DE3127086C2

DE3127086C2 -

Info

Publication number: DE3127086C2
Application number: DE19813127086
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. 2071 Ammerbek De Lindner; Arend 2151 Sauensiek De Huelsen
Original assignee: SIGGELKOW HORST 2000 HAMBURG DE
Current assignee: SIGGELKOW HORST 2000 HAMBURG DE
Priority date: 1981-07-09
Filing date: 1981-07-09
Publication date: 1990-08-09
Also published as: DE3127086A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen des Tageslichts, insbesondere der Dauer und der Intensität des Sonnenscheins, das ein photoelektrisches Element und eine den empfindlichen Bereich begrenzende Schlitzblende aufweist, die die Form eines Teils einer Zylinderfläche hat und um eine zur Zylinderachse senkrechte Drehachse drehbar ist, wobei die Mittellinie größter Längsausdehnung der Schlitzblende mit der Drehachse in einer Ebene liegt.

Die wohl prinzipiell einfachste Art der Messung der Sonnen scheindauer besteht darin, daß in der Brennebene einer kugel förmigen Sammellinse ein mit Zeiteinteilung versehener Papier streifen 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.

Andere bekannte Geräte 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 Sonnen scheines 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 ausge richt 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 Cosinus des Ein fallswinkels abhängigen Empfindlichkeit verfälschte Meßergeb nisse. Diese Geräte müssen also ortsfest aufgebaut sein und aufgrund ihrer speziellen Konstruktion auch zur Erdachse ausgerichtet werden. Diese Geräte können daher ohne Justierar beiten 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 vorbe kannten Geräten besteht nämlich das Problem, daß bei verhält nismäßig 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 festzustel len, mit welcher Intensität die Sonne scheint, da das Licht möglicherweise in der Nähe der Sonne diffus gestreut ist.

Eine vorbekannte Vorrichtung der eingangs genannten Art (DE-OS 27 12 404) weist eine im wesentlichen ebene "Empfindlichkeits fläche" auf, d.h., daß das Licht bei jeder Stellung der Sensoren, das im Bereich des Kegels 70 oder der Schlitze 72 der Fig. 6 der Entgegenhaltung einfällt, auf eine ebene Detektorfläche fällt, die zur Öffnung des Kegels 70 oder dem Schlitz 72 gerichtet ist. Um nun bei verschiedenen Winkeln (schließlich muß ein wesentlicher Teil des Raumwinkels abgeta stet werden) Messungen durchführen zu können, muß jeweils zu jedem zu messenden Punkt des Raumwinkels durch Drehung um zwei Achsen die Vorrichtung so verstellt werden, daß das Licht aus diesem zu untersuchenden Raumwinkelgebiet wieder im wesentli chen senkrecht auf die Detektorfläche auffällt. Die ganze Vorrichtung ist dadurch sehr kompliziert, da eine Abtastung in zwei zueinander senkrechten Richtungen durchgeführt werden muß und daher auch zwei Drehachsen 4 und 6 mit entsprechenden Motoren 8 und 10 vorgesehen sein müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfach gebautes Gerät zu schaffen, mit dem trotzdem genau die Intensität des Tageslichtes auch an verschiedenen Orten des Himmels, die dauernde Intensität der Sonneneinstrahlung sowie die Streuung des direkten Sonnenlichtes durch dünne Wolken, dünnen Nebel usw. gemessen werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß zur Lichtüber tragung zum photoelektrischen Element ein Lichtleiter vorgese hen ist, dessen einer Endbereich auf der Zylinderachse koaxial mit derselben angeordnet ist und dessen Stirnfläche in diesem Endbereich kegelförmig ausgebildet ist.

Durch das erfindungsgemäße Gerät wird 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 die Helligkeit des gesamten Himmels mit und ohne Sonne verglichen, sondern die Helligkeit von kleinen Himmelsaus schnitten gemessen, deren Gesamthelligkeit wesentlich größer ist, wenn dort die Sonne angeordnet ist.

Der Schlitz kann auf dem Zylinderumfang über einen Bereich von 90° zwischen der Drehachse und einer zur Drehachse und Zylin derachse senkrechten Linie sich erstrecken. Wird ein solches Gerät mit senkrechter Drehachse aufgestellt, so wird durch den Schlitz bei der Drehung der gesamte Himmel überstrichen.

Es ist jedoch auch möglich, daß sich der Schlitz auf dem Zylinderumfang über einen Bereich von weniger als 90° (insbe sondere von 46°) 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 auf, daß das Gesamtsignal vom Cosinus des Sonnenstandswinkels abhängt. Dies wird leicht durch folgende Überlegung 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 Sonnen stand bewegt sich der Schlitz jedoch langsamer über die Schlitzbreite hinweg bzw. scheint die Sonne länger in den Schlitz hinein, da hier die Umfangsgeschwindigkeit des Schlit zes 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 Übergang. Durch solche Verschleierungen wird das Ergebnis bezüglich der Intensität des Sonnenscheines natürlich verfälscht. Nimmt man in erster Linie an, daß die Helligkeits verteilung 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 punktwei ser Abtastung des Himmels mit Hilfe der Blende und dem Zusatz schlitz 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 Dreh winkel unabhängig sein. Insbesondere für die erwähnte punkt förmige Abtastung sollte natürlich auch die Lichtübertragung zum photoelektrischen Element für alle Teile des Schlitzes gleich sein. Dies wird durch die Merkmale erreicht, daß die Lichtübertragung mit einem Lichtleiter stattfindet, 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 eindringen kann, verjüngt sich das Ende des Lichtleiters kegelförmig bzw. ist mit einer kegelförmigen Bohrung versehen. Die kegelförmige Endfläche kann dabei mattiert oder im Falle der Bohrung wenigstens teilweise 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 Lichtlei ter 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 ange ordnet 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 Schwan kungen, insbesondere bei Temperaturänderungen unterworfen ist. Die Geräte müssen daher häufig nachjustiert werden. Diese Probleme können dadurch vermieden werden, daß die Lichtübertragung zum photoelektrischen Element unterbrech bar ist. Fällt kein Licht auf das photoelektrische Ele ment, so kann es mit Hilfe des Wertes und auf den Wert "völlige Dunkelheit" nachkalibriert werden. Vorteilhaf terweise wird für diesen Zweck zwischen anderem Lichtlei terelement 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 vorteil hafte 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 wer den 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 Zylin der ist ein Lichtleiter 8 angeordnet, dessen einer End bereich in der Nähe der Zylinderachse angeordnet ist. Dieser Lichtleiter 8 ist dann so gekrümmt, daß sein an deres Ende durch die Achse 2 verläuft und mit dieser Achse koaxial ist. Diesem Ende gegenüber ist eine Photo zelle 9 angeordnet, durch die Licht aus dem Lichtlei ter aufgenommen werden kann.

Der Zylinder 1 ist mit einer Schlitzblende 10 versehen, die in Umfangsrichtung des Zylinders verläuft. Durch diese Schlitzblende 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 ei ner gewissen Anzahl von Umläufen jeweils für eine gewis se Zeit die Photozelle verdunkelt wird, damit die Elek tronik nachjustiert werden kann bzw. eine mögliche Drift kompensiert werden kann.

Um nicht nur eine streifenförmige, sondern auch punktför mige Abtastung zu ermöglichen, kann auf den Zylider 1 eine in der Figur gestrichelt gezeichnete Abdeckung 18 auf gesetzt werden, die bei 17 drehbar am Zylinder befestigt sein kann. Diese Abdeckung trägt einen Schlitz 19, durch dessen Zusammenwirken mit dem Schlitz das Blickfeld qua dratisch 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 90°, 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, des sen Ausgang einerseits mit einem Eingang eines Differenz verstärkers 15 und andererseits mit dem Eingang eines Mi nimumspeichers 16 verbunden ist. Der Ausgang dieses Mi nimumspeichers 16 ist mit dem Eingang des Differenzver stärkers 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 Lichtstrah len I und II gezeigt, die auf das kegelförmig sich ver jüngende Ende fallen. Der Strahl I wird dabei zum ersten Male an der Kegelfläche total reflektiert und dann ent lang 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 Lichtlei ters 1 einfallen, wird dieser Strahl II normalerweise kei ne Totalreflektion erleiden. Z.B. ist für Plexiglas der Grenzwinkel β für Totalreflektion ungefähr 42°, was er fordern würde, daß der Kegelwinkel 2γ mindestens 170° be tragen müßte, damit auch Lichtstrahlen II reflektiert wer den. Dies Problem kann jedoch dadurch vermieden werden, daß die Kegelfläche mattiert wird. Dadurch entstehen Streu zentren, von denen genügend Licht in den Lichtleiter ge streut wird.

Günstiger sind die Verhältnisse im Falle der kegelförmi gen Bohrung der Fig. 5. Die Verhältnisse können ohne wei teres so gewählt werden, daß der einfallende Lichtstrahl an der Kegelfläche total reflektiert wird. Falls die Ab messungen 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 Rotations symmetrische Form der Endfläche gewählt werden.

Claims

1. Gerät zum Messen des Tageslichts, insbesondere der Dauer und der Intensität des Sonnenscheins, das ein photoelek trisches Element und eine den empfindlichen Bereich begrenzende Schlitzblende aufweist, die die Form eines Teils einer Zylinderfläche hat und um eine zur Zylinder achse senkrechte Drehachse drehbar ist, wobei die Mittel linie größter Längsausdehnung der Schlitzblende mit der Drehachse in einer Ebene liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lichtübertragung zum photoelektrischen Element (9) ein Lichtleiter (8) vorgesehen ist, dessen einer Endbe reich auf der Zylinderachse koaxial mit derselben angeord net ist und dessen Stirnfläche (11) in diesem Endbereich kegelförmig ausgebildet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnendfläche des Lichtleiters (8) sich kegelförmig verjüngt.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnendfläche des Lichtleiters (8) mit einer kegelförmi gen Bohrung versehen ist.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelförmige Endfläche mattiert ist.

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelförmige Fläche wenigstens teilweise verspiegelt ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Lichtleiter (8) so gekrümmt ist, daß sein anderer Endbereich auf der Drehachse (2) koaxial mit derselben angeordnet ist und daß das photoelektrische Element (9) raumfest gegenüber der Endfläche dieses Bereichs angeordnet ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schlitzblende (10) sich auf der Zylin derfläche über einen Bereich von 90° zwischen der Drehach se (2) und einer zu Drehachse und Zylinderachse senkrech ten Linie erstreckt.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schlitzblende (10) sich auf dem Zylin derumfang über einen Bereich von weniger als 90°, insbe sondere 46° erstreckt.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schlitzblende (10) über ihre gesamte Längsausdehnung konstante Breite hat.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schlitzblende (10) eine von Null in Längsrichtung linear anwachsende Breite hat.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß in Längsausdehnung der Schlitzblende (10) Teile derselben abdeckbar sind.

12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzblende durch eine Blende z.B. mit einem im wesent lichen zur ersten Schlitzblende (10) senkrechten Zusatzschlitzblende abdeckbar ist, die automatisch ein stellbar sein kann.

13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtübertragung zum photoelektrischen Element (9) vom Drehwinkel unabhängig ist.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtübertragung zum photoelektrischen Element (9) für alle Teile der Schlitz blende (10) gleich ist.

15. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtübertragung zum photoelektrischen Element (9) unterbrechbar ist.

16. Gerät nach Anspruch 6 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen anderem Ende des Lichtleiterelements (8) und photoelektrischem Element (9) eine rotierbare Sektorblende (13) angeordnet ist.