WO1994017427A1 - Sensor zur erfassung der bestrahlungsstärke und des einfallswinkels der sonnenstrahlung - Google Patents

Sensor zur erfassung der bestrahlungsstärke und des einfallswinkels der sonnenstrahlung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a sensor for detecting the irradiance and the angle of incidence of solar radiation, which contains several photo elements.
  • the disadvantage of the known sensor device is that due to the arrangement of the photo elements in different planes, an integration of the entire system of photo elements on a chip is not possible.
  • the detection of the angle of incidence of the solar radiation by means of photo elements with different inclinations is relatively imprecise and therefore does not permit any more precise evaluation methods.
  • the sensor according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that all photo elements can be arranged in a single plane, so that the entire system can be integrated on a single chip. As a result, a very large number of photo elements, such as photo diodes, photo cells or photo transistors,
  • the detection of the different irradiance levels in different areas of the receiving surface can therefore be carried out very precisely and allows a very precise evaluation of the angle of incidence and the irradiance at a high level
  • the measuring opening is expediently formed by the opening of a tube piece containing the receiving surface, the receiving surface being substantially perpendicular to the
  • the pipe section in particular has a circular cross section. This creates defined conditions and prevents different amounts of scattered light from reaching the receiving surface depending on the respective angle of incidence.
  • the receiving surface is mirrored. This arrangement enables the irradiation to be recorded from almost the entire half-space.
  • Optical arrangement is that a collecting lens is provided which closes the measuring opening. This is designed to focus the incident light essentially on the plane of the receiving surface. This makes possible a natural projection of the sky onto the recording surface, with different, very small areas of the recording surface and therefore very few photo elements being irradiated very intensively at different angles of incidence.
  • the use of a combination of a mirrored inner surface and converging lens is particularly favorable in order to combine the advantages of both options.
  • the recording area is designed as a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or as an optoelectronic multi-chip area (multichip array).
  • CCD Charge Coupled Device
  • the receiving surface with the photo elements is expediently part of an integrated ASIC component, which can form part of an evaluation electronics for the photo elements.
  • This evaluation electronics can additionally have a microprocessor and / or an AD converter and / or a DA converter and / or at least one memory, it being possible for the entire system - receiving area and evaluation electronics - to be integrated on a chip or at least mounted on a card is. This enables direct measurement value acquisition and digitized data exchange and ease of dialogue with other sensor units, such as an electronic level, an air pressure meter, an altimeter and the like.
  • the evaluation electronics expediently contain means for adding up the detected irradiance levels of the individual photo elements or for evaluating the most irradiated photo element on the basis of its characteristic curve. Furthermore, computing means are provided for assigning the light distribution on the photo elements to an angle of incidence, for example in the case of the most irradiated photo element whose coordinates are assigned to the angular position of the sun in the recording matrix.
  • An advantageous possibility of using this sensor is to assign a position setting device for the geographical position of the evaluation electronics, means being provided for determining the time on the basis of stored empirical values from the geographical position, the angle of incidence and the irradiance.
  • a timer can also be assigned to the evaluation electronics, in which case means are provided for determining the geographic position on the basis of stored empirical values from the time, the angle of incidence and the irradiance.
  • the sensor shown as an exemplary embodiment in the single figure essentially consists of a tubular housing 10 with a circular cross-section, wherein other cross-sectional shapes are also possible for special applications.
  • An optical converging lens 11 is arranged on the upper tube opening of the tubular housing 10.
  • a plurality of photo elements 12 are arranged on a mounting plate 13, the plane of which is arranged perpendicular to the tube axis.
  • An evaluation electronics 14 is additionally arranged on this mounting plate 13 net.
  • the tubular housing 10 has an internal mirroring 15 above the receiving plate 13.
  • the photo elements 12 can be photo diodes, photo cells, photo transistors or the like. act.
  • CCD Charge Coupled Device
  • the evaluation electronics 14 consist, for example, of a microprocessor 16, an A / D converter 17 for converting the analog signals of the photo elements 12 into digital signals for the microprocessor 16.
  • the microprocessor 16 usually has a ROM 18 and a RAM 19 as a memory assigned. Furthermore, an I / O circuit 20 for
  • the elements 16-20 of the evaluation electronics 14 can be integrated together with the photo elements 12 on a single chip.
  • the evaluation electronics 14 can also be arranged as a separate chip or in the form of separate components on the underside of the mounting plate 13, as shown in the figure. Another possibility is to combine the photo elements 12 in one
  • the sensor described is mounted in a horizontal position, that is to say in a horizontal position of the mounting plate 13, at a fixed or movable location, for example on a vehicle for land travel, sea travel or aerospace.
  • The, for example, obliquely incident sunlight is focused on one of the photo elements 12 by means of the converging lens 11, which, depending on the type of focusing, can also be a plurality of photo elements 12.
  • One in ROM Program 18 contains the evaluation with the help of the microprocessor 16 and intelligently evaluates the image of the sky on the recording plate 13.
  • the microprocessor 16 searches for the photo element 12 which is most strongly irradiated and calculates with respect to its coordinates on the recording plate 13 the angular position of the sun and according to its characteristic the actual irradiance.
  • a summation can also be carried out in such a way that the irradiance levels recorded individually by all the photo elements 12 are added.
  • the direction of travel of the vehicle can also be determined via the angle of incidence of the solar radiation, since it can change very quickly in contrast to the sun.
  • the image of the sky migrates to another photo element 12 or to another area of photo elements.
  • the light is reflected onto the photo elements 12 via the internal mirroring 15.
  • the light distribution on the photo elements 12 is then compared with empirical values in order to arrive at a reproducible measuring angle.
  • the internal mirroring 15 may be provided. If only the internal mirroring 15 is provided, there are light and dark areas on the photo elements 12, which allow a conclusion on the angle of incidence ⁇ by comparison with stored light distributions.
  • the sensor described is to be used as part of a navigation system, it can be used in the evaluation electronics 14 a clock can be integrated.
  • the geographical location of the measurement location can then be determined with the aid of stored empirical values. However, this requires that either an exactly horizontal sensor position is maintained or that a deviation from the horizontal position is measured and taken into account accordingly.
  • the senor can also be used to determine the time by entering the geographic position data in a manner not shown. The time can then be determined from these in connection with the angle of incidence and the irradiance.
  • the sensor described is of course also able to distinguish the day-night cycle by means of the irradiance.

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Abstract

Es wird ein Sensor zur Erfassung der Bestrahlungsstärke und des Einfallswinkels (α) der Sonnenstrahlung vorgeschlagen, wobei eine Vielzahl von untereinander identisch ausgerichteten Fotoelementen (12) rasterartig in einer Ebene an einer Aufnahmefläche (13) angeordnet ist. Oberhalb der Aufnahmefläche (13) ist eine die durch eine Meßöffnung einfallende Sonnenstrahlung in Abhängigkeit des Einfallswinkels (α) auf unterschiedliche Bereiche der Aufnahmefläche (13) richtende optische Anordnung (11, 15) vorgesehen. Da die Fotoelemente alle in einer Ebene angeordnet sind, können sehr viele Fotoelemente auf sehr kleinem Raum als CCD-Bildsensor oder optoelektronische Mehr-Chip-Fläche angeordnet sein. Die Möglichkeit der Integration auf einem Chip mit anderen elektronischen Bauelementen und Baugruppen zur Auswertung der empfangenen Signale ist ebenfalls möglich. Der Einfallswinkel der Sonnenstrahlung und die Beleuchtungsstärke können mit sehr hoher Aufläsung erfaßt werden.

Description

Sensor zur Erfassung der Bestrahlungsstärke und des Einfallswinkels der Sonnenstrahlung
STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung der Bestrahlungsstärke 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 Bestrahlungsstärke der Sonnenstrahlung steuert. Beim bekannten Sensor sind drei oder vier Fotoelemente unter verschiedenen Neigungen in die verschiedenen Richtungen auf einer prismaartigen Haltevorrichtung 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 Einfallswinkels der Sonnenstrahlung mittels unterschiedlich geneigter Fotoelemente relativ ungenau und läßt daher keine präziseren Auswerteverfahren zu.
VORTEILE DER ERFNDUNG
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 Fotoelementen, 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 definierte Verhältnisse geschaffen, und es wird verhindert, daß unterschiedliche Mengen von Streulicht in Abhängigkeit des jeweiligen Einfallswinkels auf die Aufnahmefläche gelangen.
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 Halbraum. 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 Aufnahmefläche, wobei bei unterschiedlichen Einfallswinkeln unterschiedliche, sehr kleine Bereiche der Aufnahmefläche und damit nur sehr wenige Fotoelemente sehr intensiv bestrahlt werden. Besonders günstig ist die Verwendung einer Kombination 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 optoelektronische Mehr-Chip-Fläche (Multichiparray) erreicht.
Die Aufnahmefläche mit den Fotoelementen ist zweckmäßigerweise 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 aufweisen, wobei das gesamte System - Aufnahmefläche und Auswerteelektronik - auf einem Chip integriert sein kann oder zumindest auf einer Karte montiert ist. Hierdurch ist eine direkte Meßwerterfassung und ein digitalisierter Datenaustausch und eine Dialogfreundlichkeit mit anderen Sensoreinheiten, wie eine elektronische Libelle, ein Luftdruckmesser, ein Höhenmesser u.dgl., möglich.
Die Auswerteelektronik enthält zweckmäßigerweise Mittel zum Aufsummieren der erfaßten Bestrahlungsstärken der einzelnen Fotoelemente oder zur Bewertung des am stärksten bestrahlten 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 Positionsvorgäbe-Vorrichtung für die geographische Position der Auswerteelektronik zuzuordnen, wobei Mittel zum Bestimmen der Zeit anhand gespeicherter Erfahrungswerte aus der geographischen Position, dem Einfallswinkel und der Bestrahlungsstärke vorgesehen sind.
Andererseits kann auch ein Zeitgeber der Auswerteelektronik zugeordnet werden, wobei dann Mittel zum Bestimmen d e r geographischen Position anhand gespeicherter Erfahrungswerte aus der Zeit, dem Einfallswinkel und der Bestrahlungsstärke vorgesehen sind.
ZEICHNUNG
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näner erläutert. Die einzige Figur zeigt das Ausführungsbeispiel des Sensors im Vertikalschnitt.
BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Der in der einzigen Figur als Ausführungsbeispiel dargestellte 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 Aufnahmeplatte 13 ist zusätzlich eine Auswerteelektronik 14 angeord net. Das rohrförmige Gehäuse 10 weist oberhalb der Aufnahmeplatte 13 eine Innenverspiegelung 15 auf.
Bei den Fotoelementen 12 kann es sich um Fotodioden, Fotozellen, Fototransistoren od.dgl. handeln. Dabei kann die Aufnahmeplatte 13 zusammen mit den Fotoelementen 12 als
CCD (Charge Coupled Device)-Bildsensor oder als optoelektronische 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 Signale für den Mikroprozessor 16. wobei dem Mikroprozessor 16 in übl icher Weise als Speicher ein ROM 18 und ein RAM 19 zugeordnet sind. Weiterhin ist ein I/O -Kreis 20 zur
Verbindung der Aus werteelektronik 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 Aus werteelektronik 14 auch als separater Chip oder in Form separater Bauelemente an der Unterseite der Aufnahmeplatte 13 angeordnet 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 Auswerterechners 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 f ür 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 Bestrahlungsstärken addiert werden. Neben der Bestrahlungsstärke kann über den Einfallswinkel der Sonnenstrahlung auch die Fahrtrichtung 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 reflektiert. Die Lichtverteilung auf den Fotoelementen 12 wird dann mit Erfahrungs werten verglichen, um zu einem reproduzierbaren Meßwinkel zu gelangen.
In einer einfacheren Ausführungsform kann auch entweder nur die Sammell inse 11 oder nur die Innenverspiegelung
15 vorgesehen sein. Wenn nur die Innen verspiegelung 15 vorgesehen ist, so ergeben sich helle und dunkle Bereiche auf den Fotoelementen 12, die durch Vergleich mit gespeicherten Lichtverteilungen einen Rückschluß auf den Einfallswinkel α zulassen.
Soll der beschriebene Sensor als Teil eines Navigationssystems verwendet werden, so kann in der Auswerteelektronik 14 noch eine Uhr mitintegriert sein. Mit Hilfe gespeicherter Erfahrungswerte kann dann die geographische Lage des Meßorts bestimmt werden. Hierfür ist es allerdings erforderlich, daß entweder eine exakt horizontale Sensorlage eingehalten 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 Rechnereinheiten können noch weitere Auswertungen vorgenommen werden, insbesondere in Verbindung mit anderen Meßvorrichtungen zur Erfassung der horizontalen Lage (elektronische Libelle), des Luftdrucks, der Hohe u.dgl.

Claims

Ansprüche
1. Sensor zur Erfassung der Bestrahlungsstärke und des
Einfallswinkels der Sonnenstrahlung, der mehrere Fotoelemente 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 Abhängigkeit des Einfallswinkels (a) 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 Rohrachse 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 Aufnahmefläche (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 gekennzeichnet, 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 Fotoelementen (12) Bestandteil eines integrierten ASIC-Bausteins ist.
10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aus werteelektronik (14) für die
Fotoelemente (12) vorgesehen ist.
11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmefläche (13) mit den Fotoelementen (12) Bestandteil 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 Kennlinie aufweist.
14. Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 13. dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (14) Rechenmittel zum Zuordnen der Lichtverteilung auf den Fotoelementen zu einem Einfallswinkel (α) aufweist.
15. Sensor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Positionsvorgabe-Vorrichtung fü r die geographische Position der Auswerteelektronik (14) zugeordnet ist, und daß Mittel zum Bestimmen der Zeit anhand gespeicherter
Erfahrungs werte aus der geographischen Position, dem Einfallswinkel (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 geppeicherter Erfahrungswerte aus der Zeit, dem
Einfallswinkel und der Bestrahlungsstärke vorgesehen sind.
PCT/DE1994/000058 1993-01-29 1994-01-25 Sensor zur erfassung der bestrahlungsstärke und des einfallswinkels der sonnenstrahlung WO1994017427A1 (de)

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