seitlichen Abschnitt die Tastatur 3 mit einem nicht gezeigten alphanumerischen Display zum Er­ leichtern der Dialogführung bei der interaktiven Bedienung der Einrichtung. Darüber hinaus kann im Bereich der Tastatur 3 ein Ausgabefach für gedruckte Informationen, z. B. den Ta­ gesverlauf oder individuelle Daten für das Sonnenbad des je­ weiligen Nutzers vorgesehen sein.

Der Standfuß 10 ist entweder säulenförmig oder mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt.

Beim gewählten Beispiel liegt die Höhe des Standfußes im Be­ reich von ca. 2 m. Oberhalb des Standfußes ist ein Display­ gehäuse 11 mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt montiert.

Dieses Displaygehäuse 11 weist mindestens eine in Sektoren aufgeteilte Fläche zur Informationsausgabe mittels alphanume­ rischer Darstellung auf.

Derartige Großdisplays sind bekannt und brauchen hier nicht näher erläutert werden.

Zweckmäßigerweise besitzt das Großdisplaygehäuse 11 an oder auf seiner Oberseite und/oder Seitenflächen eine Solarzel­ lenfläche 12. Mit Hilfe dieser Solarzellenflächen 12 erfolgt die Energieversorgung der Einrichtung bzw. das Nachladen von in dem Standfuß 10 angeordneten Akkumulatoren, so daß eine weitgehend autarke Betriebsweise der gezeigten Einrichtung gewährleistet ist.

Ausgehend von der oberen Fläche des Displaygehäuses 11 befindet sich an einem rohrförmigen Fortsatz 13 der Sensor­ kopf 1, welcher aus einer Anordnung von UV-empfindlichen Dioden auf einem Trägerquader besteht. Der Sensorkopf 1 ist mit einem UV-durchlässigen, zweckmäßigerweise kugelförmigen Gehäuse 14 umgeben. Durch die freistehende, vom Displayge­ häuse wegführende Anordnung des Sensorkopfes 1 mit ent­ sprechender Umhüllung ist eine Beschädigung oder mutwillige Zerstörung weitgehend ausgeschlossen und es wird der Einfluß von Reflexionen durch die Solarzellenfläche oder anderer mechanisch konstruktiver Bestandteile der Einrichtung reduziert.

Die Einrichtung kann über eine großflächige Standplatte 15 verfügen, welche gegebenenfalls mit Transportrollen versehen ist, um die Einrichtung, z. B. in Kurkliniken bei entspre­ chendem Sonnenschein auf eine Sonnenterrasse oder dergleichen stellen zu können, ohne eine feste Verankerung vorsehen zu müssen.

Mit den Fig. 4a und b sollen weitere Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsformen des Sensorkopfes 1 erläutert werden.

Im Falle der Fig. 4a ist das rohrförmige Verbindungsstück 13 gezeigt, an dessen oberen Ende sich ein Einsatzstück 20 befindet.

Das Einsatzstück 20 ist ein integrales Bauteil, welches am oberen Ende ein Halbkugel- oder ellipsoides Gehäuses 14 auf­ weist, in dessen Gehäusewandung die UV-empfindlichen Dioden 24 über den Umfang verteilt sowie zur Spitze weisend angeordnet sind.

Das integrale Bauteil 20 in Form eines Einsatzstückes besitzt z. B. ein Gewinde, um ein Befestigen im rohrförmigen Verbin­ dungsstück 13 zu gewährleisten.

Am unteren Ende des Bauteiles 20 ist eine Leiterplatte 21 mit einer Signalvorverarbeitungselektronik angeordnet. Die Leiterplatte 21 weist Anschlüsse zur Aufnahme eines Verbin­ dungskabels 23 auf. Das Verbindungskabel 23 ist in das Innere des Großdisplaygehäuses 11 zu weiteren elektronischen Komponenten geführt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Bauteil 20, enthaltend den eigentlichen Sensor mit Dioden 24 und eine Signalvorverarbeitungselektronik auf der Leiterplatte 21 in einfacher Weise demontiert und kontrolliert, oder ausge­ tauscht werden, ohne daß ein Öffnen des Großdisplaygehäuses 11 erforderlich ist.

Hierdurch erhöht sich die Servicefreundlichkeit der gesamten Einrichtung. Darüber hinaus ist durch die gewählte halbkuge­ lige oder ellipsoide Gehäuseform des Gehäuses 14 eine Ver­ schmutzung mit Nachteilen hinsichtlich der Meßgenauigkeit der Einrichtung reduziert.

Die Fig. 4b zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Anordnung eines Referenztemperatursensors 30 am rohrförmigen Verbindungsstück 13. Der Temperatursensor 30 befindet sich innerhalb eines koaxial das rohrförmige Verbindungsstück 13 umgreifenden Rohrsegmentes 31, welches mindestens im Bereich der Anordnung des Temperatursensors 30 unten und oben offen ist, so daß Umgebungsluft (Pfeildarstellung) am Sensor vorbeistreichen kann, jedoch eine direkte Sonneneinstrahlung auf den Temperatursensor 30 verhindert wird.

Das Rohrsegment 31 wirkt also als Schattenkragen und Witte­ rungsschutz für den Temperatursensor 30.

Oberhalb des Rohrsegmentes 31 oder einen integralen Bestand­ teil desselben bildend, ist eine umlaufende Witterungs­ schutzkappe 32 angeordnet, die im wesentlichen eine Hutdach­ form aufweist. Die Witterungsschutzkappe 32 kann seitlich so weit heruntergezogen sein, daß sich eine zusätzliche Schattenwirkung bezogen auf das Rohrsegment 31 bzw. den Temperatursensor 30 ergibt.

Mittels der Erfassung einer Referenztemperatur kann gemäß einem Ausführungsbeispiel auf den Tagesverlauf bzw. den Tag- Nacht- Zyklus geschlossen werden und eine diskrete Darstellung der Temperatur mittels des Großdisplays erfolgen.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß es im Sinne der Erfindung liegt, die konstruktive Ausführungsform, insbe­ sondere die Anordnung und Ausführung des Displays sowie die Montage des Sensorkopfes in vielfältiger Weise abzuändern, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.

Alles in allem gelingt es mit der vorgeschlagenen Einrich­ tung, die bodennahe ultraviolette Strahlung der Sonne in Ab­ hängigkeit von der geographischen Lage sowie der Jahres- und Tageszeit sowie der Bewölkung, Bodenreflexion und dergleichen zu ermitteln.

Mittels der Einrichtung kann unter Berücksichtigung des Sonnenbrand- oder UV-Index eine effektive Anzeige unter Be­ rücksichtigung der Empfindlichkeiten der menschlichen Haut bezüglich der UV-Strahlung erfolgen.

Der Sonnenbrand- oder UV-Index ist dabei ein Maß für die Wirksamkeit der Sonnenstrahlung einen Sonnenbrand (Erythem) hervorzurufen. Dieser Index erfaßt die biologisch wirksame UV-Strahlung in einem Zeitraum von 6 Stunden, und zwar zwi­ schen 10 und 16 Uhr. Dies wird als Hauptaufenthaltszeitraum von Personen im Freien angesehen. Als Standardbewertungs­ grundlage für den Sonnenbrandindex wird der Hautempfind­ lichkeitstyp II, nämlich der hellhäutige, europäische Typ mit häufigem Sonnenbrand und mäßiger Bräunung angesehen.

Der Sonnenbrand- bzw. UV-Index 10 z. B. bedeutet, daß bei einem empfindlichen Hauttyp 2 in weniger als einer halben Stunde ein Sonnenbrand eintreten kann und daß beim Aufenthalt in der Sonne ein Sonnenschutzmittel erforderlich ist. Mit einer einfachen derartigen Anzeige, z. B. UV=10 sind also die betreffenden Personen in der Lage, individuell, ohne weitere Kenntnis, Sonnencremes mit entsprechenden Lichtschutzfaktoren einzusetzen und die maximale Verweildauer in der Sonne abzu­ schätzen.

Vorteilhaft ist der Sensorkopf fest angeordnet und muß nicht nach der Sonne ausgerichtet werden, um exakte Meßwerte auch über den Tagesverlauf zu bestimmen. Mit der Einrichtung wird außerdem die Möglichkeit gegeben, über ein Tastaturenbedien­ feld dem Nutzer interaktiv zu gestatten, Aussagen über die aktuelle Gefährdung durch die UV-Strahlung zu gewinnen und eine personengebundene Prognose über den sichersten Schutz vor einer Überdosis erythemwirksamer UV-Strahlung und die empfohlene maximale Verweildauer in der Sonne zu erstellen.

Die vorbeschriebene Einrichtung stellt demnach ein univer­ selles, robustes und störunanfälliges Routinemeßgerät dar, das unter allen sommerlichen und winterlichen Witterungssi­ tuationen bei entsprechendem Sonnenschein im Freien zuver­ lässig arbeitet.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Bestimmung der UV-Strahlungsstärke und -dosis mittels UV-empfindlicher Sensoren mit folgenden Merkmalen:

• - stationsartiger Aufbau mit einem Sensorkopf, einem Großdisplay sowie einem langgestreckten Standfuß als Träger des Großdisplays und des Sensorkopfes, wobei im Standfuß Mittel zur interaktiven Kommunikation sowie zur zusätzlichen Datenausgabe sowie Mittel zum elektronischen Bewerten erhaltener Sensorsignale sowie der Ausgabe von Daten zum Betreiben des Großdisplays vorgesehen sind;
• - Anordnung des Sensorkopfes oberhalb und beabstandet vom Großdisplay zur Gewährleistung eines freien ungestörten Strahlungseinfalles sowie Anordnung einer Stromversorgung zum autarken, netzfreien Betreiben der Einrichtung
• - Anordnung der UV-Sensoren im Sensorkopf derart, daß die Flächennormalen der UV-Sensoren ein rechtwinkliges Koordinatensystem aufspannen, wobei die UV-Sensoren an den Seitenflächen eines Quaders oder Würfels im wesent­ lichen frei von einer Winkelabweichung befindlich sind und wobei die Seitenflächen des Quaders oder Würfels so gerichtet sind, daß deren Flächennormalen zu den Ein­ heitsvektoren des Koordinatensystems parallel stehen zur strahlungswinkelunabhängigen vektoriellen Ermittlung der einfallenden UV-Strahlung, wobei weiterhin die Empfind­ lichkeit von als UV-empfindlichen Sensoren eingesetzten UV-Dioden in Abhängigkeit vom Strahlungseinfallswinkel gleich ist und einer Kosinus- oder Kosinus-Quadrat-Funk­ tion entspricht sowie einem Steuerrechner als elektroni­ sches Mittel zur Bestimmung der tatsächlichen erythem­ wirksamen Strahlung mittels vorgegebener Kalibrierung;
• - Normierung der erhaltenen UV-Strahlungsstärke und -dosis Meßwerte auf einen Sonnenbrand- oder UV-Index und Anzeige des Indexwertes über das Großdisplay.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Steuerrechner weitere Sensoren zur Bestimmung der Luft- und/oder Wassertemperatur und/oder des Ozongehaltes angeschlossen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch, den Einsatz an oder in öffentlichen Badestränden, Strandbädern, Kurhotels und Kliniken, Kreuzfahrtschiffen oder dergleichen zur Auswertung und Darstellung momenta­ ner oder vorhergesagter UV-Belastung.

4. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch optische und/oder akustische Mittel zum Anzeigen des Überschreitens eines vorgegebenen Bestrahlungsstärke- oder -dosiswertes.

5. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anzeige eines Tendenzwertes zur Vorhersage der Strahlungsbelastung in folgenden Zeitabschnitten.

6. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Eingabetastatur zur Eingabe des Hauttypes und/oder bereits verwendeter Sonnenschutzmittel zur individuellen Anzeige der Strahlungsbelastung und/oder der schädi­ gungsfreien Zeit zum Fortsetzen oder Ausführen eines Sonnenbades unter den jeweiligen örtlichen Bedingungen.

7. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ortsfesten oder mobilen Aufbau.

8. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Stromversorgung durch mittels Solarzellen gepufferte Akkumulatoren.