WO2002059551A1 - Vorrichtung zur messung von ultravioletter strahlung - Google Patents

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WO2002059551A1
WO2002059551A1 PCT/CH2002/000022 CH0200022W WO02059551A1 WO 2002059551 A1 WO2002059551 A1 WO 2002059551A1 CH 0200022 W CH0200022 W CH 0200022W WO 02059551 A1 WO02059551 A1 WO 02059551A1
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Thomas R. Haas
Daniel Konrad
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B-Sys Gmbh
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    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0488—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts with spectral filtering

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring ultraviolet radiation according to the preamble of the independent claim.
  • a device of this type is described in principle, for example, in US Pat. No. 5,946,641, but it is primarily concerned with signal processing.
  • a "quasi-intelligent" sensor head is connected to a base unit.
  • the sensor head has a memory in which specific
  • Information about the respective sensor head is contained as well as device drivers and evaluation algorithms, which are loaded into the memory of the base unit when the sensor head is inserted. It is thus possible to operate different sensor heads with one and the same base unit without the "drivers" and evaluation algorithms for a number of different sensor heads having to be stored in the base unit, which also means newly developed sensor heads at the time the base unit was developed have not yet existed, can be used with the "old" base unit.
  • the sensors used in the known devices have a comparatively large active area, typically significantly larger than 1 mm 2 . This is because sensors with smaller active areas are particularly critical for such applications because the output signal you generate (typically an electrical current) is so small that it cannot be processed further using conventional methods due to interference potential. For this reason, sensors with comparatively large active areas have been used so far because they are used to receive signals that with conventional ones
  • the invention seeks to remedy this. It is therefore an object of the invention to propose a less complex device of the type mentioned at the outset, which nevertheless ensures precise measurements of the radiation intensity in the range of ultraviolet radiation.
  • the device according to the invention has a dome which is transparent to the radiation and a diffuser arranged downstream of the dome, behind which the sensor is arranged.
  • the dome has the advantage that the dome can pass the light from all directions more or less vertically and act on the sensor, so that there are at most few reflections on the surface, in contrast to the frequently used flat, transparent protective surfaces in front of the sensor.
  • Sensor has an active area in the range from approximately 0.005 mm 2 to approximately 0.3 mm 2 , preferably in the range from approximately 0.01 mm 2 to approximately 0.055 mm 2 . So sensors are used with a very small active area that have not been used up to now due to their correspondingly small electrical output signal (typically a current), as already explained above.
  • An exemplary embodiment of the device according to the invention also has a current-voltage converter connected downstream of the sensor with (potential-wise) shielded inputs and an amplifier connected downstream of this current-voltage converter.
  • the shield prevents the occurrence of interference potential in the area of the input of the current-voltage converter, so that the anyway small electrical output signal (here: the current) of the sensor - typically a photodiode, e.g. made of silicon carbide - is not falsified by interference potential or interference currents (which can flow through the material of the circuit board, for example).
  • the output of the current-voltage converter on the one hand and an external voltage source on the other hand are connected to the input of the amplifier.
  • the DC voltage impressed on the input of the amplifier by this external voltage source is considerably larger than the offset Voltage of the amplifier, but of course not so high that it drives the amplifier output into saturation (otherwise measurement would no longer be possible). However, it is so large that the offset voltage of the amplifier cannot bring the amplifier into an unacceptable operating state.
  • the DC voltage impressed by the voltage source is also substantially greater than the amplitude of an averaging-free alternating signal, for example noise, which is superimposed on the output signal of the current-voltage converter at the input of the amplifier.
  • the function of the averaging-free alternating signal will be explained further below.
  • the output signal of the amplifier is larger at certain times than the amplified output signal of the current-voltage converter and is smaller than this at other times.
  • An analog-to-digital converter is connected downstream of the amplifier, which samples the output signal of the amplifier several times within a predeterminable period of time and forms an average value from the sampled values as a representative quantity for the measured intensity of the ultraviolet radiation.
  • the device in addition to the sensor, which converts the intensity of the UV radiation into an electrical current, there are additionally at least three location sensors behind the dome intended. These location sensors are arranged in different azimuthal positions with respect to an axis (normal) which is perpendicular to the surface of the (UV intensity) sensor, in such a way that the active areas of the location sensors point in the direction of the dome and include an acute elevation angle with the axis.
  • the elevation angle of the incident radiation can be determined, to put it in a more casual manner, the (incident)
  • means are provided for weighting the mean value, which represents the representative quantity for the intensity of the radiation, the means for weighting the mean value weighting the mean value as a function of the determined elevation angle.
  • the "directional information" that is obtained with the aid of the location sensors is therefore used here specifically to weight the signal for the intensity of the ultraviolet radiation. This is advantageous in that more or less perpendicularly incident radiation - radiation that is essentially parallel to the normal on the surface of the (UV intensity)
  • Sensor incident - has a stronger effect on human skin than radiation that falls at an angle that deviates significantly from this direction.
  • the effect of UV light on human skin is much weaker in the early morning or late afternoon than at noon (assuming the same intensity).
  • Another exemplary embodiment of the device according to the invention has a device for measuring the temperature of the housing interior and for converting the measurement result into an electrical quantity representative of this temperature. This is important, for example, for scientific applications in which you want to know at which interior temperature the measurement was carried out. On the other hand, if no special measures are taken, the
  • the interior temperature essentially corresponds to the ambient temperature. This temperature is also of interest in certain areas of application (e.g. for a display on a large screen in a swimming pool or for a display on a large screen in a ski station).
  • a further exemplary embodiment of the device according to the invention comprises a communication unit, which can be designed, for example, as a circuit board which is arranged in the interior of the housing.
  • the communication unit is an integral part of the device and no further device is required for transmitting the measurement results.
  • the communication unit can also be designed as a separate unit, so that the customer can either purchase only the measuring device (with an interface), or a measuring device with a communication unit, in which, for example, the corresponding protocols for data transmission can be stored. so that the data coming from the interface of the measuring device can be implemented with the desired protocols for data transmission (eg TCP / IP), or a complete one System comprising measuring device, communication unit and display.
  • the display can be, for example, a large area display on which the radiation intensity and / or the temperature are displayed and / or the one to be expected per unit of time
  • Radiation dose and / or the time, and / or much more.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention in section
  • Fig. 3 shows an embodiment for the generation of the adjustable voltage U a dj ⁇
  • Fig. 5 shows a second embodiment of a device according to the invention in a schematic
  • a dome 1 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention in a sectional view.
  • a dome 1 can be seen which, for example, consists of Quartz glass can exist and which is enclosed in an annular dome flange 10, for example with the help of a permanent adhesive.
  • the dome flange 10 is held in place by a pressure ring 11.
  • Sealing rings 15 in the form of O-rings are provided to prevent moisture penetrating into the interior of the housing, which is delimited by the housing parts 12, 13, 14.
  • a diffuser 2 When viewed in the direction of the incoming radiation, a diffuser 2 is arranged downstream of the dome 1. Furthermore, viewed in the direction of the incoming radiation, a sensor 3 is arranged behind the diffuser 2, which sensor e.g. can be designed as a photodiode. The sensor 3 converts the intensity of the light coming from the diffuser 2 into an electrical current, which represents the signal, the further processing of which will be described in more detail below.
  • a filter is connected upstream of the sensor 3, which is not shown separately here and can be part of the sensor 3, for example.
  • This filter is transparent to the ultraviolet radiation to be measured and impermeable to radiation of a different wavelength.
  • the sensor 3 has an active area in the range from approximately 0.005 mm 2 to approximately 0.3 mm 2 , preferably in the range from approximately 0.01 mm 2 to approximately 0.055 mm 2 .
  • the active area of sensor 3 can be approximately 0.022 mm 2 or 0.055 mm 2 .
  • circuit board 41 there is an optional heater for applications in which e.g. the condition should apply that, for example, at
  • a communication unit which in this exemplary embodiment is an integral part of the device, but which can also be designed as a separate unit, as will be explained further below.
  • the ultraviolet light to be measured enters through the dome 1. Due to the geometric shape of the dome, there are hardly any reflections, regardless of the direction from which the light falls. The light hits the diffuser 2, which scatters it and ensures an even distribution of the intensity. The sensor 3 therefore only "sees” that the diffuser 2 becomes lighter or darker, depending on the amount of light entering. It also cannot locate the direction from which the light is coming.
  • a bore 16 can also be seen in FIG. 1, in which a location sensor (not shown) can be arranged, the active surface of which points in the direction of the dome 1.
  • a location sensor (not shown) can be arranged, the active surface of which points in the direction of the dome 1.
  • Bore 16 is provided, at least two further bores are provided, but are not recognizable due to the sectional view.
  • the positions of the bores 16 can be arranged uniformly distributed in the azimuthal plane (that is, offset in each case angularly by 120 °), but other arrangements are also possible.
  • the location sensors in the bores 16 it is possible to determine from which direction (at what elevation angle - that is the angle that the incident light with the normal N includes on the sensor 3) how much light falls. It is not possible to determine this with sensor 3.
  • the determined intensity of the light can still be weighted (because perpendicularly incident light of a certain intensity has a stronger effect on the skin produces as light of the same intensity that strikes at an angle).
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the electronic circuit with which the electrical signal generated by the sensor 3 is evaluated.
  • a "circuit” is shown (resistors R ⁇ , R 2 and capacitors Ci and C 2 ), with which a general.
  • Supply voltage U 0 a voltage U re f is obtained via a voltage divider and low-pass filter, which voltage is required elsewhere in the circuit according to FIG. 2.
  • 4 shows a "circuit” (resistor R 3 , capacitors C 3 , C 4 ), with which a settable voltage U a d 3 is obtained from a pulse width-modulated voltage U PWM via a low-pass filter elsewhere in the circuit of FIG. 2 is obtained.
  • FIG. 2 shows a current-voltage converter which comprises an operational amplifier OpAmpl and its associated circuitry, namely the input resistor R 5 at its “plus” input, the output resistor R 8 , and the two resistors R ⁇ , R7 in the negative feedback branch , On "minus" -
  • the signals from sensor 3 can be very small, they can also be correspondingly easily falsified by undesired currents. Even small currents that can flow through the insulating material of the circuit board can cause distortions.
  • the inputs of the operational amplifier OpAmpl are potential-shielded, which can be done in practice by means of a conductor track which is led around the inputs of the operational amplifier OpAmpl (shown in broken lines in FIG. 2) and which is almost exactly on that same potential (here: U ref ) as the inputs of the operational amplifier OpAmpl.
  • the output signal of the current-voltage converter is fed to an amplifier connected downstream of the current-voltage converter.
  • an adjustable voltage U at i j is superimposed on the output signal of the current-voltage converter, which is normally a DC voltage and can be obtained from a pulse-width-modulated voltage U PWM , as already described above.
  • the voltage U adj is significantly greater than any offset voltage of the amplifier OpAmp2, so that the injection of the voltage U ad j results in a defined operating point of the operational amplifier OpAmp2 and the operational amplifier OpAmp2 does not in due to a possible offset voltage of the operational amplifier OpAmp2 can reach an unacceptable operating state.
  • the voltage U a d 3 is also substantially greater than the amplitude of an averaging-free alternating signal, which is also impressed at the "plus” input of the operational amplifier OpAmp2.
  • Noise is usually used for this averaging-free alternating signal, provided that it is sufficiently strong. The purpose of superimposing this averaging-free alternating signal is explained further below, at this point it should only be mentioned that, if the noise is not strong enough, an alternating part without averaging can also be impressed at the input of the operational amplifier OpAmp2, namely by means of the voltage U ad - by setting the pulse-width-modulated voltage U PWM accordingly.
  • a current is now caused by the UV radiation in the sensor 3, this is first converted into a voltage with the aid of the current-voltage converter and then amplified with the aid of the amplifier.
  • an average-free alternating signal is superimposed on the signal coming from the current-voltage converter before amplification takes place.
  • the signal at the output of the amplifier is therefore larger at some points in time than the signal which corresponds to the signal caused by the UV radiation and smaller at other points in time. On average, however, it corresponds to the signal which corresponds to the signal caused by the UV radiation, because the alternating signal is free of mean values.
  • An analog-digital converter which is part of the IC1 module, is used to determine five digital measured values per second, for example, and these five digital measured values are averaged.
  • the analog output signal is used to determine a single digital measured value of the amplifier, for example, sampled and digitized one hundred and twenty times. Due to the fact that the alternating signal is still superimposed on the signal caused by the UV radiation, there are quite different sampling values during the scanning, which are digitized accordingly. The one hundred and twenty digitized samples are averaged and thus result in a single measured value. Such a measured value already represents a representative quantity for the intensity of UV radiation.
  • This variable is then output by the component IC1 in the form of an output signal, which can be, for example, a specific frequency or also another variable, which is then characteristic of the intensity of the UV radiation.
  • This size can then, for example, be implemented by the communication unit with corresponding protocols and passed on to a display, for example to a large area display.
  • the communication unit in the form of the board 42 can be an integral part of the device, as shown in FIG. 1, but it can also be designed as a separate unit 42a, as shown in FIG. 5.
  • the actual measuring device is less complex and the communication unit can be set up, for example, at a different location than the measuring device, which is better suited for setting up the communication unit.
  • the ad that is in 5 is designed as a large-area display 43a, can also be set up at any other location, but can in principle also be an integral part of the device, but then of course not as a large-area display.
  • a device for measuring the temperature in the interior of the housing may be present.
  • the corresponding circuit parts of the circuit in FIG. 2 are not to be explained in detail here, but in principle a resistor R ⁇ changes its resistance depending on the temperature in the interior of the housing. This change in resistance manifests itself in a change in the signal at the corresponding pin of the IC1 module. The change in this signal can be detected by module IC1 and converted into a corresponding signal, which then leads to a corresponding display of the temperature in the interior of the housing on the display.
  • the measured temperature can also be used to compensate for drift (eg the zero point or the amplification of the operational amplifier or the sensor element itself), in which case the entire measuring section is expediently compensated for.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Messung von ultravioletter Strahlung, umfasst ein Gehäuse (12, 13, 14), in welchem ein Sensor (3) angeordnet ist, dem ein Filter vorgeschaltet ist, welches für die ultravioletter Strahlung durchlässig und für Strahlung einer anderen Wellenlänge undurchlässig ist, sodass der Sensor (3) nur von der zu messenden ultravioletten Strahlung beaufschlagt wird. Der Sensor (3) wandelt die Strahlungsintensität der ultravioletten Strahlung in einen elektrischen Strom. Die Vorrichtung weist eine für die Strahlung transparente Kuppel (1) sowie einen der Kuppel (1) nachgeordneten Diffusor (2) auf, hinter welchem der Sensor (3) angeordnet ist, der eine aktive Fläche im Bereich von etwa 0.005 mm2 bis etwa 0.3 mm2 aufweist, vorzugsweise im Bereich von etwa 0.01 mm2 bis etwa 0.055 mm2.

Description

Vorrichtung zur Messung von ultravioletter Strahlung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von ultravioletter Strahlung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
Vorrichtungen zur Messung von ultravioletter Strahlung, insbesondere Sonnenstrahlung, sind seit einiger Zeit bekannt. Eine derartige Vorrichtung ist vom Prinzip her beispielsweise in der US-A-5, 946, 641 beschrieben, wo es aber vornehmlich um die Signalverarbeitung geht. Bei der dort offenbarten Vorrichtung wird ein "quasi-intelligenter" Sensorkopf mit einer Basiseinheit verbunden. Der Sensorkopf weist einen Speicher auf, in welchem spezifische
Informationen über den jeweiligen Sensorkopf enthalten sind sowie Gerätetreiber und Auswertealgorithmen, welche beim Einsetzen des Sensorkopfs in den Speicher der Basiseinheit geladen werden. Somit ist es möglich, mit ein- und derseloen Basiseinheit verschiedene Sensorköpfe zu betreiben, ohne dass die "Treiber" und Auswertealgorithmen für eine Reihe von verschiedenen Sensorköpfen in der Basiseinheit gespeichert werden müssen, wodurch auch neu entwickelte Sensorköpfe, die zum Zeitpunkt der Entwicklung der Basiseinheit noch nicht existiert haben, mit der "alten" Basiseinheit verwendet werden können.
Eine weitere Vorrichtung zur Messung ultravioletter Strahlung ist aus der US-A-4, 485, 306 bekannt. Auch dort steht nicht der konstruktive Aufbau der Vorrichtung, sondern die Signalverarbeitung im Vordergrund. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung erfolgt eine Verstärkung der Signale, wobei die Verstärkung abhängig ist von der Intensität des ultravioletten Anteils der Sonnenstrahlung und damit abhängig von der Grosse des entsprechenden elektrischen Signals, das von einem Photosensor durch diese Intensität erzeugt wird. So werden niedrige Intensitäten und dementsprechend kleine elektrische Signale stärker verstärkt als hohe Intensitäten und dementsprechend grosse elektrische Signale (sogenannter "spread-out-amplifier") . Die verschieden verstärkten Signale werden von einem Fensterkomparator in bestimmte Stufen eingeteilt, für die dann beispielsweise ein maximaler Zeitraum für eine Exposition der Haut im Sonnenlicht empfohlen wird.
Die bei den bekannten Vorrichtungen verwendeten Sensoren haben eine vergleichsweise grosse aktive Fläche, typischerweise deutlich grösser als 1 mm2. Das liegt daran, dass Sensoren mit kleineren aktiven Flächen besonders kritisch für solche Anwendungen sind, weil das von Ihnen erzeugte Ausgangssignal (typischerweise ein elektrischer Strom) so klein ist, dass man es mit herkömmlichen Methoden aufgrund von Störpotentialen nicht weiterverarbeiten kann. Deshalb hat man bisher auf Sensoren mit vergleichsweise grossen aktiven Flächen zurückgegriffen, weil man mit ihnen Signale erhält, die mit herkömmlichen
Signalverarbeitungsmethoden weiterverarbeitet werden können. Allerdings sind dadurch die Vorrichtungen von der Kostenseite her erheblich aufwendiger.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine weniger aufwendige Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die aber trotzdem präzise Messungen der Strahlungsintensität im Bereich der ultravioletten Strahlung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, wie sie durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs charakterisiert ist. Besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Insbesondere weist die erfindungsgemässe Vorrichtung eine für die Strahlung transparente Kuppel sowie einen der Kuppel nachgeordneten Diffusor auf, hinter welchem der Sensor angeordnet ist. Die Kuppel hat den Vorteil, dass durch die Kuppel das Licht aus allen Richtungen mehr oder weniger senkrecht durchtreten und den Sensor beaufschlagen kann, sodass es allenfalls zu wenigen Reflexionen an der Oberfläche kommt, im Unterschied zu den häufig eingesetzten ebenen transparenten Schutzflächen vor dem Sensor. Der
Sensor weist eine aktive Fläche im Bereich von etwa 0.005 mm2 bis etwa 0.3 mm2 auf, vorzugsweise im Bereich von etwa 0.01 mm2 bis etwa 0.055 mm2. Es werden also Sensoren verwendet mit einer sehr kleinen aktiven Fläche, die bis anhin aufgrund ihres dementsprechend kleinen elektrischen Ausgangssignals (typischerweise ein Strom) nicht eingesetzt worden sind, wie oben bereits erläutert.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung weist ferner einen dem Sensor nachgeschalteten Strom- Spannungs-Wandler mit (potentialmässig) abgeschirmten Eingängen und einen diesem Ξtrom-Spannungs-Wandler nachgeschalteten Verstärker auf. Die Abschirmung verhindert das Auftreten von Störpotentialen im Bereich des Eingangs des Strom-Spannungs-Wandlers, sodass das ohnehin kleine elektrische Ausgangssignal (hier: der Strom) des Sensors - typischerweise eine Photodiode, z.B. aus Siliziumkarbid - nicht durch Störpotentiale bzw. Störströme (die beispielsweise durch das Material der Platine fliessen können) verfälscht wird.
Der Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers einerseits und eine externe Spannungsquelle andererseits sind mit dem Eingang des Verstärkers verbunden. Die von dieser externen Spannungsquelle dem Eingang des Verstärkers eingeprägte Gleichspannung ist wesentlich grösser als die Offset- Spannung des Verstärkers, aber natürlich nicht so gross, dass sie den Verstärkerausgang in die Sättigung treibt (sonst wäre ja keine Messung mehr möglich) . Sie ist aber so gross, dass die Offset-Spannung des Verstärkers den Verstärker nicht in einen inakzeptablen Betriebszustand bringen kann. Die von der Spannungsquelle eingeprägte Gleichspannung ist auch wesentlich grösser als die Amplitude eines mittelwertfreien Wechselsignals, z.B. Rauschen, welches am Eingang des Verstärkers dem Ausgangssignal des Strom-Spannungs-Wandlers überlagert wird. Die Funktion des mittelwertfreien Wechselsignals wird weiter unten noch erläutert werden. Man kann sich aber vorstellen, dass durch die Überlagerung des Wechselsignals am Eingang das Ausgangssignal des Verstärkers zu bestimmten Zeitpunkten grösser ist als das verstärkte Ausgangssignal des Strom- Spannungs-Wandlers und zu anderen Zeitpunkten kleiner ist als dieses.
Dem Verstärker ist ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet, welcher das Ausgangssignal des Verstärkers innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums mehrfach abtastet und aus den Abtastwerten einen Mittelwert bildet als repräsentative Grosse für die gemessene Intensität der ultravioletten Strahlung.
Mit einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, Sensoren mit einer sehr kleinen aktiven Fläche zu verwenden, die bis anhin nicht verwendet werden konnten, weil ihr Ausgangssignal (z.B. Photostrom) zu klein war, um es mit konventionellen Signalverarbeitungsmethoden weiter zu verarbeiten.
Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung sind hinter der Kuppel ausser dem Sensor, der die Intensität der UV-Strahlung in einen elektrischen Strom wandelt, zusätzlich noch mindestens drei Ortungs-Sensoren vorgesehen. Diese Ortungs-Sensoren sind in Bezug auf eine senkrecht zur Fläche des (UV-Intensitäts-) Sensors stehende Achse (Normale) in unterschiedlichen azimutalen Positionen angeordnet, und zwar derart, dass die aktiven Flächen der Ortungs-Sensoren in Richtung auf die Kuppel zuweisen und einen spitzen Elevationswinkel mit der Achse einschliessen.
Mit Hilfe dieser mindestens drei Ortungs-Sensoren kann der Elevationswinkel der einfallenden Strahlung bestimmt werden, etwas salopper gesprochen, kann man damit die (Einfalls-)
Richtung des Lichts bestimmen, was sonst nicht möglich wäre, weil der hinter dem Diffusor angeordnete Sensor einen Strom erzeugt, welcher der summarischen Intensität des gesamten Lichts hinter dem Diffusor entspricht. Der Sensor kann aber nicht feststellen, aus welcher Richtung das Licht kommt. Mit Hilfe der mindestens drei Ortungs-Sensoren ist dies aber möglich.
Bei einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels sind Mittel vorgesehen zum Gewichten des Mittelwerts, der die repräsentative Grosse für die Intensität der Strahlung darstellt, wobei die Mittel zum Gewichten des Mittelwerts den Mittelwert in Abhängigkeit des ermittelten Elevationswinkels gewichten. Die "Richtungsinformation", die mit Hilfe der Ortungs-Sensoren gewonnen wird, wird also hier speziell dazu ausgenutzt, um das Signal für die Intensität der ultravioletten Strahlung zu gewichten. Dies ist insofern von Vorteil, als mehr oder weniger senkrecht einfallende Strahlung - also Strahlung, die im wesentlichen parallel zu der Normalen auf die Oberfläche des (UV-Intensitäts-)
Sensors einfällt - stärker auf die Haut des Menschen wirkt als Strahlung, die unter einem wesentlich von dieser Richtung abweichenden Winkel einfällt. Beispielsweise ist die Wirkung des UV-Lichts auf die Haut des Menschen am frühen Morgen oder am späten Nachmittag deutlich schwächer als am Mittag (gleiche Intensität vorausgesetzt) . Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung weist eine Einrichtung auf zur Messung der Temperatur des Gehäuseinnenraums und zur Wandlung des Messergebnisses in eine für diese Temperatur repräsentative elektrische Grosse. Dies hat beispielsweise für wissenschaftliche Anwendungen eine Bedeutung, bei denen man wissen möchte, bei welcher Innenraumtemperatur die Messung durchgeführt wurde. Andererseits ist es so, dass dann, wenn man keine besonderen Massnahmen unternimmt, um die
Innenraumtemperatur auf einem anderen Level zu halten als die Umgebungstemperatur (z.B. durch Heizen oder Kühlen), die Innenraumtemperatur im wesentlichen mit der Umgebungstemperatur übereinstimmt. Auch diese Temperatur ist bei bestimmten Einsatzgebieten (z.B. für eine Anzeige auf einem Grossbildschirm in einem Schwimmbad oder für eine Anzeige auf einem Grossbildschirm an einer Skistation) durchaus von Interesse.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung umfasst eine Kommunikationseinheit, die beispielsweise als Platine ausgebildet sein kann, die im Gehäuseinnenraum angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Kommunikationseinheit integraler Bestandteil der Vorrichtung und es ist kein weiteres Gerät für eine Übertragung der Messergebnisse erforderlich.
In einer Weiterbildung kann die Kommunikationseinheit aber auch als separate Einheit ausgebildet sein, so dass der Kunde entweder nur das Messgerät (mit einer Schnittstelle) erwerben kann, oder ein Messgerät mit einer Kommunikationseinheit, in welcher z.B. die entsprechenden Protokolle für eine Datenübertragung gespeichert sein können, sodass die von der Schnittstelle des Messgeräts kommenden Daten mit den jeweils gewünschten Protokollen für die Datenübertragung (z.B. TCP/IP) umgesetzt werden, oder auch ein komplettes System umfassend Messgerät, Kommunikationseinheit und Anzeige. Die Anzeige kann beispielsweise eine Grossflächenanzeige sein, auf welcher die Strahlungsintensität und/oder die Temperatur angezeigt werden, und/oder die pro Zeiteinheit zu erwartende
Strahlungsdosis, Und/oder die Uhrzeit, und/oder vieles Weitere mehr.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemässen Vorrichtung mit Hilfe der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung im Schnitt,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel von wesentlichen Teilen der elektronischen Schaltung, mit welcher die Signale des Sensors verarbeitet werden,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die Erzeugung der einstellbaren Spannung Uadj ■
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für die Erzeugung der Referenzspannung Uref ,
sowie
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung in schematischer
ÜberSichtsdarstellung.
In Fig. 1 erkennt man ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung in Schnittdarstellung. Zu erkennen sind eine Kuppel 1, welche beispielsweise aus Quarzglas bestehen kann und welche in einem ringförmigen Kuppelflansch 10 eingefasst ist, beispielsweise mit Hilfe eines beständigen Klebstoffs. Der Kuppelflansch 10 wird von einem Anpressring 11 an Ort und Stelle gehalten. Gegen das Eindringen von Feuchtigkeit in den Gehäuseinnenraum, welcher von den Gehäuseteilen 12,13,14 begrenzt wird, sind jeweils Dichtungsringe 15 in Form von O-Ringen vorgesehen.
In Richtung der eintretenden Strahlung betrachtet ist ein Diffusor 2 der Kuppel 1 nachgeordnet. Weiterhin in Richtung der eintretenden Strahlung betrachtet ist hinter dem Diffusor 2 ein Sensor 3 angeordnet, der z.B. als Photodiode ausgebildet sein kann. Der Sensor 3 wandelt die Intensität des vom Diffusor 2 kommenden Lichts in einen elektrischen Strom um, welcher das Signal darstellt, dessen weitere Bearbeitung weiter unten noch detaillierter beschrieben wird.
Dem Sensor 3 ist ein Filter vorgeschaltet, welches hier nicht separat dargestellt ist und beispielsweise Bestandteil des Sensors 3 sein kann. Dieses Filter ist für die zu messende ultraviolette Strahlung durchlässig und für Strahlung einer anderen Wellenlänge undurchlässig. Der Sensor 3 weist eine aktive Fläche auf im Bereich von etwa 0.005 mm2 bis etwa 0.3 mm2, vorzugsweise im Bereich von etwa 0.01 mm2 bis etwa 0.055 mm2. Ganz speziell kann die aktive Fläche des Sensors 3 etwa 0.022 mm2 oder 0.055 mm2 betragen.
Weiterhin erkennt man in Fig. 1 noch drei Platinen 40,41,42. Auf der Platine 40 befindet sich die elektronische
Schaltung, mit welcher das vom Sensor 3 erzeugte Signal verarbeitet wird. Diese Schaltung wird weiter unten noch erläutert werden. Auf der Platine 41 befindet sich eine optionale Heizung für Anwendungen, bei denen z.B. die Bedingung gelten soll, dass beispielsweise bei
Raumtemperatur gemessen werden soll, die Umgebungstemperatur aber erheblich niedriger ist. Auf der Platine 42 befindet sich eine Kommunikationseinheit, welche bei diesem Ausführungsbeispiel integraler Bestandteil der Vorrichtung ist, die aber auch als separate Einheit ausgebildet sein kann, wie weiter unten noch erläutert werden wird.
Das zu messende ultraviolette Licht tritt durch die Kuppel 1 ein. Aufgrund der geometrischen Gestalt der Kuppel treten kaum Reflexionen auf, egal aus welcher Richtung das Licht einfällt. Das Licht trifft auf den Diffusor 2 auf, welcher es streut und für eine gleichmässige Verteilung der Intensität sorgt. Der Sensor 3 "sieht" also nur, dass der Diffusor 2 heller oder dunkler wird, je nach der Menge des eintretenden Lichts. Er kann auch nicht lokalisieren, aus welcher Richtung das Licht kommt.
Zu diesem Zweck erkennt man in Fig. 1 noch eine Bohrung 16, in welcher ein Ortungs-Sensor (nicht dargestellt) angeordnet sein kann, dessen aktive Fläche in Richtung der Kuppel 1 weist. In der gleichen azimutalen Ebene, in welcher die
Bohrung 16 vorgesehen ist, sind noch mindestens zwei weitere Bohrungen vorgesehen, die aber aufgrund der Schnittdarstellung nicht zu erkennen sind. Die Positionen der Bohrungen 16 können in der azimutalen Ebene gleichmässig verteilt (also jeweils winkelmässig um 120° versetzt) angeordnet sein, aber auch andere Anordnungen sind möglich. Mit Hilfe der Ortungs-Sensoren in den Bohrungen 16 ist es möglich, festzustellen, aus welcher Richtung (unter welchem Elevationswinkel - das ist der Winkel den das einfallende Licht mit der Normalen N auf den Sensor 3 einschliesst) wie viel Licht einfällt. Dies mit dem Sensor 3 festzustellen ist nicht möglich. Je nachdem, aus welcher Richtung wie viel Licht einfällt (also in Abhängigkeit vom Elevationswinkel) , kann die ermittelte Intensität des Lichts noch gewichtet werden (weil senkrecht auftreffendes Licht einer bestimmten Intensität eben auf der Haut eine stärkere Wirkung hervorruft als unter einem Winkel schräg auftreffendes Licht der gleichen Intensität) .
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung dargestellt, mit welcher das von dem Sensor 3 erzeugte elektrische Signal ausgewertet wird. In Fig. 3 ist eine "Schaltung" dargestellt (Widerstände Rι,R2 sowie Kondensatoren Ci und C2) , mit welcher aus einer allgemeiner. Versorgungsspannung U0 über einen Spannungsteiler und Tiefpass eine Spannung Uref gewonnen wird, die an anderer Stelle in der Schaltung gemäss Fig. 2 benötigt wird. Weiterhin ist in Fig. 4 ist eine "Schaltung" dargestellt (Widerstand R3, Kondensatoren C3,C4), mit welcher über einen Tiefpass aus einer pulsweiten-modulierten Spannung UPWM eine einstellbare Spannung Uad3 gewonnen wird, die an anderer Stelle in der Schaltung gemäss Fig. 2 gewonnen wird.
In Fig. 2 erkennt man zunächst einen Strom-Spannungswandler, der einen Operationsverstärker OpAmpl und seine zugehörige Beschaltung umfasst, nämlich den Eingangswiderstand R5 an seinem "plus"-Eingang, den Ausgangswiderstand R8, sowie die beiden Widerstände Rδ,R7 im Gegenkopplungszweig. Am "minus"-
Eingang des Operationsverstärkers OpAmpl liegt der Sensor 3
(z.B. eine Photodiode) an, welchen den von der UV-Strahlung hervorgerufenen Strom einprägt.
Da die Signale vom Sensor 3 sehr klein sein können, können sie auch entsprechend leicht verfälscht werden durch unerwünschte Ströme. Selbst kleine Ströme, die durch das isolierende Material der Platine fliessen können, können schon Verfälschungen bewirken. Um dies zu verhindern, sind die Eingänge des Operationsverstärkers OpAmpl potentialmässig abgeschirmt, was in der Praxis durch eine Leiterbahn erfolgen kann, die um die Eingänge des Operationsverstärkers OpAmpl herum geführt ist (in Fig. 2 strichliert dargestellt) und die ziemlich genau auf dem gleichen Potential (hier: Uref) liegt wie die Eingänge des Operationsverstärkers OpAmpl. Da in einen Operationsverstärker hinein praktisch kein Strom fliesst, andererseits aber die Spannung Uref vor dem Eingangswiderstand R5 eingeprägt wird, liegt das Potential des "plus"-Eingangs von OpAmpl ebenfalls etwa auf dem Potential Uref. Da andererseits die Eingangsspannung zwischen dem "plus"-Eingang und dem "minus"-Eingang eines Operationsverstärkers ebenfalls praktisch sehr klein ist, liegt auch der "minus"-Eingang von OpAmpl etwa auf dem Potential Uref. Um diese Eingänge herum liegt aber nun die Leiterbahn, die ebenfalls auf dem Potential Uref liegt, sodass praktisch auch kein kleiner Strom mehr fliessen kann, der von dem Sensor 3 hervorgerufenen Strom verfälschen kann.
Das Ausgangssignal des Strom-Spannungs-Wandlers wird einem dem Strom-Spannungswandler nachgeschalteten Verstärker zugeführt. Dieser umfasst den Operationsverstärker OpAmp2 sowie dessen zugehörige Beschaltung mit den Eingangswiderstand Ri2 an seinem "minus"-Eingang, die Widerstände R9,RιoAn am seinem "plus"-Eingang, den Ausgangswiderstand R14 und die Kondensatoren C6 und C7, sowie im Gegenkopplungszweig den Widerstand Rι3 und den Kondensator C13.
Am "plus"-Eingang des Operationsverstärkers OpAmp2 wird dem Ausgangssignal des Strom-Spannungswandlers eine einstellbare Spannung Uatij überlagert, die im Normalfall eine Gleichspannung ist und aus einer pulweiten-modulierten Spannung UPWM gewonnen werden kann, wie oben bereits beschrieben. Die Spannung Uadj ist wesentlich grösser als eine allfällige Offset-Spannung des Verstärkers OpAmp2, sodass das Einprägen der Spannung Uadj einen definierten Arbeitspunkt des Operationsverstärkers OpAmp2 zur Folge hat und der Operationsverstärker OpAmp2 durch eine allfällige Offset-Spannung des Operationsverstärkers OpAmp2 nicht in einen inakzeptablen Betriebszustand gelangen kann.
Ausserdem ist die Spannung Uad3 auch wesentlich grösser als die Amplitude eines mittelwertfreien Wechselsignals, welches ebenfalls am "plus"-Eingang des Operationsverstärkers OpAmp2 eingeprägt wird. Für dieses mittelwertfreie Wechselsignal wird üblicherweise das Rauschen verwendet, sofern es genügend stark ausgeprägt ist. Der Zweck der Überlagerung dieses mittelwertfreien Wechselsignals wird weiter unten noch erläutert, an dieser Stelle soll nur noch erwähnt werden, dass bei nicht genügend starkem Rauschen auch alternativ mittels der Spannung Uad-, ein mittelwertfreier Wechselanteil am Eingang des Operationsverstärkers OpAmp2 eingeprägt werden kann, nämlich durch entsprechende Einstellung der pulsweiten-modulierten Spannung UPWM.
Wird nun von der UV-Strahlung in dem Sensor 3 ein Strom hervorgerufen, so wird dieser zunächst mit Hilfe des Strom- Spannungs-Wandlers in eine Spannung umgesetzt und anschliessend mit Hilfe des Verstärkers verstärkt. Dabei wird dem vom Strom-Spannungs-Wandler kommenden Signal ein mittelwertfreies Wechselsignal überlagert, noch bevor eine Verstärkung erfolgt. Das Signal am Ausgang des Verstärkers ist also je nach der momentanen Grosse des Wechselsignals zu manchen Zeitpunkten grösser als das Signal, welches dem durch die UV-Strahlung hervorgerufenen Signal entspricht und zu anderen Zeitpunkten kleiner. Gemittelt entspricht es jedoch dem Signal, welches dem durch die UV-Strahlung hervorgerufenen Signal entspricht, weil das Wechselsignal ja mittelwertfrei ist.
Mittels eines Analog-Digital-Wandlers, der Bestandteil des Bausteins IC1 ist, werden beispielsweise fünf digitale Messwerte pro Sekunde ermittelt und diese fünf digitalen Messwerte werden gemittelt. Zur Bestimmung eines einzigen digitalen Messwerts wiederum wird das analoge Ausgangssignal des Verstärkers beispielsweise einhundertzwanzig Mal abgetastet und digitalisiert. Aufgrund der Tatsache, dass dem von der UV-Strahlung hervorgerufenen Signal noch das Wechselsignal überlagert ist, ergeben sich bei der Abtastung durchaus verschiedene Abtastwerte, die entsprechend digitalisiert werden. Die einhundertzwanzig digitalisierten Abtastwerte werden gemittelt und ergeben so einen einzigen Messwert. Ein solcher Messwert stellt bereits eine repräsentative Grosse für die Intensität der UV-Strahlung dar.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden nun dann, wenn auf diese Weise fünf Messwerte bestimmt worden sind, diese fünf Messwerte erneut gemittelt und dieser Mittelwert stellt dann ein noch charkateristischeres Mass für die Intensität der UV-Strahlung dar.
Diese Grosse wird dann von dem Baustein IC1 in Form eines Ausgangssignals ausgegeben, welches beispielsweise eine bestimmte Frequenz sein kann oder auch eine andere Grosse, welche dann charakteristisch für die Intensität der UV- Strahlung ist. Diese Grosse kann dann beispielsweise von der Kommunikationseinheit mit entsprechenden Protokollen umgesetzt und an eine Anzeige weitergegeben werden, beispielsweise an eine Grossflächenanzeige.
Wie bereits erwähnt, kann die Kommunikationseinheit in Form der Platine 42 integraler Bestandteil der Vorrichtung sein, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, sie kann aber auch als separate Einheit 42a ausgebildet sein, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist die eigentliche Messeinrichtung weniger aufwendig und die Kommunikationseinheit kann beispielsweise an einem anderen Ort aufgestellt werden als die Messeinrichtung, der besser zum Aufstellen der Kommunikationseinheit geeignet ist. Die Anzeige, die in Fig. 5 als Grossflächenanzeige 43a ausgebildet ist, kann ebenfalls an einem beliebigen anderen Ort aufgestellt werden, kann aber im Grunde auch integraler Bestandteil der Vorrichtung sein, dann aber natürlich nicht als Grossflächenanzeige.
Erwähnenswert an der Schaltung in Fig. 2 ist noch, dass eine Einrichtung zur Messung der Temperatur im Gehäuseinnenraum (siehe auch Platine 41 in Fig. 1) vorhanden sein kann. Die entsprechenden Schaltungsteile der Schaltung in Fig. 2 sollen hier nicht im einzelnen erläutert werden, vom Prinzip her ändert aber ein Widerstand Rτ in Abhängigkeit von der Temperatur im Gehäuseinnenraum seinen Widerstand. Diese Änderung des Widerstandes äussert sich in einer Änderung des Signals an dem entsprechenden Pin des Bausteins IC1. Die Änderung dieses Signals kann vom Baustein IC1 detektiert werden und in ein entsprechendes Signal umgesetzt werden, welches dann zu einer entsprechenden Anzeige der Temperatur im Gehäuseinnenraum auf der Anzeige führt. Die gemessene Temperatur kann auch zur Kompensation von Drift (z.B. des Nullpunkts oder der Verstärkung des Operationsverstärkers oder des Sensorelements selbst) dienen, wobei dann zweckmässigerweise jeweils die gesamte Messstrecke kompensiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung von ultravioletter Strahlung, mit einem Gehäuse (12, 13, 14 ) , in welchem ein Sensor (3) angeordnet ist, dem ein Filter vorgeschaltet ist, welches für die ultraviolette Strahlung durchlässig und für Strahlung einer anderen Wellenlänge undurchlässig ist, sodass der Sensor (3) nur von der zu messenden ultravioletten Strahlung beaufschlagt wird und die Strahlungsintensität der ultravioletten Strahlung in einen elektrischen Strom wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine für die Strahlung transparente Kuppel (1) sowie einen der Kuppel (1) nachgeordneten Diffusor (2) aufweist, hinter welchem der Sensor (3) angeordnet ist, der eine aktive Fläche im Bereich von etwa 0.005 mm2 bis etwa 0.3 mm2 aufweist, vorzugsweise im Bereich von etwa 0.01 mm2 bis etwa 0.055 mm2.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen dem Sensor (3) nachgeschalteten Strom-Spannungs- Wandler (OpAmpl, R5, R6, R , Rβ) mit abgeschirmten Eingängen und einen diesem Strom-Spannungs-Wandler nachgeschalteten Verstärker (OpAmp2, Ri2, Rχ3, Rι4, C5, ._, C ) aufweist, wobei einerseits der Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers und andererseits eine Spannungsquelle (Uad-,, R9, Ri0, Rn) mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist, und wobei die von dieser Spannungsquelle dem Eingang des Verstärkers eingeprägte Gleichspannung wesentlich grösser ist als die Offset-Spannung des Verstärkers und auch wesentlich grösser als die Amplitude eines mittelwertfreien Wechselsignals, z.B. Rauschen, welches am Eingang des Verstärkers dem
Ausgangssignal des Strom-Spannungs-Wandlers überlagert wird, und dass dem Verstärker ein Analog-Digital-Wandler (IC1) nachgeschaltet ist, welcher das Ausgangssignal des Verstärkers innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums mehrfach abtastet und aus den Abtastwerten einen Mittelwert bildet als repräsentative Grosse für die gemessene Intensität der ultravioletten Strahlung.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Kuppel (1) ausser dem Sensor (3), der die Intensität der Strahlung in einen elektrischen Strom wandelt, zusätzlich noch mindestens drei Ortungs- Sensoren vorgesehen sind, die in Bezug auf eine senkrecht zur Fläche des Sensors stehende Achse (N) in unterschiedlichen azimutalen Positionen angeordnet sind derart, dass die aktiven Flächen der Ortungs-Sensoren in Richtung auf die Kuppel (1) zuweisen und einen spitzen Elevationswinkel mit dieser Achse (N) einschliessen, sodass mit Hilfe dieser mindestens drei Ortungssensoren der Elevationswinkel der einfallenden Strahlung bestimmt werden kann.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (IC1) vorgesehen sind zum Gewichten des Mittelwerts, der die repräsentative Grosse für die Intensität der
Strahlung darstellt, wobei die Mittel zum Gewichten des Mittelwerts den Mittelwert in Abhängigkeit des ermittelten Elevationswinkels gewichten.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung (Rτ) aufweist zur Messung der Temperatur des Gehäuseinnenraums und zur Wandlung der gemessenen Temperatur in eine für die Temperatur repräsentative elektrische Grosse.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kommunikationseinheit (42,42a) umfasst.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit als separate Einheit (42a) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Grossflächenanzeige (43a) umfasst, auf welcher die Strahlungsintensität und/oder die Temperatur angezeigt werden, und/oder die pro Zeiteinheit zu erwartende Strahlungsdosis und/oder die Uhrzeit.
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