DE7132579U

DE7132579U - Pyranometer

Info

Publication number: DE7132579U
Application number: DE19717132579
Authority: DE
Original assignee: Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Current assignee: Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Priority date: 1970-08-27
Filing date: 1971-08-26
Publication date: 1971-12-30
Also published as: GB1361257A; FR2102872A5; AU3274871A; BE771616A; AU470654B2; NL7111637A; DE2142713A1

Description

¹¹¹PATtNTAIiWAlTE ' ι.

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖN WALD T

DRYING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL.-äNG. SELTING

KDLN 1, DEICHMANNHAUS

24.8,1971 Sg/Sd

INSTITUT NATIONAL de la RECHERCHE AGRONOMIQUE, 149, Rue de Grenelle, Paris (Frankreich)

Pyranometer

Die Erfindung betrifft ein Pyranometer mit mindestens je einer die einfallende Strahlung reflektierenden weißen Fläche und einer die Strahlung absorbierenden schwarzen Fläche, bei welchem die beiden Flächen durch in Reihe geschaltete Thermoelemente verbunden sind, deren Anschlußpunkte abwechselnd unter einer schwarzen und unter einer weißen Fläche angeordnet sind.

Derartige Pyranometer werden in der Ökologie dazu benutzt, eine gründliche Kenntnis der Lichtabhängigkeit des Mikroklimas zu erhalten. Besonders bei Pflanzen spielt die Strahlung eine bedeutende Rolle, sowohl bei der Photosvnthese wie bei der Verdunstung. Das Gleichgewicht und die Kinetik der Ökosysteme hängen zum großen Teil von der Verteilung und der Entwicklung der Sonnenenergie in der Pflanzendecke ab.

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In der Landwirtschaft ist der Klimafaktor von großer Bedeutung für die zu erzielenden Erträge. Die Produktion von Trockenmaterial einer Kultur ist abhängig von der Energie, die von dem Assimilationssystem absorbiert wird. Unter diesem Gesichtspunkt sind ausschließlich die Strahlungen im Spektralbereich von 0,3 bis 0,7/um wirksam.

Sowohl In der Agronomie als auch in der Ökologie ist es wichtig, daß in jeder Ebene der Pflanzendecke die vorkommende Energie mit großer Genauigkeit gemessen werden kann. Hierbei unterscheidet man zwei große Klassen.

Zur ersten Klasse gehören die Vorrichtungen mit selektiven Sensoren. Ihre Empfindlichkeit ist von der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung abhängig. In diese Kategorie fallen die Geräte, bei denen die Sensoren aus aktiven oder passiven photoelektrischen Zellen bestehen. Einige davon (z.B. Selenzellen) haben eine große Spektralempfindlichkeit im Empfangsbereich des menschlichen Auges. Ihre Reaktion stellt ein Maß für die Lichtstarkeempfindung von Menschen dar. Sie v/erden daher mit Erfolg in der Beleuchtungstechnik angewandt. Allerdings liefern sie kein Maß für die auftreffende Gesaratenergie. Bei gleichen Energiemengen bewirkt eine Änderung der Spektralzusammensetzung der Strahlung eine Änderung der Reaktion bei derartigen Geräten.

Selche Änderungen treten normalerweise beim Eindringen von Strahlen in eine Pflanzendecke ein. Daher kann der genannte Gerätetyp, der wegen seiner Einfachheit außerordentlich billig ist, nicht für derartige Messungen im Pflanzenbereich angewandt werden.

Zur zweiten Gruppe gehören die Geräte mit nichtselektiven Sensoren. Diese sind in Wirklichkeit in einem breiten

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'Spektralbereich nur wenig selektiv. Im Prinzip arbeiten sie so, daß eine Temperaturmessung an einem die Strahlung empfangenden und absorbierenden schwarzen Körper vorgenommen wird. Zu diesen Geräten gehören die Thermobatterien, die, sofern sie dazu dienen, global den gesamten Strahlungsbereich zu erfassen, als Pyranometer bezeichnet werden. Ihre Selektivität wird durch die verwendete Umkleidung, die den eigentlichen Energieumsetzer darstellt, und durch die transparente Umhüllung bestimmt. Die Umhüllung besteht im allgemeinen aus Glas. In ihr ist das Sensorelement untergebracht, um es vor Umgebungseinflüssen zu schützen.

Zahlreiche Pyranometerarten sind im Handel erhältlich. Am häufigsten werden diejenigen verwendet, deren s:Lch die meteorologischen Dienststellen bedienen; in Westeuropa Batterien von M0LL-G0RCZYN3KI, in den USA Batterien von EPPLEY. Diese Geräte, die einen hohen Gestehungspreis haben, haben eine zu kleine Aufnahmefläche, um in einer Pflanzendecke verwendet werden zu können. Durch das Vorhandensein von Schatten- und Lichtflecken mit jeweils veränderlicher Fläche entsteht eine große Heterogenität. Für den erläuterten Zweck ist es daher wichtig, einen Sensor mit hoher Empfindlichkeit zu verwenden, dessen Größe es erlaubt, direkt einen Mittelwert der Strahlenflußdichte zu erhalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Pyranometer der eingangs genannten Art anzugeben, das diesen Anforderungen genügt und durch seinen einfachen Aufbau leicht und billig herstellbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Thermoelemente aus einer auf einer gravierten isolierenden Unterlage vorgesehenen Konstantanschicht bestehen, daß die Konstantanschicht die Form sich periodisch aneinanderreihender Wellen besitzt, die jeweils

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entweder auf den aufsteigenden oder auf den abfallenden Wellenteilen mit einem Kupferüberzug versehen sind, und daß die einen Halbwellen, oder wenigstens deren Spitzen, Kiit einer dunklen absorbierenden Farbschicht- und die anderen Halbwellen, oder wenigstens deren Spitzen, mit einer hellen reflektierenden Farbschicht abgedeckt sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Pyranometer sind zwei Flächen, von denen eine schwarz ist und die Strahlung absorbiert, und von denen die andere weiß ist und sie reflektiert, der Bestrahlung ausgesetzt. Ferner sind Mittel vorgesehen, um die Temperaturabweichung zwischen den beiden der Strahlung ausgesetzten Flächen zu messen. Diese Mittel bestehen aus einem Komplex hinterelnandergeschalteter Thermoelemente, deren Verbindungsstellen wechselweise den schwarzen oder r 15 den vieiSen Flächen zugeordnet- sind= Das erfindungsgemäße

Pyranometer kann in beliebigen Abmessungen hergestellt werden. Die an den einzelnen inermoelementen hervorgerufenen Thermospannungen bzw. die Temperaturdifferenzen zwischen den unterschiedlichen Flächen addieren sich. Auf diese Weise erhält man eine günstige Mittelwertbildung.

Das Paranometer gestattet es aufgrund der Ausdehnung der Sensorflächen, direkt den Mittelvrert der anfallenden Bestrahlungsdichte zu ermitteln. Seine Herstellung ist außerordentlich billig und kann vollkommen automatisiert werden. Dies ist mit den bekannten Geräten nicht möglich. Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Prinzipdarstellung des Pyranometer s,

Fig. 2 eine Teilansicht einer Ausführungsform von oben zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips,

Fig. jj zeigt eine Teilansicht des Pyranometers nach Fig. 2 von der Seite, und

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Reaktion des Gerätes in Abhängigkeit von der aufgenommenen Sonnenenergie.

Anhand von Fig. 1 soll schematisch das Prinzip des Pyranometers erläutert werden. Es besteht darin, die Thermoelemente nach der von gedruckten Schaltungen her bekannten Technik herzustellen. Zu diesem Zweck wird eine aus Konstantan bestehende Beschichtung auf eine Trägerplatte aus Isoliermaterial aufgebracht. Diese wird anschließend chemisch graviert oder geätzt, so daß man eine Art Leitungsführung in Form eines schmalen Bandes auf der Platte erhält. Dieses Band ist wellenförmig, beim vorliegenden Ausfünrungsbeispiei mäanderförmiß. Auf ihm wird diskontinuier-

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In Höhe der Verbindungen Kupfer-Konstantan sind entweder schwarze oder weiße Farbüberzüge vorhanden, die absorbierend bzw. reflektierend sind.

Fig. 2 zeigt die Meßvorrichtung des Pyranometers. Durch Gravieren oder Ätzen einer dünnen Unterlage oder Scheibe 5 aus z.B. Epoxydharz, die mit Konstantan beschichtet i°t, erhält man nach teilweisem Entfernen der Konstantanschicht einen Konstantanwiderstand 6 in Form eines Bandes. Das Band 6 stellt einen aus einer Reihe identischer Wellen 7 bestehenden Stromkreis dar. Jeder Wellenteil, ausgehend von einem Wellenberg bis zum nächsten Wellental, ist auf elektrolytischem Wege mit einer dünnen Kupferablagerung bedeckt, so daß sich abwechselnd unbedeckte Segmente 8 aus Konstantan und mit Kupfer bedeckte Konstantansegmente 9 ergeben, die senkrecht zur Längsachse der Platte verlaufen.

jedes Ende des Bandes 6 ist mit einem Leitungsanschluß 10 verbunden. Gemäß der Fig. 2 sind sämtliche oberen Halbwellen 7a der Wellen von einem Streifen 11 aus schwarzem absorbierendem Material z.B. in Form eines Anstrichs, überzogen. Die unteren Halbwellen 7b der Wellen sind demgegenüber mit einem Streifen aus weißer reflektierender Farbe abgedeckt, der parallel zu dem Streifen 11 verläuft. Es ist nicht unbedingt erforderlich jeweils die gesamten Halbwellen abzudecken, jedoch stellt dies die günstigste Äusführungsforrn dar.

Fig. 3 zeigt ein Pyranometer im Längsschnitt, bei dem die in Fig. 2 schematisch von oben dargestellten Meßmittel zur Anwendung kommen. Die Platte 5, welche die Thermoelemente trägt, ist im Innern eines durchsichtigen Rohres IJ, das vorzugsweise aus Pyrex besteht, montiert und unter Spannung zwischen zwei Stützen Ik und I5 befestigt. Diese sind mit einem gegenüber Silikonen weich bleibenden Klebemittel an dem die Thermoelemente umgebenden Rohr IJ angebracht.

Um eine gegenüber den anderen Teilen festliegende Ebene zu erhalten, stellt man die beiden Stützen 14 und 15 parallel zueinander ein und befestigt dann eine Wasserwaage 16 an eineir. aus dem Rohr IJ herausragenden Teil der Stütze 15· Die Stütze I5 dichtet das Rohr I3 ab.

Die gegenüberliegende Stütze 14 verbindet das Rohr IJ mit einem kapponförmigen Behälter I7 unter Abdichtung gegenüber der Atmosphäre. Der Behälter I7 enthält ein Silikatgel 18, das für die Trocknung der Innenatmosphäre des Instrumentes sorgt.

Die beiden Endklemmen 10 des Konstantanbandes 6 werden mit JO zwei Leitern I9 verbunden, die abdichtend durch die Wand

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des Behälters 17 hindurchgeführt sind.

Um die von unten her auf das Pyranometer einwirkende Strahlung abzuschirmen, ist ein (nicht gezeichnetes) Aluminiumblatt auf den entsprechenden Teil der Innenfläche des Rohres 15 aufgeklebt.

Bei richtiger Auswahl des schwarzen und des weißen Anstriches wird der Anwendungsbereich des Pyranometers durch die Strahlendurchlässigkeit des Glasrohres IJ> begrenzt. Bei einer praktischen Ausführungsform des Pyranometers wurde als schwarzer Anstrich der unter dem Namen "Nextel velvet coating" bekannte Anti-Reflektionsanstrich verwandt. Als weißer Anstrich wurde "Super blanc couvrant" benutzt. Es wurde ferner Pyrex-Glas verwandt, das jegliche Sonnenstrahlung zwischen 0,3 und 3/u Wellenlänge abfängt.

Bei Photosynthesearbeiten kann man zusätzlich Filter verwenden, mit denen die gewünschte Spektralempfindlichkeit erzielt wird. Die Temperatur übt keinen wesentlichen Einfluß auf die Funktion des Gerätes aus, solange der übliche Temperaturbereich nicht überschritten wird.

Fig. 4 zeigt die Reaktionskurve eines Pyranometers in Abhängigkeit von der empfangenen Sonnenenergie. Man erkennt, daß die Kurve geradlinig verläuft.

Es ist festzustellen, daß die Linearität im Fall diffuser Strahlung (bedecktes V/etter) bzw. schwacher Sonnenenergie besser ist als im Fall starker Sonnenenergie (mit direkter Einstrahlung). Dies ist auf die von der Lage der Strahlungsquelle in bezug auf das Pyranometer abhängige Reflektion der Strahlung zurückzuführen. Die Empfindlichkeit der z.Z. hergestellten nach der Erfindung aufgebauten Pyrano-

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-1 2 meter liegt in der Größenordnung von 30 /u V.W. m gegen-

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über 22 yu V.W. m für das beste der vergleichbaren bekannten Geräte. Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Pyranometers erscheint außerdem noch steigerungsfähig.

Das Pyranometer besitzt neben einer ausgezeichneten Empfindlichkeit einen geringen Innenwiderstand und eine günstige Zeitkonstante. Bei einer praktischen Ausführungsform wurde an einem Pyranometer ein niedriger Innenwiderstand von Ij5 Ohm gemessen. Die Reaktionszeit lag in der Größenordnung von 3»7 Sekunden.

Das Pyranometer kann ohne Schwierigkeiten mit flüssigen Medien betrieben werden, da das Rohr 1J> ohne Schwierigkeiten abgedichtet werden kann. Neben der beschriebenen Ausführuncsform sind auch zahlreiche Abwandlungen möglich. So kann der weiße Anstrich durch eine Metallablagerung unter Vakuum ersetzt werden, deren Reflektionsvermögen von der Wellenlänge der Strahlung nahezu unabhängig ist, ohne jedoch gleich der Einheit zu sein. Der schwarze Anstrich kann durch einen Überzug eines vollkommen schwarzen Körpers ersetzt werden, d.h. mit einer Absorptionsfähigkeit, die von der Wellenlänge der Strahlung unabhängig und gleich der Einheit ist.

Es ist auch möglich, die Empfindlichkeit des Gerätes zu beeinflussen, indem die Stärke der Kupferablagerung und die Anzahl der Thermoelemente verändert wird. Die thermische Leistung kann variiert werden, indem man den Abschnitt des Konstantanleiters ändert.

Claims

Ansprüche

1. Pyranometer mit Mindestens je einer die einfallende Strahlung reflektierenden weißen Fläche und einer die Strahlung absorbierenden schwarzen Fläche, bei welchem die beiden Flächen durch in Reihe geschaltete Thermoelemente verbunden sind, deren Anschlußpunkte abwechselnd unter einer schwarzen und unter einer weißen Fläche angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente aus einer auf einer gravierten isolierenden Unterlage (5) vorgesehenen Konstantanschicht (8) bestehen, daß die Konstantanschicht (8) die Form sich periodisch aneinanderreihender Wellen (7) besitzt, die jeweils auf den aufsteigenden oder auf den abfallenden Wellenteilen mit einem Kupferüberzug (9) versehen sind, und daß die einen Halbwellen (7&), oder wenigstens deren Spitzen, mit einer dunklen, absorbierenden Schicht (11), und die anderen Halbwellen (7b) oder wenigstens deren Spitzen, mit einer hellen reflektierenden Schicht (12) abgedeckt sind.

2. Pyranometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantanschicht mäanderförmig, sägezahnförmig oder sinusförmig ist.

3. Pyranometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (5) innerhalb eines mindestens teilweise aus Glas bestehenden abdichtbaren Gehäuses

! (Rohr IJ) untergebracht ist.

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