DE2731439C3

DE2731439C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der an einem Ort empfangenen Sonnenenergie

Info

Publication number: DE2731439C3
Application number: DE2731439A
Authority: DE
Inventors: Gilbert Toulouse Pizzi (Frankreich)
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1976-07-13
Filing date: 1977-07-12
Publication date: 1980-06-26
Also published as: FR2358645A1; FR2358645B1; US4168124A; DE2731439B2; GB1589114A; DE2731439A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer solchen, aus der US-PS 36 17 137 bekannten Vorrichtung ist der Empfänger für die Sonnenstrahlungsenergie durch einen lichtempfindlichen Widerstand gebildet, der mit einem Elektromotor, einem einstellbaren Widerstand und einer Spannungsquelle in Reihe geschaltet ist. Der Elektromotor dient dabei als Wandler, während der einstellbare Widerstand als Schwellwertschaltung wirkt. Die Antriebswelle des Elektromotors ist über eine Zahnradübertragung mit einem mechanischen Zähler verbunden. Trifft auf den lichtempfindlichen Widerstand Sonnenstrahlung, so wird dessen Widerstandswert in Abhängigkeit von der Intensität der auftreffenden Sonnenstrahlung enlsprechend verringert Dadurch fließt ein Strom bestimmter Größe durch die Reihenschaltung und speist den Elektromotor, der sich um so schneller dreht, je geringer der Widerstandswert des lichtempfindlichen Widerstandes, d.h. je größer die auf dem üchtempfindTichen

ι ο Widerstand auftreffende Strahlungsintensität ist

Je schneller sich der Elektromotor dreht, um so schneller erhöht sich der Zählerstand des mechanischem Zählers. Mit Hilfe des einstellbaren Widerstandes kann der Strom in Verbindung mit dem Widerstandswert des lichtempfindlichen Widerstandes in der Reihenschaltung so begrenzt werden, daß der Elektromotor sich erst zu drehen begini>t, wenn nach Sonnenaufgang die Sonnenstrahlung mit einer bestimmten Mindestintensilät auf dem lichtempfindlichen Widerstand auftrifft. In gleicher Weise ist dadurch auch eine bestimmte Mindestintensität der Sonnenstrahlung festgelegt nach deren Unterschreiten infolge des Sonnenuntergangs der Elektromotor wieder stillgesetzt: wird. Unabhängig oder zusätzücn zu diesem einstellbaren Widerstand, der als Schwellwertschaltung wirkt, kann bei der bekannten Vorrichtung ein von einer Uhr gesteuerter Schalter in die Reihenschaltung eingeschaltet sein, um den Stromkreis zu tiner z. B. mit dem Sonnenaufgang zusammenfallenden ersten Zeit zu schließen und zu einer zweiten,

z. B. mit dem Sonnenuntergang zusammenfallenden zweiten Zeit zu unterbrechen. Diese bekannte Vorrichtung wird im wesentlichen dazu benutzt, die während einer bestimmten Zeitdauer an einem bestimmten Ort empfangene Sonnenstrahlungsintensität festzustellen, die z. B. auch auf mit Farben gestrichenen Flächen auftrifft, um die Sonnenechtheit dieser Farbanstriche zu prüfen.

Aus der DE-AS 23 46 917 ist ein Gerät zum Messen einer Dosis von UV-Strahlung bekannt mit dem die z. B.

bei der Bestrahlung eines Patienten abgegebene UV-Strahlungsmenge festgestellt werden -soll. Das bekannte Gerät benutzt dazu einen unter einem Filter angeordneten fotoelektrischen Empfänger, der damit auf einen bestimmten gewünschten Bereich der UV-Strahlung selektiv anspricht und ein der Intensität dieser entsprechendes Analogsignal abgibt. Dieses Analogsignal wird in einem einen Oszillator steuerbarer Frequenz aufweisenden Spannungs-Frequenz-Umsetzer in ein Signal mit der Spannung proportionaler

so Frequenz umgewandelt, das als Impulssignal an einen Zähler gegeben wird, wo diese Impulse gezählt werden. Der jeweilige Zählerstand gibt dann die auf dem fotoelektrischen Empfänger aufgetroffene UV-Strahlungsmenge an.

Aus der DE-OS 24 05 567 ist eine Vorrichtung zur Messung der an einem Ort empfangenen Sonnenstrahlung bekannt, bei der das von einem photoelektrischen Empfänger gelieferte Signal an einen Differenzverstärker gegeben und das erhaltene Spannungssignal in einem Integrator integriert wird, dessen Integrationskonstante mittels Schaltern einstellbar ist. Das integrierte Signal wird an eine Schwellwertschaltung gegeben und die den Schwellwert übersteigenden Signale werden an einen Transistor gelegt, der die Arbeitsweise eines Zählers auslöst. Bei dieser bekannten Vorrichtung liegt das Eingangssignal dauernd am Integrator, der ständig mit Energie versorgt wird. Die Baugruppe aus dem Differenzverstärker, dem Integrator und der

Schwellwertschalümg, die in Reihe angeordnet sind, DÜdet eine Meßkette, die das ursprüngliche Signal in ein die Sonnenstrahlungsenergie angebendes Signal umsetzt Bei einer derartigen Vorrichtung können des Nachts Fremdsignale oder ein Kurzschluß des Integrators einen Zählvorgang bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß mit Hilfe einer einfachen und funktionszuverlässigen Schaltung tatsächlich nur die an einem bestimmten Ort empfangene Sonnenenergie gemessen und das erhaltene Meßergebnis nicht durch z. B. während der Nacht auftretende Störsignale verfälscht wird.

Diese Aufgabe «ird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäSe Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der bei der bekannten Vorrichtung als Umsetzer benutzte Elektromotor durch einen Spannimgs-Frequenz-Umsetzer ersetzt ist, der das Ausgangssigna! des Empfängers für die Sonnenenergie in eine proportionale Frequenz umformt Außerdem ist die Schwellwertschaltung unmittelbar mit dem Ausgang des Empfängers für die Sonnenenergie und mit einem Schalteingang des Zählers verbunden, so daß der Zähler immer nur dann wirksam geschaltet wird, wenn das von dem Empfänger für die Sonnenenergie abgegebene Ausgangssignal nach Sonnenaufgang einen bestimmten ersten Schwellwert überschreitet und vor Sonnenuntergang noch über einem bestimmten zweiten Schwellwert liegt der vorzugsweise geringer als der erste Schwellwert ist Der Zähleingang des Zählers ist mit dem Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umformers verbunden. Dadurch wird sichergestellt, daß in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Empfängers für die Sonnenenergie der Zähler eingeschaltet wird, damit er die vom Spannumjs-Frequenz-Umsetzer abgegebenen Impulse zählen kann, oder aber abgeschaltet wird, so daß er selbst dann nicht weiterzählt, wenn er an seinem Zähleingang Impulse vom Ausgang des Spannungs-Frequenz-Umformers erhält Das Ausgangssignal des Empfängers für die Sonnenenergie wird also in zwei parallelen Signalkanälen einmal zur Erzeugung eines impulsförmigen Zählsignals und einmal zur Umschal- <r, tung der Schwellwertschaltung benutzt. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist daher eine sehr zuverlässige und hei unterschiedlichen Schwellwerten vorzunehmende Ein- und Abschaltung des Zählers und auch des Spannungs-Frequenz-Wandlers möglich, wodurch mit Sicherheit ausgeschlossen wird, daß nach dem Unterschreiten des bestimmten zweiten Schwellwertes oder vor überschreiten des bestimmten ersten Schwellwertes irgendwelche Störsignale von dem Zähler gezählt werden können und damit das Meßergebnis verfälschen würde. Bei der bekannten Vorrichtung ist durch den in der Reihenschaltung vorgesehenen Elektromotor dagegen bei einem Kurzschluß innerhalb der Reihenschaltung oder aber eingespeisten Störsignalen eine unerwünschte Drehung H»s Elektromotors und bo damit Weiterstellung des ine-Jiawschen Zählers möglich. Außerdem ist der Energieverbrauch bei der bekannten Vorrichtung relativ hoch, da auch selbst bei einem Stillstand des Elektromotors noch ein bestimmter Strom durch den Elektromotor und die zugeordnete Reihenschaltung fließt Bei der neuen Vorrichtung ist dagegen mit Hilfe der Schwellwertschaltung auch eine Abschaltung der Spannungsversorgung nicht nur für den Zähler sondern auch 2. B. für den Spannungs-Frequenz-Umsetzer möglich, v/odurch nur minimale Energie für die Messung verbraucht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels, F i g. 2 ein mehr ins Einzelne gehendes Schaltbild des Ausführungsbeispiels,

F i g. 3 den Aufbau der Schwellwertschaltung bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel und

F i g. 4 die Arbeitsbedingungen des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung.

Wie in F i g. 1 dargestellt ist enthält das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung einen Empfänger 1 für die Sonnenenergie und eine elektronische Baugruppe 2, die insbesondere einen Zähler mit einem Druckwerk 3 und einer selbständigen Energieversorgung 9 einschließt "

Der Empfänger ist beispielsweise eine an sich bekannte Sonnenfotozelle auf einem einstellbaren Träger.

Das Fotoelement ist auf einem in Form eines Blockes ausgebildeten Träger angebracht Es ist durch eine aufgeklebte Glasplatte geschützt Diese Baugruppe ist über ein zweiadriges abgeschirmtes Kabel mil der elektronischen Baugruppe verbunden. Die Fotozelle weist einen Lastwiderstand auf, dessen Widerstandswert derart gewählt ist, daß sich die folgende Beziehung zwischen dem Strom und dem Sonnenenergiefluß ergibt: 1 mA -► 1 W/cm².

Die elektronische Baugruppe 2 umfaßt einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 4, einen Frequenzteiler 5 und eine Steuerschaltung 6 für den Zähler mit Druckwerk, eine Schwellwertschaltung 7, die ein Tag-Nacht-Signal liefert, das die Aufzeichnung steuert sowie seinen Anschlußbaustein 8 zum Zähler mit Druckwerk, wobei das Druckwerk ein elektromechanisches Druckwerk mit sechs Ziffern ist, das einen Ausdruck auf einem Papierstreifen liefert, wobei die Ablesung direkt in Wattstunden pro m² pro Tag erfolgt, und eine Versorgungseinrichtung 9, die von einer Platte gebildet wird, die eine Gruppe von Sonnenzellen trägt, die eine Batterie versorgen, an die sich ein Wandler anschließt, der die zum Arbeiten der elektronischen Baugruppe passenden Versorgungsspannungen liefert. Das Sonnenzellenfeld kann auch durch einen Netzanschluß ersetzt sein.

Im folgenden werden im einzelnen anhand der Fig.2 —4 die Arbeitsweise und der Aufbau der Vorrichtung beschrieben.

Der Empfänger 1 liefert eine Spannung in einem Arbeitsbereich von etwa 1 mV bis 200 mV, die proportional der zu jedem Zeitpunkt empfangenen Sonnenstrahlungsenergie ist. Diese Spannung wird im Verstärker A t (F i g. 2) verstärkt.

Die verstärkte Spannung dient als Steuerparameter für einen Oszillator 4 mit veränderlicher Frequenz, der eine Frequenz, die proportional der Eingangsspannung ist, beispielsweise von 10 Hz/mV liefert. Der Verstärkungsfaktor und der Proportionalitätsfaktor zwischen der Frequenz und der Spannung sind so gewählt, daß die Frequenz beispielsweise 1 Hz bei einer empfangenen Sonnenstrahlungsenergie von 1 W/m² beträgt.

Die Frequenz wird in dem Frequenzteiler 5 durch geteilt und in dem Zähler 10 des Zählers mit Druckwerk gezählt Die Teilung durch 3600 ermöglicht es, die gesamte empfangene Energie in Einheiten von Wh/m² zu addieren.
Eine Schwellwertschaltung 11 mit Hysterese ist dazu

vorgesehen, den Anbruch des Tages bei etwa 15 bis 20 W/m² und den Einbruch der Nacht bei etwa 5 W/m² festzustellen.

Wie es in Fig.3 dargestellt ist, besteht diese Schwellwertschaltung aus einem Verstärker A 2 mit einem invertierenden Eingang und einem nicht invertierenden Eingang, der einen Vergleicher bildet. Am Verstärker A 2 liegt über einen Widerstand R 1 die Ausgangsspannung des Verstärkers A i.

Der Verstärker Λ 2 liefert ein Ausgangssignal von entweder beispielsweise -9 V am Tag oder von +9 V in der Nacht.

Des Nachts beträgt die Spannung an seinem nichtinvertierenden Eingang

R4(R2

χ 9V

R2 R3

und wenn das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 über diesen Wert, nämlich den ersten Schwellwert ansteigt, kommt das Ausgangssignal des Verstärkers A 2 sofort auf —9 V, so daß sich eine neue Spannung am nichtinvertierenden Eingang ergibt, die

Rl RA - R3 - R4

R2 · R4 + R3 ■ R4 + R2 · R3

χ 9V

beträgt und den zweiten Schwellwert darstellt

Am Tage bleibt die Spannung am nichtinvertierenden Eingang auf diesem Wert, bis bei Einbrechen der Nacht die Eingangsspannung unter diesen Wert abfällt und das Ausgangssignal des Verstärkers A 2 erneut umspringen läßt.

Der Schwellwert wird mit einer Hysterese erreicht, damit frei von dem einen Zustand in der Nacht in den Zustand des Tages übergegangen werden kann, ohne daß eine zögernde Umschaltung bei Annäherung an ein Änderungsniveau auftritt

Das Ausgangssignal des Verstärkers A 2 liegt an einer Baugruppe aus zwei Transistoren, die so geschaltet sind, daß sie an zwei verschiedenen Ausgängen ein Signal für den Tag oder ein Signal für die Nacht abgeben: Am Tage beträgt das Tagesausgangssignal 9 V und das Nachtausgangssignal 0 V, des Nachts sind die Verhältnisse genau umgekehrt

Die Schwellwertschaltung gibt somit entweder ein Tagessignal oder ein Nachtsignal ab.

Ein monostabiler Multivibrator 12 (F i g. 2) erfaßt den Übergang zwischen der Nacht und dem Tag und dient dazu, den Zähler 10 auf Null zurückzusetzen und somit die Messung auszulösen, den durch 3600 teilenden Frequenzteiler auf Null zurückzusetzen und den Oszillator 4 an Spannung zu legen, damit der Zählvorgang ausgelöst wird.
Wenn das Rücksetzen auf Null durchgeführt ist, beginnt der Zählvorgang. Jeder ankommende Impuls wird addiert.

Wenn die Nacht anbricht, ermittelt die Schwellwertschaltung den entsprechenden Schwellwert von 5 W/m², der aufgrund der Hysterese viel kleiner als der Schwellwerk für den Anbrach des Tages ist

Ein monostabiler Multivibrator 13 ermittelt den Übergang zwischen dem Tag und der Nacht und dient dazu, das Ausdrucken des Gesamtinhalts des Zählers durch den Drucker zu befehlen.

Der monostabile Multivibrator dient gleichzeitig dazu, die Speisung des Oszillators zu unterbrechen, um zu vermeiden, daß sich während des Ausdruckens der Zählerstand ändert, d. h. um die Gefahr eines fehlerhaften Ausdruckes zu vermeiden.

Der Zähler addiert somit die Zahl der Wh/m², die während des Tages empfangen wurden oder genauer, die Zahl der Wh/m², die von dem Zeitpunkt Hd an, zu dem die empfangene Energie den kleinsten Schwellwert des Morgens erreicht, bis zu dem Zeitpunkt Ha empfangen wurde, an dem diese Energie bis auf den kleinsten Schwellwert des Abends abgefallen ist

F i g. 4 zeigt beispielsweise die Kurve des Verlaufes der Intensität /des vom Empfänger gelieferten Stromes als Funktion der Zeit während eines Tages.

Wird der Nennwert der Sonnenstrahlung betrachtet, der bei schönem Wetter und bei 25° C erhalten wird, so ist der Schwellwert des Tages derart gewählt, daß er 2% dieses Wertes entspricht, und der Schwellwert der Nacht Ha ist derart gewählt, daß er 0,5% dieses Wertes entspricht. Natürlich können diese Werte den Erfordernissen entsprechend verändert werden.

Abgesehen von ihrer Einfachheit hat die Vorrichtung den Vorteil, daß sie mit einem wesentlich geringeren Aufwand an Energieversorgung arbeiten kann, da der Betrieb der Vorrichtung auf die interessanten Aufzeichnungszeiten beschränkt ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

b) • Patentansprüche:

1. Vorrichtung -zur Messung der Energie der an ememOrt empfangenen Sonnenstrahlung mit
a) einem der Sonnenstrahlung an dem betreffenden Ort ausgesetzten photoelektrischen Empfängen,

einem Wandler zur Umsetzung des Ausgangssignals des photoelektrischen Empfängers in Zähfimpulse einer .der Größe des Ausgangssignals entsprechenden Folgefrequenz,

c) einem von den Zählimpulsen beaufschlagten Zähler, sowie

d) einer den Zählvorgang mit Sonnenaufgang auslösenden rand mit Sonnenuntergang beendend^ Schwellwertschaltung, dadurch gekiecnzelchnet, daB

ε) der Wandler einen SpannuBgs-Frequenz-Uinsetzer in Form eines Oszillators (4) steuerbarer Frequenz umfaßt und

f) die eingangsseitig an den Empfänger (1) angeschlossene Schwellwertschaltung (7,8,11) einen ersten, bei Sonnenaufgang aktivierten Ausgang zur Rücksetzung des Zählers (3) und zur Einschaltung der Speisespannung des Oszillators (4) sowie einen zweiten, bei Sonnenuntergang aktivierten Ausgang zur Abgabe eines Ausdruckbefehls und zur Abschaltung der Speisespannung des Oszillators aufweist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsfrequenz des Oszillators (4) bestehende Proportionalitätsfaktor einstellbar ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß dem Oszillator (4) eine Teilerstufe (5) nut vorgebbarem Teilfaktor nachgeschaltet ist

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden .Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (7, 8, 11) zur voneinander unabhängigen Einstellung des Schwellwerts für den Sonnenaufgang und des Schwellwerts für den Sonnenuntergang ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert für den Sonnenaufgang so gewählt ist, daß eine Aktivierung des ersten Ausgangs der Schwellwertschaltung bei einer Sonnenstrahlungsenergie zwischen 15 und 20 W/m² erfolgt und daß der Schwellwert für den Sonnenuntergang so gewählt ist, daß eine Aktivierung des zweiten Ausgangs bei einer Sonnenstrahlungsenergie von etwa 5 W/m² erfolgt.