-
Beschreibung
-
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung des Tageslichts, insbesondere
der Dauer und der Intensität des Sonnenscheins, mit einem photoelektrischen Element.
-
Die wohl prinzipiell einfachste Art der Messung der Sonnenscheindauer
besteht darin, daß in der Brennebene einer kugelförmigen Sammellinse ein mit Zeiteinteilung
versehener Papierstreifen angeordnet wird. Immer dann, wenn die Sonne scheint, wird
an der entsprechenden Stelle das Papier verkohlt, so daß der Zeitpunkt und die Zeitdauer,
während derer die Sonne geschienen hat, hinterher abgelesen werden kann. Dieses
Verfahren ist jedoch ungenau, erlaubt keine automatische Verarbeitung der gewonnenen
Daten und vermag überhaupt keine Aussagen über die Helligkeit des Tageslichtes zu
machen.
-
Geräte der eingangs genannten Art arbeiten mit einem photoelektrischen
Element bzw. mehrerer solcher Elemente.
-
Die Elemente haben dabei ein solches Blickfeld, daß sie den gesamten
Bereich des Himmels erfassen, der von der Sonne überstrichen werden kann. Es wird
bei diesen Geräten dann periodisch ein Bügel über die Photozelle bzw.
-
Photozellen bewegt, der im Falle des Sonnenscheines einen Schatten
wirft. Wird, periodisch mit der Bügelbewegung, ein solcher Schatten festgestellt,
so kann registriert werden, daß die Sonne scheint. Diese Geräte haben jedoch verschiedene
Nachteile.
-
Die Geräte müssen zunächst einmal genau auf die Sonne ausgerichtet
werden, so daß das Blickfeld immer auf den richtigen
Teil des Himmels
zeigt. Sind diese Geräte nicht richtig ausgerichtet, so erhält man wegen der vom
Kosinus des Einfallswinkels abhängigen Empfindlichkeit verfälschte Meßergebnisse.
Diese Geräte müssen also ortsfest aufgebaut sein und aufgrund ihrer speziellen Konstruktion
auch zur Erdachse ausgerichtet werden. Diese Geräte können daher ohne Justierarbeiten
nicht an verschiedenen Stellen der Erde verwendet werden. Insbesondere können sie
nicht auf sich bewegenden Fahrzeugen und dergleichen angeordnet werden, wie z.B.
auf sich drehenden Bojen oder auf Schiffen.
-
Weiter lassen sich nur verhältnismäßig ungenaue Angaben über die Helligkeit
des Tageslichts erhalten. Weiter besteht die Schwierigkeit, auch noch eine Sonnenstrahlung
von 21 mW/cm2 festzustellen. Dieser Schwellenwert wurde von der World Organisation
of Meteorology (MWO) festgelegt. Bei den vorbekannten Geräten besteht nämlich das
Problem, daß bei verhältnismäßig geringer Intensität der Sonnenstrahlung, die aber
über dem festgelegten Schwellenwert liegt, der Schatten möglicherweise im Vergleich
zum Himmelslicht, das gleichzeitig über das gesamte Blickfeld empfangen wird, nicht
kräftig genug ist, so daß gar nicht registriert wird, daß die Sonne scheint, oder
aber daß im Gegenteil z.B. aufgrund einer hellen Wolke Sonnenschein registriert
wird, obwohl die Sonne nicht scheint. Schließlich ist es mit den Geräten noch schwierig
festzustellen, mit welcher Intensität die Sonne scheint, da das Licht möglicherweise
in der Nähe der Sonne diffus gestreut ist.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Gerät zu schaffen, durch
das die genannten Nachteile vermieden werden, durch das insbesondere die Intensität
des Tageslichtes auch an verschiedenen Orten des Himmels, die Dauer und Intensität
der Sonneneinstrahlung sowie die
Streuung des direkten Sonnenlichtes
durch dünne Wolken, dünnen Nebel usw. genau gemessen werden kann.
-
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß das Blickfeld, in dem
das Licht empfangen und zum photoelektrischen Element übertragen wird, sektorförmig
ist und um eine Achse rotierbar ist.
-
Durch das erfindungsgemäße Gerät wird also der Himmel sektorförmig
abgetastet. Wurde von diesem Sektor vorher nur ein kleines Stück des Himmels erfaßt,
so steigt die Lichtintensität sehr stark an, wenn der Sektor die Sonne erfaßt. Es
wird dabei nicht, wie bei den vorbekannten erwähnten Geräten, die Helligkeit des
gesamten Himmels mit und ohne Sonne verglichen, sondern die Helligkeit von kleinen
Himmelsausschnitten gemessen, deren Gesamthelligkeit wesentlich größer ist, wenn
dort die Sonne angeordnet ist.
-
Auf besonders einfache und zweckmäßige Weise wird das Gerät dabei
so aufgebaut, daß das Blickfeld durch eine rotierbare Schlitzblende begrenzt ist.
Dabei kann die Mittellinie größter Längs ausdehnung des Schlitzes mit der Drehachse
in einer Ebene liegen. Der Schlitz überstreicht bei Drehung des Gerätes dann nebeneinanderliegende
Bereiche.
-
Der Schlitz kann auf einer rotierbaren Zylinderfläche angeordnet sein,
deren Zylinderachse senkrecht zur Drehachse steht. Auf diese Weise ist die geometrische
Anordnung des Schlitzes rotationssymmetrisch. Der Schlitz kann auf dem Zylinderumfang
über einen Bereich von 90° zwischen der Drehachse und einer zur Drehachse und Zylinderachse
senkrechten Linie sich erstrecken. Wird ein
solches Gerät mit senkrechter
Drehachse aufgestellt, so wird durch den Schlitz bei der Drehung der gesamte Himmel
überstrichen. Wenn noch das photoelektrische Element eine axialsymmetrische Empfindlichkeit
bezüglich der Zylinderachse hat, so ist die Gesamtempfindlichkeit des Gerätes axialsymmetrisch.
-
Es ist jedoch auch möglich, daß sich der Schlitz auf dem Zylinderumfang
über einen Bereich von weniger als 900 (insbesondere von 460) erstreckt. Im letzteren
Falle wird dann nur der Bereich des Himmels überstrichen, in dem sich die Sonne
befinden kann. Es ist dafür jedoch erforderlich, daß das Gerät je nach geographischer
Breite entsprechend justiert wird.
-
Damit die Empfindlichkeit nicht von der Höhe des Sonnenstandes abhängt,
kann der Schlitz über seine gesamte Längsausdehnung eine konstante Breite haben.
Bei der Drehung tritt dabei jedoch der Nachteil auE, daß das Gesamtsignal vom Cosinus
des Sonnenstandwinkels abhängt. Dies wird leicht durch folgende Uberlegung eingesehen.
Befindet sich die Sonne sehr tief im Horizont, so bewegt sich der Schlitz verhältnismäßig
schnell über die Sonne hinweg, da die Umfangsgeschwindigkeit des Schlitzes an dieser
Stelle sehr groß ist. Bei hohem Sonnenstand bewegt sich der Schlitz jedoch langsamer
über die Schlitzbreite hinweg bzw. scheint die Sonne länger in den Schlitz hinein,
da hier die Umfangsgeschwindigkeit des Schlitzes geringer ist. Falls dies unerwünscht
ist, kann dieser Effekt dadurch kompensiert werden, daß der Schlitz eine von Null
in Längsrichtung linear anwachsende Breite hat. Die geringste Breite liegt bei der
Anordnung mit senkrechter Drehachse dabei auf der Drehachse, während das Schlitzende
größter Breite den größten Abstand von der Drehachse hat.
-
Durch das Gerät wird zugleich ein großer oder sogar der gesamte Bereich
zwischen Zenit und Horizont abgetastet.
-
Ob die Sonne z.B. für eine gewisse Drehorientierung des Gerätes bzw.
seiner drehbaren Teile weit unten oder weit oben steht, ist nicht direkt festzustellen.
Diese Richtungsunempfindlichkeit kann beseitigt werden, wenn in Längsausdehnung
des Schlitzes Teile desselben abdeckbar sind. Durch Abdecken von Teilen des Schlitzes
kann dann festgestellt werden, welche Höhe die Sonne hat. Dieses Abdecken kann von
Hand oder automatisch erfolgen. Z.B. kann der Schlitz durch eine Blende z.B. mit
einem im wesentlichen zum ersten Schlitz senkrechten Zusatzschlitz abdeckbar sein.
Dieser Zusatzschlitz wird dann über den ersten Schlitz bewegt. Er kann z.B. automatisch
oder von Hand jeweils dem jahreszeitlichen Sonnenstand angepaßt werden. Auf diese
Weise kann die Helligkeit des Himmels nicht nur streifenweise, sondern auch punktweise
abgetastet und aufgezeichnet werden. Dies hat insbesondere folgenden Vorteil.
-
Häufig, z.B. bei leicht diesigem Wetter oder hohen Wolken, besteht
zwischen der Helligkeit der Sonnenscheibe und des umgebenden Himmels kein scharfer
Unterschied, sondern ein allmählicher Ubergang. Durch solche Verschleierungen wird
das Ergebnis bezüglich der Intensität des Sonnenscheines natürlich verfälscht. Nimmt
man in erster Linie an, daß die Helligkeitsverteilung um die Sonne symmetrisch ist,
so lassen sich auch bei streifenförmiger Abtastung mit Hilfe entsprechender Modelle
der Helligkeitsverteilung, die mit der abgetasteten Helligkeitsverteilung verglichen
werden, Aussagen über die Helligkeitsverteilung um die Sonne herum machen. Bei punktweiser
Abtastung des Himmels mit Hilfe der Blende und dem Zusatzschlitz läßt sich diese
Helligkeitsverteilung jedoch direkt messen.
-
Das Gerät erfüllt in vielen Fällen schon dann seinen Zweck, wenn mit
einer Schwellwertschaltung lediglich festgestellt wird, daß die Helligkeit bei jeder
Rotation einen vorgegebenen Wert überschreitet, was Sonnenschein anzeigt. Soll jedoch
die Intensität des Sonnenlichtes und auch gleichzeitig noch des übrigen Himmelslichtes
quantitativ bestimmt werden, so sollte die Lichtübertragung zum photoelektrischen
Element vom Drehwinkel unabhängig sein. Insbesondere für die erwähnte punktförmige
Abtastung sollte natürlich auch die Lichtübertragung zum photoelektrischen Element
für alle Teile des Schlitzes gleich sein.
-
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform findet die Lichtübertragung
mit einem Lichtleiter statt, dessen einer Endbereich auf der Zylinderachse koaxial
mit derselben angeordnet ist. Durch die Zylindersymmetrie wird dann erreicht, daß
die Lichtübertragung für alle Teile des Schlitzes gleich ist. Damit das Licht auch
in den Lichtleiter eindrigen kann, kann sich das Ende des Lichtleiters kegelförmig
verjüngen bzw. mit einer kegelförmigen Bohrung versehen sein. Die kegelförmige Endfläche
kann dabei mattiert oder im Falle der Bohrung wenigstens teileise verspiegelt sein.
-
Das photoelektrische Element, z.B. eine Photozelle oder ein Photowiderstand
kann dabei am anderen Ende des Lichtleiters angeordnet sein.
-
Dabei muß das photoelektrische Element zusammen mit Lichtleiter und
Schlitz gedreht werden, was Drehkontakte erforderlich macht. Auf diese Drehkontakte
kann verzichtet werden, wenn der Lichtleiter so gekrümmt ist, daß sein anderer Endbereich
auf der Drehachse, koaxial mit derselben angeordnet ist und daß das photoelektrische
Element
raumfest gegenüber der Endfläche dieses Bereiches angeordnet
ist. In diesem Falle wird, unabhängig von der Rotation des Lichtleiters, das Licht
immer direkt auf die feststehende Photozelle geleitet.
-
Bei Lichtmeßgeräten tritt immer das Problem auf, daß die Empfindlichkeit
langfristigen und kurzfristigen Schwankungen, insbesondere bei Temperaturänderungen
unterworfen ist. Die Geräte müssen daher häufig nachjustiert werden.
-
Diese Probleme können dadurch vermieden werden, daß die Lichtübertragung
zum photoelektrischen Element unterbrechbar ist. Fällt kein Licht auf das photoelektrische
Element, so kann es mit Hilfe des Wertes und auf den Wert "völlige Dunkelheit" nachkalibriert
werden. Vorteilhafterweise wird für diesen Zweck zwischen anderem Lichtleiterelement
und photoelektrischem Element eine rotierbare Sektorblende angeordnet, die gleichzeitig
mit der Drehung von Schlitz und Leiter so angetrieben sein kann, daß nach einer
vorgegebenen Anzahl von Umdrehungen jeweils eine Umdrehung erfolgt, bei der das
photoelektrische Element abgedunkelt ist.
-
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
Es zeigen: Fig.1 eine schematische Darstellung des Gesamtaufbaus des Gerätes; Fig.2a-c
schematisch verschiedene Formen des Schlitzes für das Blickfenster; Fig.3 den schematischen
Aufbau für eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Signale; Fig.4 eine Ausführungsform
des Endes des Lichtleiters zum Aufnehmen des Lichtes; und
Fig.5
eine weitere Ausführungsform des Endes dieses Lichtleiters.
-
In Fig. 1 ist ein Zylinder 1 gezeigt, der um eine an der Zylinderumfangsfläche
befestigte Achse 2 gedreht werden kann, die senkrecht zur Zylinderachse steht. Die
Drehachse 2 ist dabei mittels eines Lagers 3 an einer Abstützung 4 befestigt. Der
Zylinder kann dabei über ein Getriebe, von dem schematisch Zahnräder 5 und 6 dargestellt
sind, mit Hilfe eines Motors 7 gedreht werden. Im Zylinder ist ein Lichtleiter 8
angeordnet, dessen einer Endbereich in der Nähe der Zylinderachse angeordnet ist.
-
Dieser Lichtleiter 8 ist dann so gekrümmt, daß sein anderes Ende durch
die Achse 2 verläuft und mit dieser Achse koaxial ist. Diesem Ende gegenüber ist
eine Photozelle 9 angeordnet, durch die Licht aus dem Lichtleiter aufgenommen werden
kann.
-
Der Zylinder 1 ist mit einem Schlitz 10 versehen, der in Umfangsrichtung
des Zylinders verläuft. Durch diesen Schlitz kann Licht auf das Ende des Lichtleiters
fallen, das in der Nähe der Zylinderachse angeordnet ist. Damit dieses Ende des
Lichtleiter Licht aufnehmen kann, ist es mit einer kegelförmigen Bohrung 11 versehen.
-
Auf der Welle 12 des Motors 7 ist noch eine Sektorblende 13 befestigt,
die sich bei Drehung zwischen Lichtleiter 8 und Photozelle 9 hindurchbewegen kann,
so daß nach einer gewissen Anzahl von Umläufen jeweils für eine gewisse Zeit die
Photozelle verdunkelt wird, damit die Elektronik nachjustiert werden kann bzw. eine
mögliche Drift kompensiert werden kann.
-
Um nicht nur eine streifenförmige, sondern auch punktförmige Abtastung
zu ermöglichen, kann auf den Zylider 1 eine in der Figur gestrichelt gezeichnete
Abdeckung 18 aufgesetzt werden, die bei 17 drehbar am Zylinder befestigt sein kann.
Diese Abdeckung trägt einen Schlitz 19, durch dessen Zusammenwirken mit dem Schlitz
das Blickfeld quadratisch begrenzt wird.
-
In Fig.2 sind verschiedene Arten des Schlitzes schematisch dargestellt.
Bei a ist ein sich über 90" erstreckender Schlitz mit konstanter Breite dargestellt,
wie er auch in Fig.1 gezeigt ist. Der Schlitz von Fig.2b hat eine öffnung von weniger
als 900, während der Schlitz von Fig.2c keilförmig ist.
-
In Fig. 3 ist eine elektronische Verarbeitungsschaltung schematisch
dargestellt. Das Signal des Photoempfängers 9 wird zunächst durch einen Verstärker
14 verstärkt, dessen Ausgang einerseits mit einem Eingang eines Differenzverstärkers
15 und andererseits mit dem Eingang eines Minimumspeichers 16 verbunden ist. Der
Ausgang dieses Minimumspeichers 16 ist mit dem Eingang des Differenzverstärkers
15 verbunden. Durch den Differenzverstärker 15 wird bei dieser Schaltung lediglich
das Differenzsignal verstärkt, das dem Unterschied zwischen Dunkelheit und gemessener
Helligkeit entspricht.
-
In Fig.4 und 5 ist noch gezeigt, wie das im Zylinder 1 angeordnete
Ende des Lichtleiters 8 ausgebildet sein kann. In Fig.4 ist dabei der Verlauf zweier-Lichtstrahlen
I und II gezeigt, die auf das kegelförmig sich verjüngende Ende fallen. Der Strahl
I wird dabei zum ersten Male an der Kegelfläche total reflektiert und dann entlang
des Lichtleiters weitergeleitet. Der Strahl II fällt jedoch direkt auf die normale
Wand des Lichtleiters 8 und verläßt hier den Lichtleiter ungenutzt.
-
Wenn die Lichtstrahlen senkrecht zur Achse des Lichtleiters 1 einfallen,
wird dieser Strahl II normalerweise keine Totalreflektion erleiden. Z.B. ist für
Plexiglas der Grenzwinkel ß für Totalreflektion ungefähr 420, was erfordern würde,
daß der Kegelwinkel 2y mindestens 1700 betragen müßte, damit auch Lichtstrahlen
II reflektiert werden Dies Problem kann jedoch dadurch vermieden werden, daß die
Kegelfläche mattiert wird Dadurch entstehen Streuzentren, von denen genügend Licht
in den Lichtleiter gestreut wird Günstiger sind die Verhältnisse im Falle der kegelförmigen
Bohrung der Fig.5. Die Verhältnisse können ohne weiteres so gewählt werden, daß
der einfallende Lichtstrahl an der Kegelfläche total reflektiert wird Falls die
Abmessungen anders gewählt werden, kann die Kegelfläche mindestens teilweise verspiegelt
sein Selbstverständlich könnte aber auch bei dieser Ausführungsform die Endfläche
mattiert sein. Statt eines Kegels (Spitze oder Bohrung) kann natürlich auch jede
andere geeignete Rotationssymmetrische Form der Endfläche gewählt werden.