DE4302442A1 - Sensor zur Erfassung der Bestrahlungsstärke und des Einfallwinkels der Sonnenstrahlung - Google Patents

Sensor zur Erfassung der Bestrahlungsstärke und des Einfallwinkels der Sonnenstrahlung

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Description

STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung der Bestrahlungs­ stärke und des Einfallswinkels der Sonnenstrahlung, der mehrere Fotoelemente enthält.
Aus der US-PS 47 60 772 ist ein derartiger Sensor bekannt, der eine Klimaanlage in Abhängigkeit des Einfallswinkels und der Be­ strahlungsstärke der Sonnenstrahlung steuert. Beim bekannten Sensor sind drei oder vier Fotoelemente unter verschiedenen Neigungen in die verschiedenen Richtungen auf einer prismaartigen Haltevor­ richtung angeordnet, so daß infolge der unterschiedlichen Winkel unterschiedliche Sensorsignale erhalten werden, die einen Rückschluß auf den Einfallswinkel zulassen.
Der Nachteil der bekannten Sensoreinrichtung besteht darin, daß infolge der Anordnung der Fotoelemente in unterschiedlichen Ebenen eine Integration des gesamten Systems von Fotoelementen auf einem Chip nicht möglich ist. Darüber hinaus ist die Erfassung des Ein­ fallswinkels der Sonnenstrahlung mittels unterschiedlich geneigter Fotoelemente relativ ungenau und läßt daher keine präziseren Aus­ werteverfahren zu.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß alle Fotoelemente in einer einzigen Ebene angeordnet werden können, so daß das gesamte System auf einem einzigen Chip integriert werden kann. Hierdurch kann eine sehr große Anzahl von Fotoelemen­ ten, wie Fotodioden, Fotozellen oder Fototransistoren, kostengünstig in einer Rasteranordnung realisiert werden. Die Erfassung der unterschiedlichen Bestrahlungsstärken in verschiedenen Bereichen der Aufnahmefläche kann daher sehr präzise erfolgen und läßt eine sehr präzise Auswertung des Einfallswinkels und der Bestrahlungsstärke bei hoher Auflösung zu.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich.
Die Meßöffnung wird zweckmäßigerweise durch die Öffnung eines die Aufnahmefläche enthaltenden Rohrstücks gebildet, wobei die Aufnahmefläche im wesentlichen senkrecht zur Achse angeordnet ist. Dabei weist das Rohrstück insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt auf. Hierdurch werden de­ finierte Verhältnisse geschaffen, und es wird verhindert, daß unterschiedliche Mengen von Streulicht in Abhängigkeit des jeweiligen Einfallswinkels auf die Aufnahmefläche ge­ langen.
Eine vorteilhafte optische Anordnung wird dadurch gebildet, daß die Innenfläche des Rohrstücks wenigstens oberhalb der Aufnahmefläche verspiegelt ist. Diese Anordnung ermöglicht die Erfassung der Einstrahlung fast aus dem gesamten Halb­ raum. Eine alternative, vorteilhafte Ausgestaltung der optischen Anordnung besteht darin, daß eine die Meßöffnung verschließende Sammellinse vorgesehen ist. Diese ist zur Fokussierung des einfallenden Lichts im wesentlichen auf der Ebene der Aufnahmefläche ausgebildet. Dies ermöglicht eine naturechte Projektion des Himmels auf die Aufnahme­ fläche, wobei bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unter­ schiedliche, sehr kleine Bereiche der Aufnahmefläche und damit nur sehr wenige Fotoelemente sehr intensiv bestrahlt werden. Besonders günstig ist die Verwendung einer Kombi­ nation von verspiegelter Innenfläche und Sammellinse, um die Vorteile beider Möglichkeiten zu vereinen.
Eine extrem gute Auflösung der Sonnenbewegung in bezug auf den Meßort wird durch die Ausbildung der Aufnahmefläche als CCD (Charge Coupled Device)-Bildsensor oder als opto­ elektronische Mehr-Chip-Fläche (Multichiparray) erreicht.
Die Aufnahmefläche mit den Fotoelementen ist zweckmäßiger­ weise Bestandteil eines integrierten ASIC-Bausteins, der einen Teil einer Auswerteelektronik für die Fotoelemente bilden kann. Diese Auswerteelektronik kann zusätzlich noch einen Mikroprozessor und/oder einen AD-Wandler und/oder einen DA-Wandler und/oder wenigstens einen Speicher auf­ weisen, wobei das gesamte System - Aufnahmefläche und Aus­ werteelektronik - auf einem Chip integriert sein kann oder zumindest auf einer Karte montiert ist. Hierdurch ist eine direkte Meßwerterfassung und ein digitalisierter Datenaus­ tausch und eine Dialogfreundlichkeit mit anderen Sensor­ einheiten, wie eine elektronische Libelle, ein Luftdruck­ messer, ein Höhenmesser u. dgl., möglich.
Die Auswerteelektronik enthält zweckmäßigerweise Mittel zum Aufsummieren der erfaßten Bestrahlungsstärken der einzel­ nen Fotoelemente oder zur Bewertung des am stärksten be­ strahlten Fotoelements anhand seiner Kennlinie. Weiterhin sind Rechenmittel zum Zuordnen der Lichtverteilung auf den Fotoelementen zu einem Einfallswinkel vorgesehen, wobei beispielsweise beim am stärksten bestrahlten Fotoelement dessen Koordinaten in der Aufnahmematrix der Winkellage der Sonne zugeordnet werden.
Eine vorteilhafte Möglichkeit des Einsatzes dieses Sensors besteht darin, eine Positionsvorgabe-Vorrichtung für die geographische Position der Auswerteelektronik zuzuordnen, wobei Mittel zum Bestimmen der Zeit anhand gespeicherter Erfahrungswerte aus der geographischen Position, dem Ein­ fallswinkel und der Bestrahlungsstärke vorgesehen sind. Andererseits kann auch ein Zeitgeber der Auswerteelektronik zugeordnet werden, wobei dann Mittel zum Bestimmen der geographischen Position anhand gespeicherter Erfahrungs­ werte aus der Zeit, dem Einfallswinkel und der Bestrahlungs­ stärke vorgesehen sind.
ZEICHNUNG
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt das Ausführungsbeispiel des Sensors im Vertikalschnitt.
BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Der in der einzigen Figur als Ausführungsbeispiel darge­ stellte Sensor besteht im wesentlichen aus einem rohrförmigen Gehäuse 10 mit kreisförmigem Querschnitt, wobei auch andere Querschnittsformen für Spezialanwendungen möglich sind. An der oberen Rohröffnung des rohrförmigen Gehäuses 10 ist eine optische Sammellinse 11 angeordnet. Im mittleren Bereich des Gehäuses 10 ist eine Vielzahl von Fotoelementen 12 auf einer Aufnahmeplatte 13 angeordnet, deren Ebene senkrecht zur Rohrachse angeordnet ist. An dieser Aufnahme­ platte 13 ist zusätzlich eine Auswerteelektronik 14 angeord­ net. Das rohrförmige Gehäuse 10 weist oberhalb der Aufnahme­ platte 13 eine Innenverspiegelung 15 auf.
Bei den Fotoelementen 12 kann es sich um Fotodioden, Foto­ zellen, Fototransistoren od. dgl. handeln. Dabei kann die Aufnahmeplatte 13 zusammen mit den Fotoelementen 12 als CCD (Charge Coupled Device)-Bildsensor oder als optoelekto­ nische Mehr-Chip-Fläche (Multichiparray) ausgebildet sein.
Die Auswerteelektronik 14 besteht beispielsweise aus einem Mikroprozessor 16, einem A/D-Wandler 17 zur Umwandlung der analogen Signale der Fotoelemente 12 in digitale Si­ gnale für den Mikroprozessor 16, wobei dem Mikroprozessor 16 in üblicher Weise als Speicher ein ROM 18 und ein RAM 19 zugeordnet sind. Weiterhin ist ein I/O-Kreis 20 zur Verbindung der Auswerteelektronik 14 mit externen Einheiten vorgesehen. Die Elemente 16-20 der Auswerteelektronik 14 können zusammen mit den Fotoelementen 12 auf einem einzigen Chip integriert sein. Selbstverständlich kann die Auswerte­ elektronik 14 auch als separater Chip oder in Form separater Bauelemente an der Unterseite der Aufnahmeplatte 13 angeord­ net sein, wie dies in der Figur dargestellt ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Fotoelemente 12 in einem ASIC-Baustein zu integrieren, um eine Entlastung des Aus­ werterechners zu erreichen.
Der beschriebene Sensor wird in horizontaler Lage, also in horizontaler Lage der Aufnahmeplatte 13, an einem festen oder beweglichen Ort montiert, beispielsweise auf einem Fahrzeug für Landfahrt, Seefahrt oder Luft- und Raumfahrt. Das beispielsweise schräg einfallende Sonnenlicht wird auf eines der Fotoelemente 12 mittels der Sammellinse 11 fokussiert, wobei es sich je nach Art der Fokussierung auch um mehrere Fotoelemente 12 handeln kann. Ein im ROM 18 enthaltenes Programm nimmt mit Hilfe des Mikroprozessors 16 die Auswertung vor und bewertet intelligent das Abbild des Himmels auf der Aufnahmeplatte 13. Der Mikroprozessor 16 sucht nach demjenigen Fotoelement 12, das am stärksten bestrahlt ist, und rechnet in bezug auf dessen Koordinaten auf der Aufnahmeplatte 13 die Winkellage der Sonne und nach seiner Kennlinie die tatsächliche Bestrahlungsstärke aus. Zur Erfassung der Bestrahlungsstärke kann auch eine Summenbildung in der Weise durchgeführt werden, daß die von allen Fotoelementen 12 einzeln aufgenommenen Bestrahlungs­ stärken addiert werden. Neben der Bestrahlungsstärke kann über den Einfallswinkel der Sonnenstrahlung auch die Fahrt­ richtung des Fahrzeugs ermittelt werden, da sich diese im Gegensatz zur Sonne sehr rasch verändern kann. Bei einer Drehung des Fahrzeugs wandert das Abbild des Himmels auf ein anderes Fotoelement 12 bzw. auf einen anderen Bereich von Fotoelementen.
Bei sehr flachem Einstrahlungswinkel α wird das Licht über die Innenverspiegelung 15 auf die Fotoelemente 12 reflek­ tiert. Die Lichtverteilung auf den Fotoelementen 12 wird dann mit Erfahrungswerten verglichen, um zu einem reprodu­ zierbaren Meßwinkel zu gelangen.
In einer einfacheren Ausführungsform kann auch entweder nur die Sammellinse 11 oder nur die Innenverspiegelung 15 vorgesehen sein. Wenn nur die Innenverspiegelung 15 vorgesehen ist, so ergeben sich helle und dunkle Bereiche auf den Fotoelementen 12, die durch Vergleich mit gespeicher­ ten Lichtverteilungen einen Rückschluß auf den Einfalls­ winkel α zulassen.
Soll der beschriebene Sensor als Teil eines Navigations­ systems verwendet werden, so kann in der Auswerteelektronik 14 noch eine Uhr mitintegriert sein. Mit Hilfe gespeicherter Erfahrungswerte kann dann die geographische Lage des Meß­ orts bestimmt werden. Hierfür ist es allerdings erforder­ lich, daß entweder eine exakt horizontale Sensorlage einge­ halten wird oder daß eine Abweichung von der horizontalen Lage gemessen und entsprechend berücksichtigt wird.
Umgekehrt kann der Sensor auch zur Zeitbestimmung verwendet werden, indem in nicht dargestellter Weise die geographischen Positionsdaten eingegeben werden. Aus diesen in Verbindung mit dem Einfallswinkel und der Bestrahlungsstärke läßt sich dann die Uhrzeit ermitteln.
Der beschriebene Sensor ist selbstverständlich auch in der Lage, über die Bestrahlungsstärke den Tag-Nacht-Zyklus zu unterscheiden.
Über digitalisierten Datenaustausch mit externen Rechner­ einheiten können noch weitere Auswertungen vorgenommen werden, insbesondere in Verbindung mit anderen Meßvorrich­ tungen zur Erfassung der horizontalen Lage (elektronische Libelle), des Luftdrucks, der Höhe u. dgl.

Claims (16)

1. Sensor zur Erfassung der Bestrahlungsstärke und des Einfallswinkels der Sonnenstrahlung, der mehrere Fotoelemen­ te enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die untereinander identisch ausgerichteten Fotoelemente (12) rasterartig in einer Ebene an einer Aufnahmefläche (13) angeordnet sind und daß oberhalb der Aufnahmefläche (13) eine die durch eine Meßöffnung einfallende Sonnenstrahlung in Ab­ hängigkeit des Einfallswinkels (α) auf unterschiedliche Bereiche der Aufnahmefläche (13) richtende optische Anordnung (11, 15) vorgesehen ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßöffnung durch die Öffnung eines die Aufnahmefläche (13) enthaltenden Rohrstücks (10) gebildet wird, wobei die Aufnahmefläche (13) im wesentlichen senkrecht zur Rohr­ achse angeordnet ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (10) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Rohrstücks (10) wenigstens oberhalb der Aufnahmefläche (13) verspiegelt ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Bereich der Meßöffnung angeord­ nete Sammellinse (11) vorgesehen ist.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse (11) zur Fokussierung des einfallenden Sonnenlichts im wesentlichen auf der Ebene der Aufnahme­ fläche (13) ausgebildet ist.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmefläche (13) als CCD (Charge Coupled Device)-Bildsensor ausgebildet ist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aufnahmefläche (13) als optoelektronische Mehr-Chip-Fläche (Multichiparray) ausgebildet ist.
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmefläche (13) mit den Foto­ elementen (12) Bestandteil eines integrierten ASIC-Bausteins ist.
10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteelektronik (14) für die Fotoelemente (12) vorgesehen ist.
11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmefläche (13) mit den Fotoelementen (12) Bestand­ teil eines Chip ist, der zusätzlich die Auswerteelektronik (14) für die Fotoelemente (12) enthält.
12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (14) einen Mikroprozessor (16) und/oder einen AD-Wandler (17) und/oder einen DA-Wandler und/oder wenigstens einen Speicher (18, 19) aufweist.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (14) Mittel zum Aufsummieren der erfaßten Bestrahlungsstärken in den einzelnen Fotoelementen (12) oder zur Bewertung des am stärksten bestrahlten Fotoelements (12) anhand seiner Kenn­ linie aufweist.
14. Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (14) Rechen­ mittel zum Zuordnen der Lichtverteilung auf den Fotoelemen­ ten zu einem Einfallswinkel (α) aufweist.
15. Sensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Positionsvorgabe-Vorrichtung für die geographische Position der Auswerteelektronik (14) zugeordnet ist, und daß Mittel zum Bestimmen der Zeit anhand gespeicherter Erfahrungswerte aus der geographischen Position, dem Ein­ fallswinkel (α) und der Bestrahlungsstärke vorgesehen sind.
16. Sensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitgeber der Auswerteelektronik (14) zugeordnet ist, und daß Mittel zum Bestimmen der geographischen Position anhand gespeicherter Erfahrungswerte aus der Zeit, dem Einfallswinkel und der Bestrahlungsstärke vorgesehen sind.
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