Sonnenphotometer SP2H

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Sonnenphotometer SP2H

Das Spektralphotometer SP2H ist sowohl für den mobilen Feldeinsatz als auch für den Betrieb an Routine-meßstationen geeignet. Es ist für Messungen im Spektralbereich von 350 nm bis 1100 nm konzipiert. Die Spektralphotometer SP2H werden im Labor sorgfältig vermessen (Klimakammer, Monochromator, Raumwinkel-Scanner für Strahldichtekalibrierungen, mechanische Justagen). Die Kenntnis des effektiven Raumwinkels eines jeden Filters in Verbindung mit dem 1°-Sonnenobjektiv ermöglicht den radiometrischen Anschluß an die Strahldichteskalen von Neckel & Labs im Labor (siehe Literatur). Diese Anschlußmethode ist gleichzeitig die Grundlage für ein Kontrollverfahren, das die radiometrische Kontrolle der SP2H über einen langen Zeitraum gestattet und heutigen QA/QC-Vorstellungen entspricht. Die Anwendung der Methode der Langley-Extrapolation und der Naturanschluß an geeichte Standardgeräte ist für die Spektralphotometer SP2H ebenfalls möglich.

Anwendungsgebiete
Das nach dem Abbildungsprinzip arbeitende Spektralphotometer SP2H ermöglicht die Messung der Bestrahlungsstärke der direkten Sonnenstrahlung und der Strahldichte von Flächen bei den festgelegten Meßwellenlägen. Zur modellgestützten Ableitung (Nakajima-Code) von weiteren klimarelevanten Aerosolparametern (Optische Dicke des Aerosols, Größenverteilung, Realteil des Brechungsindex, Asymmetriefaktor, Phasenfunktion) ist das SP2H für Messungen der spektralen Himmelsstrahldichte in der Sonnenaureole und im Azimut des Sonnenelevats (Almukanterat) einsetzbar.

1) Die Sonne oder ein Himmelselement werden über ein Objektiv von ca. 1° ebenem Öffnungswinkel derart in einer Meßblende scharf abgebildet, daß der nachgeordnete Photodetektor vom unscharfen Bild der Strahlungsquelle nicht überstrahlt wird.

 

Funktionsprinzip

Die Auswahl der gewünschten Wellenlängen erfolgt durch das manuelle Verdrehen von einem der zwei vorhandenen Filterräder. Durch das mittels einer Visiereinrichtung auf die Sonne gerichtete Objektiv wird die Sonnenstrahlung über das jeweils eingestellte Filter auf ein Sensorelement gelenkt. Das Sensorelement wandelt die auftreffende Lichtenergie in eine elektrische Spannung um. Diese Spannung wird in den nachgeschalteten Verstärkern verstärkt. Während des Meßvorgangs erfolgt in Abhängigkeit von der Größe des optischen Eingangssignals eine automatische Auswahl des optimalen Verstärkungsbereichs (10 0 ... 108) und eine Übertragung der gültigen Meßspannung über das Schnittstellenmodul SPI in einen Rechner. Durch einen voreinstellbaren Meßprogrammablauf, der aus einem Menü ausgewählt werden kann, ist die interaktive Durchführung der Messung zwischen Bediener und Rechner möglich. Die Zeit, in der die Abfrage von 14 Meßstellen, die Speicherung der Meßwerte und der Aufruf eines weiteren Meßzyklus erfolgt, beträgt ca. 30 sec. Das Programm ermöglicht u.a. auch die vollautomatische Abfrage, Speicherung und Bearbeitung einer fest eingestellten Meßstelle, nach einem voreinstellbaren Zeitregime (z.B. 500 nm, entsprechend den Empfehlungen der WMO (siehe Literatur)). Voraussetzung dafür ist die kontinuierliche Nachführung des Photometers. Die vom Rechner übernommenen Meßwerte werden in normierter Form abgespeichert und können sofort weiterverarbeitet werden oder, sowohl im ASCII-Format als auch im internen SPMH-Format, in spezielle Bearbeitungsprogramme exportiert werden. Auf Kundenwunsch ist der Datenexport auch in anderen Standardformaten möglich. Die mechanische Konstruktion des SP2H erlaubt die Montage auf einer parallaktischen Montierung (manuelle Nachführung) oder auf einer automatischen Nachführeinheit (Solartracker).

Kalibrierung

Für jedes einzelne Spektralphotometer werden in einem komplexen Kalibrierverfahren die die Meßergebnisse beeinflussenden Geräteparameter untersucht und entsprechende Korrektur- bzw. Eichfaktoren ermittelt. Die radiometrische Kalibrierung des Spektralphtometers kann mit Hilfe der direkten Sonnenstrahlung bei wolkenfreier Sonne durch den direkten Anschluß an ein bereits kalibriertes Gerät oder an einem dafür geeigneten Ort durch die Methode der Langley-Extrapolation erfolgen. In einem entsprechend ausgerüsteten Optiklabor ist auch die Kalibrierung mit einem künstlichen Strahlungsnormal oder nach einem speziellen Eichverfahren (siehe Literatur) möglich. Die zur Auslieferung kommenden Spektralphotometer sind standardmäßig laborkalibriert und an ein naturkalibriertes Gerät angeschlossen.

Bearbeitung der gemessenen Daten

Durch das von der Dr. Schulz & Partner GmbH (S&P) entwickelte Programmsystem SPMH ist die sofortige und komfortable Weiterbearbeitung der Meßdaten gewährleistet. Dieses Programm ist eine Weiterentwicklung des Programms SPECTRON, welches beispielsweise im Deutschen Wetterdienst sowohl für Routinemessungen als auch für wissenschaftliche Untersuchungen eingesetzt wird. SPMH bietet u.a. die Ausführung der folgenden Operationen:

  • Berechnung der Transmission der Atmosphäre
  • Berechnung der optischen Dicke mit drei auswählbaren Rayleigh-Korrekturen und Regressionen nach dem Angström-Ansatz
  • Statistische Auswertung durch Mittelwertbildung, Berechnung der Streuung, Regressionsanalyse und weitere mathematische Operationen
  • Ermittlung der extraterrestrischen Signale Ue (Eichwerte) aus dafür geeigneten Messungen mit Hilfe von Regressionsanalysen (Langley-Kalibrierung)
  • Grafische Darstellung mehrerer Messungen (Display, Drucker)
  • Drucken, Speichern und ASCII-Export von Meßdaten

Service

Die Erfassung und Interpretation von Langzeitvariationen optischer Parameter der Atmosphäre erfordert eine Überwachung und Kontrolle der verwendeten Meßgeräte hinsichtlich der Langzeitstabilität der die Meßwerte beeinflussenden Geräteparameter. Die von S&P ausgelieferten Geräte besitzen eine "Stammdatei", in der sämtliche Geräte- und Kontrollparameter gespeichert sind. Sie dienen bei Reparaturen oder Rekalibrierungen als Grundlage für die Beurteilung der Langzeitstabilität der einzelnen Parameter. Den Gerätenutzern wird empfohlen, alle erkennbaren Veränderungen oder Unregelmäßigkeiten, die beim Einsatz der Geräte auftreten zu dokumentieren und für die Übernahme in die "Gerätestammdatei" bereitzustellen, um eine kontinuierliche Aktualisierung dieser Datei zu gewährleisten. S&P bietet den Nutzern an, in einem individuell festzulegenden Turnus die Kontrolle und Wartung der Meßgeräte sowie in einem jährlichen Zyklus eine Rekalibrierung durchzuführen. Spezialkalibrierungen von Geräten, die für den Einsatz in besonderen Reinluftgebieten (z.B. Polargebiete, Wüsten, Hochgebirge) vorgesehen sind, können ebenfalls durch S&P erfolgen.

Bisherige Nutzer

An folgenden Einrichtungen werden SP2H-Geräte oder die DWD-Vorgängertypen ABAS und BAS im Rahmen von Forschungsprojekten zur Atmosphärenphysik und -chemie und im Meßnetz von Polarstationen genutzt:



Literatur

  • Neckel, H., D. Labs, 1984: The Solar radiation between 3300 and 12500, Solar Physics 90 (1984) 205-258
  • Leiterer, U., M. Weller, J. Janiak, 1985: Verfahren zur Bestrahlungsstärke- und Strahldichtekalibrierung von Spektrometern. - Patentschrift DD 228 631 A1, WP GO1 D/265 1067 v. 16.10.1985
  • VDI 3786 Bl. 10 Umweltmeteorologie, Messung der Lufttrübung durch Aerosolpartikel mit Sonnenphotometern, (Ausgabe 04/94)


Historie
Die Grundlagen, die es ermöglichten die Spektralphotometer SP2H in der für den Anwendungszweck notwendigen Qualität herzustellen und diese Qualität auch langfristig zu sichern, wurden im Rahmen langjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, die im Jahre 1978 auf dem Gebiet der spektralen Sonnen- und Himmelsstrahlungsmessung am Observatorium Lindenberg (ehemals Meteorologischer Dienst) begonnen wurden, geschaffen. Die Fortsetzung dieser Arbeiten erfolgte an gleicher Stelle vom Deutschen Wetterdienst im Rahmen eines BMFT-Förderprojektes. Durch Fachkräfte der Dr. Schulz & Partner GmbH, die maßgeblich an der Entwicklung und Erprobung der Sonnenphotometertechnik am Observatorium Lindenberg beteiligt waren, erfolgte die Weiterentwicklung des manuell zu bedienenden Grundgerätes (Typenbezeichnung ABAS) zu einem teilautomatisierten Meßsystem. Dazu wurde das Programmsystem SPMH entwickelt, welches komfortabel die schnelle Bearbeitung der über ein Schnittstellenmodul SPI an einen Rechner übertragenen Meßwerte gestattet.


Optional lieferbare Geräte und Leistungen

  • Handsteuergerät SPIA
  • Programmpaket SPMH
  • Auswerte- und Steuerrechner (Konfiguration nach Absprache)
  • Gerätestative
  • parallaktische Montierungen (manueller Antrieb, Motorantrieb, Ausgleichgewichte)
  • Transport- u. Aufbewahrungskoffer
  • Stromversorgungsmodul für Netz- und Akkubetrieb/Akkuladegerät
  • Akku 12V/5,5 Ah
  • Akkutasche


Leistungsmerkmale des Spektral- photometers SP2H

Meßbereich: 360nm ... 1150nm (filterabhängig)
Anzahl der möglichen Meßstellen: 14
Anzahl der Empfängersysteme: 1
Optik des Empfängersystems  
Eintrittsfenster: offen/Quarz
Eintrittsblende: 10 mm
Tubenlänge: 165 mm
ebener Öffnungswinkel des Sonnenobjektives: 1° (option. 2°)
opt. Sensor: Photodiode Hamamatsu S 1337 - 66BQ
Temperatursensor: B 511
Temperaturbereich: - 20°C ... 40°C
Filteranordnung: zwei hintereinander liegende Filterräder mit jeweils 8 Positionen
eff. Filterdurchmesser: 13 mm

Filterbestückung
(Standardausführung)

Meßstelle Wellenlänge (+/-2nm) HWB
1 368 3 nm
2 412 4 nm
3 500 5 nm
4 610 6 nm
5 675 5 nm
6 778 6 nm
7 862 6 nm
8 1024 8 nm

entsprechend den Empfehlungen der WMO v. 1983 und der VDI-Richtlinie VDI 3786/10

Erweiterte Filterbestückung (optional)

Meßstelle Wellenlänge (+/-2nm) HWB
1 368 3 nm
2 412 4 nm
3 450 4 nm
4 500 5 nm
5 532 5 nm
6 610 6 nm
7 675 5 nm
8 778 6 nm
9 817 6 nm
10 862 6 nm
11 911 8 nm
12 946 8 nm
13 1024 8 nm
14 1045 10 nm



Meßelektronik

Dynamikumfang der Elektronik 10^9
Auflösung 10^-4
Meßbereichswahl automatisch
Interface SPI RS 232
Datenanzeige über PC-Bildschirm
Analog-Ausgang über SPAI
Gehäuse  
SP2H (ohne Tubus) staub- und spritzwassergeschützt
Abmessungen 220x130x90
Gewicht 2 kg
SPI staub- und spritzwassergeschützt
Abmessungen 215x115x90
Gewicht 2 kg
Stromversorgung 12 V /5 Ah- Akku (Betriebszeit ca. 15h)
  220/12V-Netzgerät