DE19733383A1 - Unit for permanent determining of radiation density, e.g. of daylight, in spherical space and surrounding surfaces - Google Patents
Unit for permanent determining of radiation density, e.g. of daylight, in spherical space and surrounding surfacesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur permanenten Erfassung der Strahlungsdichte, vorzugsweise des Tageslichtes bei gleichzeitiger separater Erfassung der Globalstrahlung.The invention relates to a device for the permanent detection of the radiation density, preferably of daylight with simultaneous separate detection of global radiation.
Zur Messung der Leuchtdichte für die Bestimmung der Beleuchtungsverhältnisse in Innenräumen von Gebäuden wurde eine Einrichtung nach DE-OS 34 05 192 A1 vorgeschlagen, bei der relevante Bereiche der Umgebungsflächen des Außenraumes in Raumwinkelbereiche unterteilt werden und bei der die Leuchtdichte der jeweiligen Ausschnitte einzeln mittels Meßzellen je Teilfläche gemessen und getrennt ausgewertet werden.To measure the luminance for the determination of the lighting conditions indoors Buildings have been proposed a facility according to DE-OS 34 05 192 A1, in the relevant areas the surrounding areas of the exterior are divided into solid angle areas and in which the Luminance of the respective cutouts measured and separated individually using measuring cells per partial area be evaluated.
Eine Ausführungsform sieht vor, daß im radialen Mittelpunkt der Einrichtung ein allseitig schwenkbares und mit einer Meßzelle versehenes Instrument so angeordnet ist, daß alle Raumwinkelbereiche der Reihe nach von der Meßzelle bestrichen werden. Das Instrument ist hierzu bogenförmig schwenkbar auf einem Drehteller angeordnet.One embodiment provides that in the radial center of the device on all sides pivotable and provided with a measuring cell instrument is arranged so that all Solid angle areas are swept in sequence by the measuring cell. The instrument is for this arranged in an arcuate manner on a turntable.
Eine bevorzugte Ausführungsform zur gleichzeitigen Messung der Leuchtdichte aller maßgeblichen Umgebungsflächen sieht vor, daß eine Vielzahl von Meßzellen in einem Meßkopf angebracht ist, die über seine Oberfläche, radial zum Mittelpunkt fixiert sind, wobei jede der Meßzellen einen Raumwinkelbereich erfaßt. Zur Vermeidung der Aufnahme von Seitenlichtstrahlen sind die Fotoelemente in einem, insbesondere kegelstumpfförmigen Rohrstück angeordnet.A preferred embodiment for the simultaneous measurement of the luminance of all relevant Surrounding surfaces provide that a multiplicity of measuring cells are mounted in a measuring head over its surface, are fixed radially to the center, each of the measuring cells one Solid angle range detected. To avoid the inclusion of side light rays are the Photo elements arranged in a, in particular frustoconical tube piece.
Für eine globale zeitlich unverzögerte Leuchtdichtenmessung eignet sich die erste Ausführungsform nicht. Zugleich ist sie durch ihre Mechanik sehr bauaufwendig und somit auf die Dauer nicht störungsfrei.The first embodiment is suitable for global instantaneous luminance measurement Not. At the same time, due to its mechanics, it is very complex and therefore not permanent trouble-free.
Bei der zweiten Ausführungsform ergibt sich durch die Vielzahl der in Rohrstücken untergebrachten Fotozellen ebenfalls ein verhältnismäßig großer meßtechnischer wie auch bautechnischer Aufwand. Damit sind Funktionsstörungen nicht auszuschließen.In the second embodiment, the large number of housed in pipe sections Photocells are also a relatively large measurement and construction effort. Malfunctions cannot be ruled out.
Zusätzlich erfordern beide Ausführungsformen eine zentrale Auswerteeinheit zur Bestimmung der mittleren Leuchtdichte bzw. zur getrennten Anzeige der Leuchtdichte, der den Raumwinkelbereichen zugeordneten Ausschnitte des Himmels und/oder der Umgebungsflächen.In addition, both embodiments require a central evaluation unit for determining the average luminance or for separate display of the luminance, the solid angle ranges assigned sections of the sky and / or the surrounding areas.
Zur Erfassung der extraterrestrischen Globalbestrahlung ist auch ein Pyranometer nach Sonntag /1/ bekannt, das mit einer galvanisch erzeugten Thermosäule arbeitet. Entsprechend dem benutzten Meßprinzip sind besondere Maßnahmen notwendig, um einen Wärmestau wie auch zu starke Wärmeschwankungen im Bereich der Thermosäule mit negativen Einfluß auf die Nullverschiebung auszuschließen.To record the extraterrestrial global radiation, a pyranometer after Sunday / 1 / known that works with a galvanically generated thermopile. According to the used Measuring principle, special measures are necessary to prevent heat build-up as well as excessive Thermal fluctuations in the area of the thermopile with a negative influence on the zero displacement to exclude.
Ein nach gleichem Prinzip arbeitendes konstruktiv vereinfachtes Pyranometer fertigt die Firma Kipp & Zonen, Delft (NL) /21. Auch bei diesen Gerät sind konstruktive Maßnahmen vorgesehen, um absorbierte Wärme sicher abzubauen, u. a. durch eine gute Belüftung der Glaskugelabdeckung. Im Extremfall durch eine künstliche Ventilierung.The Kipp & company manufactures a structurally simplified pyranometer that works on the same principle. Zones, Delft (NL) / 21. In this device, too, constructive measures are provided to absorb Safely dissipate heat, u. a. due to good ventilation of the glass ball cover. In extreme cases through artificial ventilation.
Bekannt ist auch ein Sonnenscheindauer- und Energiesensor (DE PS 3 127 086), der die Bestrahlungsstärke des einfallenden Lichtes über eine drehende Schlitzblende und einem mitgeführten rotationssymmetrischen Lichtleiterkopf aufnimmt und einem am Ende befindlichen Fotodetektor zuleitet. Zwischen zwei Drehbewegungen unterbricht eine Blende den Strahlungsfluß zum Abgleichen des Fotodetektors.Also known is a sunshine duration and energy sensor (DE PS 3 127 086), which the Irradiance of the incident light via a rotating slit diaphragm and an entrained one rotationally symmetrical optical fiber head and feeds a photodetector located at the end. Between two rotary movements, an aperture interrupts the radiation flow to balance the Photo detector.
Neben der zeitaufwendigen Meßmethode ist diese Einrichtung wegen ihrer Mechanik kompliziert und bauaufwendig. Funktionsunterbrechungen oder Ausfälle sind bei längeren Betrieb nicht auszuschließen und erfordern zusätzliche Wartungsaufwendungen.In addition to the time-consuming measuring method, this device is complicated due to its mechanics and construction-intensive. Functional interruptions or failures cannot be ruled out during extended operation and require additional maintenance.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache widerstandsfähige optoelektronische Einrichtung zur permanenten Erfassung der Strahlungsdichte des einfallenden Tageslichtes und des Streu- und Reflexionslichtes von den die Einrichtung umgebenden äußeren Flächen zu schaffen. Als separate Meßgröße soll dabei die tägliche extraterrestrische globale Sonnenstrahlung (Globalstrahlung) bezogen auf eine horizontale Flächeneinheit erfaßt werden.The object of the invention is to provide a simple, robust optoelectronic device for permanent recording of the radiation density of the incident daylight and the scattering and To create reflection light from the outer surfaces surrounding the device. As a separate Measured variable should refer to the daily extraterrestrial global solar radiation (global radiation) be recorded on a horizontal unit area.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist Gegenstand des ersten bis elften Patentanspruches. The device according to the invention is the subject of the first to eleventh claim.
In ihrer praktischen Ausführungsform besteht das Pyranometer aus einer Kugelkappe in der radial nach außen ausgerichtete (igelförmig) optische Lichtempfänger angeordnet sind, an die im Inneren optische Lichtleiter, vorzugsweise flexible Glasfaserlichtleiter angeschlossen sind, die in einem Tragring gebündelt enden und mit einer Photodiode in Wirkkontakt stehen. Der räumliche (polare) Abstand der Lichtempfänger zueinander ist so gewählt, daß sie statistisch gleich verteilt über die Oberfläche der Kugelkappe angeordnet sind und somit das einfallende Licht sphärisch flächendeckend erfaßt wird.In its practical embodiment, the pyranometer consists of a spherical cap in the radial direction externally aligned (hedgehog-shaped) optical light receivers are arranged to which optical ones inside Optical fibers, preferably flexible glass fiber optical fibers are connected in a support ring end bundled and are in active contact with a photodiode. The spatial (polar) distance of the Light receivers are chosen so that they are statistically equally distributed over the surface of the Ball cap are arranged and thus the incident light is detected spherically area-wide.
Als Lichtempfänger kann der optische Lichtleiter direkt vorgesehen sein, wobei dessen Eintrittsöffnung plangeschliffen und tangential zur Oberfläche der Kugelkappe ausgerichtet ist. Zur Erweiterung des Lichteinfallswinkel können an den Lichteintrittsflächen der einzelnen Lichtleiter Sammellinsen angebracht sein.The optical light guide can be provided directly as the light receiver, with its inlet opening is ground flat and aligned tangentially to the surface of the spherical cap. To expand the Light incidence angles can collect lenses on the light entry surfaces of the individual light guides to be appropriate.
Die Lichtleiter sind mit ihrer Austrittsöffnung plan und flächendeckend im Tragring gebündelt und stehen mit der Photodiode direkt oder aber über eine fokussierende Linse, die vor der Photodiode angeordnet ist, in Wirkkontakt.With their exit opening, the light guides are bundled flat and area-wide in the support ring stand with the photodiode directly or via a focusing lens in front of the photodiode is arranged in operative contact.
Zum Schutz der optischen Lichtempfänger vor Witterungseinflüssen, wie Wind, Regen und Staub ist die Kugelkappe mit einer strahlendurchlässigen Haube überdeckt, die aus schlierenfreiem Glas besteht.To protect the optical light receivers from weather influences such as wind, rain and dust Ball cap covered with a radiolucent hood made of streak-free glass.
Zur getrennten Erfassung der täglichen extraterrestrischen Globalstrahlung, d. h. die an einem Tag auf einer horizontalen Flächeneinheit empfangenen Sonnenstrahlen, ist die vorgeschlagene Einrichtung am Scheitelpunkt ihrer Kugelkuppe mit einer planen Fläche oder einer Ringfläche, die senkrecht zur Lotachse ausgerichtet ist, versehen. Auf dieser Fläche sind in gleichmäßiger Verteilung Lichtempfanger angeordnet, die unabhängig von den übrigen in der Kugelkuppe angeordneten Lichtleitern mit einer separaten Photodiode lichtoptisch gekoppelt sind. Zur vertikalen Strahlenaufnahme sind die parallel zur Lotachse ausgerichteten Lichtleiter auf ihrer Eintrittsseite plangeschliffen.For separate recording of the daily extraterrestrial global radiation, i.e. H. that in a day a horizontal surface unit received sun rays, the proposed device is on The apex of your ball dome with a flat surface or an annular surface that is perpendicular to the Perpendicular axis is provided. Light receivers are distributed evenly on this surface Arranged independently of the other light guides arranged in the ball dome with a separate photodiode are optically coupled. For vertical radiation absorption, they are parallel to Light guide aligned on the vertical axis is ground flat on its entry side.
Für die Erfassung der Globalstrahlung kann alternativ an Stelle der optischen Lichtempfänger die Planfläche mit einem, die Flächeneinheit verkörpernden Lichtleiterbündel bestückt sein.For the detection of global radiation, the optical light receiver can alternatively be used Flat surface can be equipped with a light guide bundle embodying the surface unit.
Die vorgeschlagene Einrichtung ermöglicht es, mit zwei Meßzellen permanent die Strahlungsdichte des Tageslichtes, des vorhandenen Streu- und Reflexionslichtes (Diode 6.1) sowie die Globalstrahlung (Diode 6.2) zu erfassen.The proposed device makes it possible to use two measuring cells to permanently record the radiation density of daylight, the existing scatter and reflection light (diode 6.1 ) and the global radiation (diode 6.2 ).
Der notwendige meßtechnische Aufwand ist relativ gering. Die benutzten optischen Lichtempfanger und Leiter sind relativ unempfindlich. Da mechanische Wirkelemente fehlen, besitzt die Einrichtung eine hohe Festigkeit und Robustheit und ist wärmeunempfindlich. Sie ist wetterfest und die elektrische Meßzelle (Photodioden) im Inneren der Einrichtung sind wartungsmäßig leicht erreichbar.The metrological effort required is relatively low. The optical light receivers and Conductors are relatively insensitive. Since mechanical active elements are missing, the device has one high strength and robustness and is insensitive to heat. It is weatherproof and the electric Measuring cell (photodiodes) inside the device are easily accessible for maintenance.
Nachfolgend soll die Erfindung an verschiedenen Ausfürungsformen beschrieben werden. Es zeigen:In the following, the invention will be described in various embodiments. Show it:
Fig. 1 ein Pyranometer im Längsschnitt mit einer Meßdiode, Fig. 1 is a pyranometer in longitudinal section with a measurement diode,
Fig. 2 ein Pyranometer mit horizontalem Flächenmeßsektor zur separaten Erfassung der Globalstrahlung, Fig. 2 is a pyranometer with horizontal Flächenmeßsektor for separate detection of global radiation,
Fig. 2a die Draufsicht auf das Pyranometer nach Fig. 2, Fig. 2a shows the top view of the pyranometer to Fig. 2,
Fig. 3 ein Pyranometer mit ringförmigen Flächenmeßsektor zur Erfassung der Globalstrahlung. Fig. 3 shows a pyranometer with an annular area measuring sector for detecting the global radiation.
Die Abbildung nach Fig. 1 zeigt die Einrichtung in einem Längsschnitt mit dem Sockel 1, in dessen Inneren die Photodiode 6 zur Bestimmung der Strahlungsdichte eines äußeren umgebenden Raumes und seiner reflektierenden Umgebungsflächen eingesetzt ist. Eine gesonderte Erfassung der Globalstrahlung erfolgt bei dieser Ausführung nicht.Inside which the picture of FIG. 1 shows the device in a longitudinal section with the base 1, the photodiode 6 is used to determine the radiance of an outer surrounding space and its reflective surrounding surfaces. The global radiation is not recorded separately in this version.
Auf dem Sockel 1 ist die Kugelkappe 2 befestigt. Radial strahlenförmig und in gleichmäßigen polaren Abständen sind über die Oberfläche verteilte Lichtempfänger 3 angeordnet. Sie bestehen aus einer Fassung 4 in die jeweils ein flexibler Glasfaserstrang als optischer Lichtleiter 5 eingeklebt ist. Die Lichteintrittsfläche ist bei diesem Lichtleiter 5 plangeschliffen.The ball cap 2 is fastened on the base 1 . Radially radiating and at uniform polar distances, light receivers 3 are arranged distributed over the surface. They consist of a socket 4, in each of which a flexible glass fiber strand is glued in as an optical light guide 5 . The light entry surface is face-ground in this light guide 5 .
Die Lichtleiter 5 aller Lichtempfänger 3 sind vor der Photodiode 6 gebündelt und in einem Tragring 10 fest eingeklebt. Auf ihrer Lichtaustrittsseite sind sie flächenplan und parallel zur Photodiode 6 ausgerichtet. Zwischen den gebündelten Lichtleitern 5 und der Photodiode 6 ist eine Sammellinse 9 angeordnet. Damit ist sichergestellt, daß das Licht und alle reflektierte Lichtstrahlung des äußeren umgebenden Raumes permanent ohne wesentlichen Strahlungsverlust erfaßt und ohne eine weitere rechentechnische Verarbeitung als qualitativ unverfälschter aussagefähiger Mittelwert der Strahlungsdichte zur Anzeige gebracht wird.The light guides 5 of all light receivers 3 are bundled in front of the photodiode 6 and firmly glued into a support ring 10 . On their light exit side they are planar and aligned parallel to the photodiode 6 . A converging lens 9 is arranged between the bundled light guides 5 and the photodiode 6 . This ensures that the light and all reflected light radiation from the outer surrounding space is permanently detected without significant radiation loss and is displayed as a qualitatively unadulterated, meaningful mean value of the radiation density without further computational processing.
Über der Kugelkappe 2 ist als Wetterschutz die strahlendurchlässige Schutzhaube 7 aufgesetzt und wasserdicht mittels einer Dichtung 8 auf dem Sockel 1 aufgeschraubt.The radiation-permeable protective hood 7 is placed over the ball cap 2 as weather protection and is screwed onto the base 1 in a watertight manner by means of a seal 8 .
In Fig. 2 ist eine Einrichtung dargestellt, die zur separaten Erfassung der täglichen auf eine Flächeneinheit einfallenden Sonnenstrahlung auf ihrer Kugelkappe 2 in ihrem Scheitelpunkt senkrecht und zentrisch zur Lotachse mit einer Planfläche 2.1 versehen ist. Auf dieser Planfläche 2.1 sind mehrere in gleichen Abständen um die Lotachse verteilte Lichtempfänger 11 mit horizontalen und planen Eintrittsöffnungen angeordnet. Sie sind über flexible Glasfaser-Lichtleiter 5 mit einer auf der Austrittsseite im Strahlenausgang flächendeckenden Photodiode 6.2 lichtoptisch gekoppelt. Dazu sind die Lichtleiter 5 auf ihrer Austrittsseite in einem Tragring 10.2 gebündelt, eingeklebt und plan geschliffen.In Fig. 2, a device is shown, which is provided for the separate detection of the daily solar radiation incident on a surface unit on its spherical cap 2 at its apex perpendicular and centrally to the perpendicular axis with a plane surface 2.1 . A plurality of light receivers 11 with horizontal and planar inlet openings are arranged on this plane surface 2.1 at equal intervals around the vertical axis. They are light-optically coupled via flexible glass fiber light guides 5 to a photodiode 6.2 covering the entire area on the exit side in the radiation output. For this purpose, the light guides 5 are bundled on their exit side in a support ring 10.2 , glued in and ground flat.
Die übrigen Lichtempfanger 3 in der Fassung 4 zur permanenten Erfassung der Strahlungsdichte in der Kugelkappe 2 sind mit ihren Lichtleitern 5 auf der Austrittsseite in einem Tragring 10.1 gebündelt eingeklebt, plangeschliffen und ohne Sammellinse mit einer den Strahlengang überdeckenden Photodiode 6.1 lichtoptisch gekoppelt.The other light receivers 3 in the version 4 for the permanent detection of the radiation density in the spherical cap 2 are glued together with their light guides 5 on the exit side in a support ring 10.1, plane-ground and without optical lens coupled to a photodiode 6.1 covering the beam path.
Fig. 2a zeigt in der Draufsicht auf die Kugelkuppel 2 die Planfläche 2.1 mit ihren zentrisch gleichmäßig verteilten Lichtempfängern 11 und auf der übrigen Kugelkappe 2 die Lichtempfänger 3 in ihrer Fassung 4. Fig. 2a shows a top view of the ball dome 2 the plane surface 2.1 with their centrally uniformly distributed light receivers 11 and on the other spherical cap 2, the light receiver 3 in its socket 4.
Die Planfläche 2.1 kann auch an Stelle der Lichtempfänger 11 durch einen, die Flächeneinheit verkörpernden Lichtleiter (5) bestückt sein.Instead of the light receivers 11 , the flat surface 2.1 can also be equipped with a light guide ( 5 ) embodying the surface unit.
Die Einrichtung nach Fig. 3 unterscheidet sich gegenüber der Ausführung nach Fig. 2 dadurch, daß die Flächeneinheit für die Erfassung der Globalstrahlung eine im Bereich des Scheitelpunktes der Kugelkappe 2 zentrisch zur Lotachse der Einrichtung eine Ringfläche 2.2 ist, auf der in gleichmäßigen Abständen die erforderlichen Lichtempfänger 11 angeordnet sind. Alle übrigen technisch-konstruktiven Merkmale der Einrichtung zur lichtoptischen Strahlenerfassung und bezüglich der konstruktiven Ausführungsform der Einrichtung, wie in Fig. 1 gezeigt, sind identisch.The device according to FIG. 3 differs from the embodiment according to FIG. 2 in that the surface unit for the detection of the global radiation is an annular surface 2.2 in the area of the apex of the spherical cap 2 centered on the perpendicular axis of the device, on which the required ones are placed at regular intervals Light receivers 11 are arranged. All other technical-constructive features of the device for light-optical radiation detection and with regard to the constructive embodiment of the device, as shown in FIG. 1, are identical.
Fig. 3a zeigt nochmals die Kugelkappe 2 mit der Ringfläche 2.2, die auf ihren Teilkreis angeordneten Lichtempfängern 11 und die übrigen Lichtempfänger 3 mit Fassung 4 in der Draufsicht. Fig. 3a shows again the spherical cap 2 with the annular surface 2.2, which are arranged on their pitch circle of light receivers 11 and the other light receiver 3 with socket 4 in plan view.
/1/ D. Sonntag
Lehrbrief für Aus- und Weiterbildung der Fachschule für Meteorologie
Messung der Strahlung
Herausgeber: Ingenieurschule für Geodie und Kartographie, Dresden 1981, S. 50-57
/2/ Prospekt
Fa. Kipp & Zonen, Delft (NL)
Bedienanleitung zum Pyranometer CM 11/ 1 / D. Sunday
Teaching letter for education and training of the technical school for meteorology measurement of radiation
Publisher: School of Engineering for Geography and Cartography, Dresden 1981, pp. 50-57
/ 2 / prospectus
Kipp & Zonen, Delft (NL)
Operating instructions for the pyranometer CM 11
11
Sockel
base
22nd
Kugelkappe
Ball cap
2.12.1
Planfläche
Flat area
2.22.2
Ringfläche
Ring surface
33rd
Lichtempfänger
Light receiver
44th
Fassung
Frame
55
Lichtleiter
Light guide
66
((
6.16.1
, ,
6.26.2
) Photodiode
) Photodiode
77
Schutzhaube
Protective cover
88th
Dichtung
poetry
99
Sammellinse (bikonvex)
Converging lens (biconvex)
1010th
((
10.110.1
,,
10.210.2
) Tragring
) Support ring
1111
Lichtempfänger
Light receiver
Claims (11)
Priority Applications (1)
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Country Status (1)
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| DE (1) | DE19733383A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0942632A1 (en) * | 1998-03-13 | 1999-09-15 | Vishay Semiconductor GmbH | Optoelectronic day light sensor |
| DE10057349A1 (en) * | 2000-11-19 | 2002-05-23 | Wolfgang Scheubel | Rain warning sensor based on measurement and analysis of the sunlight radiation spectrum and the radiation spectrum arising from air borne gases and aerosols, yielding improved rain prediction |
-
1997
- 1997-08-01 DE DE19733383A patent/DE19733383A1/en not_active Ceased
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0942632A1 (en) * | 1998-03-13 | 1999-09-15 | Vishay Semiconductor GmbH | Optoelectronic day light sensor |
| DE10057349A1 (en) * | 2000-11-19 | 2002-05-23 | Wolfgang Scheubel | Rain warning sensor based on measurement and analysis of the sunlight radiation spectrum and the radiation spectrum arising from air borne gases and aerosols, yielding improved rain prediction |
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