DE29504534U1 - Einrichtung zur Bestimmung der UV-Strahlungsstärke und -dosis mittels UV-empfindlicher Sensoren - Google Patents

Description

Herr Dr. Peter Lieckfeldt

Lindenstraße 3 9

1703 3 Neubrandenburg

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

Beschreibung 5

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

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 32 38 840 Al 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 spannungsgesteuerten Oszillator zusammen, wobei entsprechend einer Frequenzänderung des spannungsgesteuerten Oszillators ein Ausgangssignal erhalten wird, welches auf eine Anzeigeeinrichtung führbar ist. Dort wird also die einfallende Strahlung in ein bezüglich der Frequenz veränderliches Signal 0 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 Meßgenauigkeit 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 zentraler Stelle als übersichtliches Informationsdisplay verwendbar, da die erwähnte Meßungenauigkeit sowie die Notwendigkeit der einfallswinkelbezogenen Nachführung der Fotodiode " einen solchen Einsatz ausschließen.

Aus der Deutschen Patentschrift 2 3 00 213 ist ein Gerät zur Messung der Strahlungsdosis von ultravioletter Strahlung bekannt, bei welchem der Strahlungsanteil im erythemerzeugenden Bereich mit einer Photozelle bestimmt werden soll. Vor dem verwendeten optisch-elektrischen Wandler sind zwei Kantenfilter angeordnet, welche spezifisch UV-durchlässig sind. Die Charakteristiken dieser Kantenfilter und des optisch-elektrischen 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 erheblichem Aufwand realisierbar sind, so daß der mechanisch 0 konstruktive Aufwand zur Erfassung von Strahlung im erythemwirksamen Bereich zu hoch ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß der erforderliche Sensor bzw. der optischelektrische Wandler exakt zur einfallenden Strahlung ausgerichtet sein muß, wodurch der Anwendungsbereich des Gerätes eingeschränkt ist.

Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 40 12 984 Al 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 Strahlungsmenge bestimmt, welche mit einem einstellbaren Referenzwert vergleichbar ist und wobei das Erreichen des Referenzwertes optisch oder akustisch angezeigt wird.

Auch das in der DE 4 0 12 984 Al gezeigte Gerät muß in geeigneter Position neben einer sonnenbadenden Person angeordnet 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.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Bestimmung der UV-Strahlungsstärke und -dosis mittels UV-Sensoren anzugeben, welche zum einen strahlungswinkelunabhängig eine optimale Erfassung der Bestrahlungsstärke und -dosis ermöglicht und die zum anderen in übersichtlicher Weise eine aktuelle Messung und Anzeige tatsächlich erythemwirksamer Solar-UV-Strahlung gestattet.

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

Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, einen speziellen 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 Würfels 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 5 entspricht.

Hierdurch kann erfindungsgemäß der Sensorkopf der Einrichtung völlig 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 erforderlich ist.

Die spezielle Anordnung der Dioden ermöglicht es den einfallenden 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 Koordinatensystems entspricht. Hieraus sind die Komponenten des Vektors des Lichtstromes bestimmbar und es kann demnach der Betrag des Lichtstromes bzw. der einfallenden Strahlung ermittelt 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 Bewertung der Ausgangssignale der UV-Dioden enthält.

Die tatsächliche Zuordnung und Kalibrierung der Sensoraus-0 gangssignale zur erythemwirksamen UV-Strahlung erfolgt numerisch 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 Integrale für das jeweilige Sensorsignal und der erythemwirksamen Strahlung für eine Vielzahl von möglichen terrestrischen Bestrahlungsstärken entspricht, und wobei nach einer derartigen Kalibrierung in Einheiten die erythemwirksame UV-Strahlung durch zeitliche Integration die Bestrahlungsstärke oder -dosis ermittelbar ist.

Erfindungsgemäß ist beim Überschreiten einer vorgegebenen Bestrahlungsstärke oder -dosis ein Warnsignal auslösbar. 35

Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die ermittelten UV-B-Strahlungsbelastungen auf Einheiten einer als verbindlich normierten Meßgröße, nämlich dem Sonnenbrandoder 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 5" eine verträgliche Sonnenbelastung oder das Auftragen von Sonnenschutzcremes auf unbedeckte Körperstellen zu geben.

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

Die erwähnte Tendenzanzeige wirkt vorteilhafterweise mit einer Einrichtung zur Berücksichtigung des Tagesganges der UV-B-Strahlung zusammen, so daß eine exakte und fundierte Vorhersage der Strahlungsbelastung in den folgenden Zeitabschnitten vorgegeben ist.

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

Gemäß einem weiteren Merkmal wird die zur Versorgung der Einrichtung erforderliche elektrische Energie autark über Solarzellen 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 gleichzeitig mit der Anzeige des erwähnten Sonnenbrand- oder UV-Index zur Darstellung der UV-B-Strahlungsbelastung eine Zeitanzeige, eine Anzeige der Lufttemperatur oder weiterer relevan-5 ter Größen vorzusehen.

In einer weiteren Ausführungsform steht die erfindungsgemäße Einrichtung über ein Telemetriesystem mit einem Wassertemperatursensor 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.
5"

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

Die erfindungsgemäße Einrichtung findet Verwendung zur Anzeige und Information über die wirksame Strahlungsbelastung in Strand- und Kurbädern, Kurhotels, Kurkliniken, Wintersportorten, insbesondere in größeren Höhenlagen, auf Kreuzfahrtschiffen 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 Eingabe 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 ausgesetzten Hautpartien vermieden wird.

Die Einrichtung ist intern mit einer vorprogrammierten Auswertung 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 voreingestellt. 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, _fc 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 Großdisplay.

Ergänzend verfügt die Einrichtung, welche als Informationsstation durch Solarzellenbetrieb autark an den verschiedensten Orten einsetzbar ist, über eine interaktive Bedieneinheit, 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 erythemwirksamen UV-B-Strahlung kann mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eine exakte Vorhersage der Belastung für die folgenden Stunden im Sinne einer empfohlenen Aufenthaltsdauer in der Sonne ermittelt werden.

Dadurch, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung im Gegensatz zu bekannten Lösungen ein Vorbräunungszustand der Haut ebenfalls berücksichtigt werden kann, ist eine dermatologisch 5 fundierte Anzeige und Bräunungsempfehlung bzw. Empfehlung für das Sonnenbad gewährleistet.

Erfindungsgemäß erfolgt der konstruktive Aufbau der Einrichtung in Säulenform, wobei die Komponenten Steuerrechner, Anzeige, Tastatur, Eingabeschnittstelle, Drucker, Stromversorgung 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 Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung der Anordnung der

ÜV-empfindlichen Sensoren bzw. Dioden im Sensorkopf mit dem Ziel der Bestimmung der Bestrahlungsstärke unabhängig vom Einfallswinkel der Strahlung;
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Fig. 2 ein Blockschaltbild der wesentlichen Funktionsgruppen 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 jeweils 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. rechtwinkliges 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 Nl, N2 und N3 symbolisiert.

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

Hieraus sind die Komponenten des Vektors des Licht- bzw. , Strahlungsstromes bekannt, und es ist der Betrag des Lichtstromes bzw. der einfallenden Strahlung durch eine entsprechende Auswerteelektronik bestimmbar. Durch die gezeigte quader- 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 Strahlungsreflexion werden die Ausgangssignale der Dioden durch einen Steuerrechner bewertet. Hierbei werden nur die Dioden zur Berechnung der Bestrahlungsstärke herangezogen, welche tatsächlich 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 Strahlungsbelastung zum Wert der direkten Strahlung addiert.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht die Möglichkeit, 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 Streustrahlungsanteil, z.B. auf Kreuzfahrtschiffen, Skigebieten oder an Badestränden mit der Kombination von reflektierendem Sand und Wasser, zu rechnen ist.

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

Die Einrichtung besteht aus dem bereits erwähnten Sensorkopf 1, der gegebenenfalls in einer Signalvorverarbeitungsbaugruppe 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 Kommunikation wirkt mit dem Steuerrechner 2 zusammen. Die Stromversorgung des Steuerrechners 2 erfolgt über eine Stromversorgungsbaugruppe 4, die Solarzellen aufweist, wobei die Solarzellen 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 angeordnet 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 erfolgen, 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 einschließlich einer entsprechenden Antenne angeordnet ist.

Mittels des Sensorkopfes 1 wird im Zusammenwirken mit dem Steuerrechner 2 die aktuelle UV-Bestrahlungsstärke erythemwirksam 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 Sensorkopfes 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 Spannungswerte weiterer Dioden vorliegen, befindet sich die 0 Strahlungsquelle, nämlich die Sonne, senkrecht über dem Sensorkopf 1. Mittels eines speziellen Kalibrierungsverfahrens unter Rückgriff auf die Wechselwirkung zwischen dem Steuerrechner 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 Diöden jeweils gleiche Empfindlichkeit, wobei diese Empfindlichkeit vom Eingangswinkel vorzugsweise einer Kosinus- oder Kosinus-Quadrat-Funktion entspricht. Die Anordnung der Dioden weist keine wesentliche Winkelabweichung auf, so daß der Sensor nicht mehr nachgeführt werden muß, um eine exakte Messung zu gewährleisten.

Der einfallende Lichtstrom wird, wie erläutert, als vektorielle 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. Strahlungsstromes bestimmbar und es kann der Betrag des Lichtstromes bzw. der Strahlung ermittelt werden. 5

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

Für die Kalibrierung wird von folgendem Sachverhalt ausgegangen.

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

Es ergibt sich demnach der jeweilige Sensorsignalausgangsstrom nach folgender Beziehung:

I = A_E2. &Ggr; E(X) * R(X) * d(X)

0
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mit Ag = Sensorfläche.

Aufgrund der Tatsache, daß die verwendeten Sensoren, insbesondere die UV-Dioden die Responsefunktion wie oben genannt besitzen, die im übrigen nicht identisch mit der Wirkungsfunktion des UV-Erythems ist, wird eine Kalibrierung vorgenommen, um eine entsprechende Zuordnung der erythemwirksamen Strahlung zum jeweiligen Diodenausgangsstrom herzustellen. 40

Diese Kalibrierung erfolgt mit einer Aufstellung eines funktionalen 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 erythemwirksame UV-Strahlungsflußdichte für eine Vielzahl möglicher terrestrischer Strahlungsstärken direkt gelöst und in der Look-Up-Tabelle im Speicher des Steuerrechners bzw. Signalprozessors abgelegt.

Alternativ kann eine vorab bestimmte Kalibrierungsfunktion durch ein Polynom &eegr;-ten Grades mit z. B. n=2 approximiert werden und die Approximationsfunktion zur Bestimmung des erythemwirksamen UV-Strahlungsanteils genutzt werden. Ebenso wird, gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel die terrestrisehe 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 Responsefunktion des eigentliches 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 Überschreiten von vorgebbaren Sollwerten überwacht und eine optische und/oder akustische Alarmfunktion ausgelöst werden. Zweckmäßigerweise erfolgt die Überwachung der Bestrahlungsstärke unter laufender zeitlicher Integration mit Hilfe des Steuerrechners und unter Berücksichtigung von mittels der 5 Tastatur 3 eingebbaren spezifischen Hauttypen und Sonnenschutzfaktoren aufgetragener Hautcremes interaktiv, so daß benutzerspezifische Daten ermittelbar sind.

Demnach kann der Vorbräunungszustand der Haut mitberücksichtigt werden, wodurch dermatologisch fundierter eine Vorhersage der effektiven Sonnenbadedauer erfolgen kann.

Zusätzlich ist mittels dieses Steuerrechners und einem weiteren Speicher der Tagesgang der erythemwirksamen UV-B-Strahlung 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 angegeben, sondern es wird eine Anzeige der konkreten Strahlungsbelastung umgerechnet in Einheiten des Sonnenbrand- oder UV-In vorgenommen, so daß in verständlicher Form benutzerrelevante 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 mit einem nicht gezeigten alphanumerischen Display zum Erleichtern der Dialogführung bei der interaktiven Bedienung der Einrichtung. Darüber hinaus kann im Bereich der Tastatur 3 ein Ausgabefach für gedruckte Informationen, z. B. den Tagesverlauf oder individuelle Daten für das Sonnenbad des jeweiligen Nutzers vorgesehen sein.

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

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

Dieses Displaygehäuse 11 weist mindestens eine in Sektoren aufgeteilte Fläche zur Informationsausgabe mittels alphanumerischer 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 Solarzellenfläche 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 Sensorkopf 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 Displaygehäuse wegführende Anordnung des Sensorkopfes 1 mit entsprechender 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 entsprechendem Sonnenschein auf eine Sonnenterrasse oder dergleichen stellen zu können, ohne eine feste Verankerung vorsehen zu 0 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.

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Das Einsatzstück 20 ist ein integrales Bauteil, welches am oberen Ende ein Halbkugel- oder ellipsoides Gehäuses 14 aufweist, in dessen Gehäusewandung die UV-empfindlichen Dioden 24 über den Umfang verteilt sowie zur Spitze weisend 5* angeordnet sind.

Das integrale Bauteil 20 in Form eines Einsatzstückes besitzt z.B. ein Gewinde, um ein Befestigen im rohrförmigen Verbindungsstück 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 Verbindungskabels 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 ausgetauscht werden, ohne daß ein Öffnen des Großdisplaygehäuses 11 erforderlich ist.
Hierdurch erhöht sich die Servicefreundlichkeit der gesamten Einrichtung. Darüber hinaus ist durch die gewählte halbkugelige oder ellipsoide Gehäuseform des Gehäuses 14 eine Verschmutzung mit Nachteilen hinsichtlich der Meßgenauigkeit der Einrichtung reduziert.

Die Fig. 4b zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel die Anordnung eines Referenztemperatursensors 3 0 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 3 0 unten und oben offen ist, so daß Umgebungsluft (Pfeildarstellung) am Sensor vorbeistreichen kann, jedoch eine direkte Sonneneinstrahlung auf den Temperatursensor 3 0 verhindert wird.

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

Oberhalb des Rohrsegmentes 31 oder einen integralen Bestandteil desselben bildend, ist eine umlaufende Witterungsschutzkappe 32 angeordnet, die im wesentlichen eine Hutdachform aufweist. Die Witterungsschutzkappe 3 2 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, insbesondere 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 Einrichtung, die bodennahe ultraviolette Strahlung der Sonne in Abhängigkeit von der geographischen Lage sowie der Jahres- und Tageszeit sowie der Bewölkung, Bodenreflexion und dergleichen zu ermitteln.

Mittels der Einrichtung kann unter Berücksichtigung des 0 Sonnenbrand- oder UV-Index eine effektive Anzeige unter Berücksichtigung der Empfindlichkeiten der menschlichen Haut bezüglich der UV-Strahlung erfolgen.

Der Sonnenbrand- oder UV-Index ist dabei ein Maß für die 5 Wirksamkeit der Sonnenstrahlung einen Sonnenbrand{Erythem) hervorzurufen. Dieser Index erfaßt die biologisch wirksame UV-Strahlung in einem Zeitraum von 6 Stunden, und zwar zwischen 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 &zgr;. 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=IO sind also die betreffenden Personen in der Lage, individuell, ohne weitere Kenntnis, Sonnencremes mit entsprechenden Lichtschutzfaktoren einzusetzen und die maximale Verweildauer in der Sonne abzuschätzen.

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 Tastaturenbedienfeld 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 universelles, robustes und störunanfälliges Routinemeßgerät dar, das unter allen sommerlichen und winterlichen Witterungssituationen bei entsprechendem Sonnenschein im Freien zuverlässig arbeitet.

Claims (5)

* Schutzansprüche

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

- stationsartiger im wesentlichen ortsfester Aufbau mit einem Sensorkopf, einem Großdisplay sowie einem im wesentlichen langgestreckten Standfuß als Träger des Großdisplays und des Sensorkopfes, wobei zweckmäßigerweise 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 vorzugsweise mittels durch Solarzellen gepufferter Akkumulatoren;

- 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 wesentlichen frei von einer Winkelabweichung befindlich sind und wobei die Seitenflächen des Quaders oder Würfels so gerichtet sind, daß deren Flächennormalen zu den Einheitsvektoren des Koordinatensystems parallel stehen zur strahlungswinkelunabhängigen vektoriellen Ermittlung der einfallenden UV-Strahlung, wobei weiterhin die Empfindlichkeit von als UV-empfindlichen Sensoren eingesetzten UV-Dioden in Abhängigkeit vom Strahlungseinfallswinkel gleich ist und einer Kosinus- oder Kosinus-Quadrat-Funktion entspricht sowie einem Steuerrechner als elektronisches Mittel zur Bestimmung der tatsächlichen erythemwirksamen 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.
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3. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch optische und/oder akustische Mittel zum Anzeigen des Überschreitens eines vorgegebenen Bestrahlungsstärke- oder -dosiswertes.

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

5. 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 schädigungsfreien Zeit zum Fortsetzen oder Ausführen eines Sonnenbades unter den jeweiligen örtlichen Bedingungen.