DE3733764A1 - Vorrichtung zum messen elektromagnetischer strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Sonneneinstrahlung in Fahrgastzellen von Fahrzeugen, mit wenigstens einem lichtelektrischen Empfänger in Form einer Zelle.

Die Verwendung von Meßzellen als Empfänger für die Messung von Licht ist in der Photomethrie allgemein bekannt. Es ist möglich, die Leuchtdichte einer Lichtstrahlung oder deren Lichtstärke zu messen, ebenfalls die spezifische Lichtausstrahlung und die Lichtmenge, um nur eine Auswahl der üblichen Meßwerte hier anzugeben.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, eine Meßvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche in ihrem Aufbau einfach ist und es ermöglicht, die durch Sonneneinstrahlung in Fahrgastzellen von Fahrzeugen entstehenden Verhältnisse zu messen und weiterzugeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß ein Meßkopf mit mehreren etwa ringförmig und an der Außenfläche der Ringkontur angeordneten Zellen sowie wenigstens einer zu diesen Zellen orthogonal verlaufenden Zenitzelle ausgestattet ist, wobei die Zellen mit einer Auswerteelektronik elektrisch verbunden sind, welche den Azimutwinkel sowie den Elevationswinkel der Einstrahlung feststellt, darüberhinaus auch den Azimutanteil der Einstrahlung und deren Intensität.

Die Zellen sind erfindungsgemäß von identischem Aufbau und weisen eine Richtungsempfindlichkeit nach dem Kosinusgesetz auf.

Die wie flache Plättchen aussehenden Zellen sind erfindungsgemäß auf einer Grundplatte festgelegt, welche bevorzugt eine polygonale oder kreisförmige Kante anbietet, auf deren Fläche/n die plättchenartigen Zellen festgeklebt sind und damit einen nach außen gerichteten Ring ergeben. Zu letzterem verläuft die sogenannte Zenitzelle rechtwinklig und ist zentrisch auf der Grundplatte festgelegt. Um die Oberfläche der Zenitzelle in Distanz zur Grundplattenoberfläche zu erhalten, kann gegebenenfalls auf dieser ein Klotz als Distanzstück vorgesehen sein, auf den dann die Zenitzelle montiert wird.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Vorrichtung möglichst unkompliziert in ihrem Aufbau zu halten, wozu die Grundplatte durch Stäbe in Abstand zu einer parallelen Sockelplatte gehalten ist, welcher eine Montageplatte für elektronische Bausteine zugeordnet wird; an die elektronischen Bausteine - u. a. die Auswerteelektronik - sind die Zellen durch Verdrahtung angeschlossen.

Die beschriebene Einheit aus Grundplatte und Sockelplatte ist in einem luftdicht verschließbaren Gehäuse untergebracht, welches bevorzugt aus einer Bodenwanne und einem Deckel besteht, zwischen denen zumindest ein Dichtungsring verläuft.

Der Deckel ist mit einem Fenster versehen, welches der im Gehäuse festgelegten Grundplatte zugeordnet ist. Bevorzugt ist das Fenster als klarsichtige Kuppel ausgebildet, innerhalb deren die Grundplatte parallel zur Oberfläche des Deckels verläuft, wobei sich als günstig erwiesen hat, zwischen der Ebene der Grundplatte und der Oberfläche des Deckels einen Abstand zu halten.

Die beschriebene Vorrichtung wird in dem zu messenden Fahrgastraum so festgelegt, daß die Kantenzellen parallel zum lokalen Erdlot stehen, wohingegen die Zenitzelle das lokale Erdlot rechtwinklig quert. Wird eine bestimmte ausgewählte Zelle nach Norden ausgerichtet, können die benötigten Azimut- und Elevationswinkel der einfallenden Strahlen dank weiter unter beschriebener Gesetzmäßigkeiten ohne weiteres ermittelt werden.

Es handelt sich beim Erfindungsgegenstand um einen - ein integriertes Mikrocomputersystem zur Signalaufbereitung und eine computerkompatible Schnittstelle anbietenden - Sensor zur Messung der lokalen solaren Einstrahlungsintensität, Einstrahlungsrichtung in Azimut und Elevation. Damit ist eine korrekte Bewertung des realen physikalischen Geschehens möglich. Der Sensor ist durch robusten und feuchtigkeitsdichten Aufbau geeignet für stationäre und mobile Anwendungen.

Als Anwendungen bieten sich an:

Einstrahlungsgeführte Steuerung und Regelung von Heizungs- und Klimaanlagen für die Gebäudeleittechnik sowie für Schienen- und Straßenfahrzeuge. Berücksichtigung der eingestrahlten Energie entsprechend der richtungsbewertenden Fensterflächen von Gebäuden und Fahrzeugen.

Bilanzierung und Prognostizierung der eingestrahlten lokalen Solarenergie für den Einsatz im Bereich der Entwicklung von Kühlanlagen, Meteorologie, Landwirtschaft, Energiewirtschaft und Solarenergieforschung. Eine bevorzugte Anwendung ist die bei der Entwicklung von Kfz-Klimaanlagen.

Driftfreie Stützinformation für die Navigation und Ortung von Wasser- und Landfahrzeugen über die Sonnenstandsdaten. Optimieren der existierenden Fahrzeugnavigationsverfahren mittels Kompaß und Wegmessung (Fa. Bosch/Teldix).

Sonnenschutz- und Schattierungsanlagen können exakt, abhängig vom lokalen Einstrahlungswinkel und der Intensität, gesteuert werden. Jahres- und tageszeitlich bedingte Schwankungen der Intensität werden diskriminiert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine Schrägsicht auf eine aufgebrochene erfindungsgemäße Vorrichtung mit Meßkopf;

Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 verkleinerten Schnitt nach deren Linie II-II;

Fig. 3 ein gegenüber Fig. 2 vergrößertes Detail;

Fig. 4 die Draufsicht auf einen Teil dfes Meßkopfes;

Fig. 5 die Seitenansicht zu Fig. 4;

Fig. 6 eine Schemaskizze.

In einem quaderförmigen Gehäuse 10 aus einer Basiswanne 12 und einem Deckel 14 mit einer Kuppel 16 aus klarsichtigem Werkstoff ist unter letzterer eine achteckige Grundplatte 28 quer zur vertikalen Mittelachse M des Gehäuses 10 angeordnet und zwar gemäß Fig. 2 innerhalb jener Kuppel 16 oberhalb des Deckels 14 in Abstand i zu dessen Oberfläche 15.

In den Kanten 11, 13 von Basiswanne 12 und Deckel 14 verlaufen Nuten 18 zur Aufnahme eines Dichtgummis 19; so ist der Innenraum 20 des Gehäuses 10 luftdicht schließbar. Anschlußstutzen für ein Entlüften des Innenraumes 20 sind mit 21 bezeichnet.-

Um die Verbindung von Basiswanne 12 und Deckel 14 zu verbessern, ist letzterer an seinen Ecken mit Steckzapfen 22 ausgestattet, welche in Ausnehmungen 23 der Basiswanne 12 einsetzbar sind. Außerdem durchsetzen Schrauben 25 den Deckel 14 und enden in der Wand 17 der Basiswanne 12.

Jene in Draufsicht mehreckige - bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel auch scheibenförmig runde - Grundplatte 28 ist Teil eines Meßkopfes 30 mit (hier: acht) lichtempfindlichen Zellen Z₁ bis Z₈, die in gleichmäßigen Abständen an der Kante 27 verteilt sind und von dieser Kante 27 nach außen weisen. Diese Zellen Z₁ bis Z₈ sind jeweils um einen Winkel = 45° zueinander versetzt angebracht.

Auf einem Zentralklotz 32 der Grundplatte 28, also in Abstand zu deren Oberfläche 29, sitzt eine Zenitzelle 9, deren Oberfläche orthogonal zu denen der Zellen Z₁ bis Z₈ verläuft.

Alle Zellen Z₁ bis Z₉ müssen identisch sein und haben eine Richtungsempfindlichkeit nach dem Kosinusgesetz (Halbwertswinkel = 60° bezogen auf senkrechte Einstrahlung).

Die Grundplatte 28 sitzt auf beidends stirnseitig verschraubten Stäben 34, welche eine Montageplatte 36 mit bei 37 angedeuteten Stecklöchern durchsetzen sowie an einer Sockelplatte 38 enden. Letztere ist mit dem Gehäuse 10 verschraubt.

Auf der Montageplatte 36 sind elektrische Steckerleisten 40 sowie elektronische Bausteine 41 festgelegt und verdrahtet. Die Zellen Z₁ bis Z₉ sind über Leitungen 42 an eine Auswertelektronik E angeschlossen (Fig. 6).

Der Zusammenhang zwischen der Einstrahlungsleistung in der Zeichnung nicht erkennbarer Lichtstrahlen und dem Ausgangssignal der Zellen Z₁ bis Z₉ ist linear. Die Meßanordnung ist so gewählt, daß die Zellen Z₁ bis Z₈ parallel und Zenitzelle Z₉ jeweils senkrecht zum lokalen Erdlot stehen. Zelle Z₁ wird zur Messung nach Norden ausgerichtet.

Mit der Auswertelektronik E erfolgt die Messung der Werte der Zellen Z₁ bis Z₈ und die Ermittlung des Index einer Zelle Z _m mit der maximalen Einstrahlung.

Aus den - wie gesagt - nicht wiedergegebenen Lichtstrahlen ist in Fig. 4, 5 ein exemplarischer Strahl S ausgewählt. Der Azimutwinkel W der Einstrahlung ergibt sich zu:
(U _x = Meßwert einer Zelle Z _x ).

Hierin gilt für

m = 8; m + 1 = 1
m = 1; m - 1 = 8
m = 1; m - 2 = 7

Z _m + 1 bzw. Z _m - 1 sind die zum Maximalwert benachbart stehenden Zellen (zueinander orthogonal verlaufend).

Der Azimutanteil der Einstrahlung ergibt sich zu:

der Elevationswinkel H der Einstrahlung ergibt sich dann zu:

Die Einstrahlungsintensität ist

Zudem sorgt die Auswerteelektronik E für die Korrektur durch die globale Strahlung verfälschter Winkelwerte.

Die nach den Gleichungen (1), (3), (4) bestimmten Werte stehen am Ausgang der Auswerteelektronik E zur Verfügung.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Messen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Sonneneinstrahlung in Fahrgastzellen von Fahrzeugen, mit wenigstens einem lichtelektrischen Empfänger in Form einer Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßkopf (30) mit mehreren etwa ringförmig und an der Außenfläche der Ringkontur angeordneten Zellen (Z₁ bis Z₈) sowie wenigstens einer zu diesen Zellen orthogonal verlaufenden Zenitzelle (Z₉) ausgestattet ist, wobei die Zellen mit einer Auswerteelektronik (E) elektrisch verbunden sind, welche den Azimutwinkel (W) sowie den Elevationswinkel (H) der Einstrahlung feststellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (Z-₁ bis Z₉) von identischem Aufbau sind und eine Richtungsempfindlichkeit nach dem Kosinusgesetz (Halbwertswinkel = 60°, bezogen auf senkrechte Einstrahlung) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Grundplatte (28) des Meßkopfes (30) mit polygonaler oder kreisförmiger Kante (27), an der die Zellen (Z₁ bis Z₈) nach außen weisend angebracht sind und auf deren Oberfläche (29) die Zenitzelle (Z₉) zentrisch festliegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenitzelle (Z₉) in Abstand zur parallelen Oberfläche (29) der Grundplatte (28) verläuft.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (28) durch Stäbe (34) oder dergleichen in Abstand zu einer parallelen Sockelplatte (38) gehalten ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockelplatte (38) eine Montageplatte (36) für elektronische Bausteine (40, 41) zugeordnet ist, an welche die Zellen (Z₁ bis Z₉) angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (30) mit Sockel und Montageplatte (38, 36) in einem luftdicht verschlossenen Gehäuse (10) so angeordnet ist, daß die Grundplatte (28) im Bereich eines Fensters (16) des Gehäuses steht.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster als klarsichtige Kuppel (16) ausgebildet ist, innerhalb deren die Grundplatte (28) in Abstand (i) zur Oberfläche (15) eines die Kuppel enthaltenden Deckels (14) verläuft.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zenitzelle (Z₉) der Grundplatte (28) parallel zur Oberfläche (15) des Deckels (14) gerichtet ist.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) mit Anschlußstutzen (21) für die Entlüftung des Innenraumes (20) versehen ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Regelorgan einer Klimaanlage od. dgl. Einrichtung für die Konditionierung der Luft in Innenräumen zugeordnet ist.