Sonnenphotometer SPGS

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Messsystem

Die Spektralphotometer SPGS werden hauptsächlich zur Messung der spektralen solaren Energieverteilung im Bereich zwischen 350 nm und 1100 nm eingesetzt. Dazu stehen maximal 80 Meßstellen zur Verfügung. Die Standardausführung der Geräte ist für die von der WMO empfohlenen Wellenlängen konfiguriert. Für Spezialmessungen sind auch andere Konfigurationen möglich. Der Dynamikumfang der Messgeräteelektronik gestattet sowohl die Messung der direkten Sonnenstrahlung als auch Messungen der Reflexion von Flächen.

Aufbau und Funktionsweise

Das Spektralphotometer SPGS ist eine optoelektronische Funktionseinheit, die sich aus dem Objektiv, dem Messmodul und der Elektronikeinheit zusammensetzt.

Der Messaufgabe entsprechend, läßt sich das Spektralphotometer SPGS an geeigneten Montierungen, die das Ausrichten des Messgerätes bezüglich der Lichtquelle ermöglichen, befestigen. Dazu ist das Spektralphotometer mit einem Haltefuß in Prismenausführung.

Beim Messvorgang wird das Licht, welches über ein Lochblendensystem einfällt, auf einen Quarzlichtleitererbündel geführt. Über diesen Lichtleiter, der ausgangsseitig durch die lineare Anordnung der Einzelfasern als optischer Spalt wirkt, wird das Licht in das Messmodul MMS geleitet. Hier erfolgt durch ein Flat-Field-Gitter die spektrale Zerlegung des Lichtes. Neben der dispersiven Funktion bildet das Gitter aufgrund seines sinusoidalen Profils den Eingangsspalt auf dem Sensor, der aus einer Diodenzeile besteht, ab. Als Sensorelement wird die Diodenzeile S3904-256Q mit 256 Pixeln von der Firma Hamamatsu verwendet. Zur Unterdrückung der 2. Ordnung ist die Diodenzeile direkt mit einem dielektrischen Kantenfilter beschichtet.

Der kompakte Aufbau des optischen Messsystems sichert eine hohe Unempfindlichkeit gegen Einflüsse wie Erschütterungen und vor allem Temperaturänderungen. Die Wellenlängengenauigkeit ändert sich nur um ca. 0,012 nm/K (Herstellerinformation). Die elektronische Ansteuerung der Diodenzeile erfolgt über eine entsprechende Elektronik mit einem Mikrocontrollers, der auch die Datenübertragung über eine RS232-Schnittstelle realisiert.
Neben der Erfassung der spektralen Strahlungswerte werden außerdem die Lufttemperatur, der Luftdruck und die Diodenspannungen bei geschlossenem optischen Strahlengang (Dunkelwerte) gemessen und für die weiteren Berechnungen bereitgestellt.
Zur Erreichung einer weitgehenden Unabhängigkeit der Messungen von Schwankungen der Umgebungstemperatur ist das SPGS temperaturstabilisiert.
Die Sicherung der genauen Ausrichtung des Spektralphotometers auf die Sonne wird mit Hilfe einer Visiereinrichtung realisiert. Sie besteht aus einer Lochblende am vorderen Rand des Messgerätes und einer Markierung auf dem Messgerät. Im Bereich dieser Markierung befindet sich ein Punkt (Sonnenpunkt). Durch die Lochblende wird die Sonne als heller Punkt im Bereich der Markierung abgebildet. Das Messgerät ist korrekt ausgerichtet, wenn die Sonne als heller Punkt mit der Markierung übereinstimmt.
Neben dieser äußeren Visiereinrichtung besitzt das SPGS ein internes elektronisches Visier. Mit seiner Hilfe wird die korrekte Ausrichtung des Messgerätes auf die Sonne auch auf dem Bildschirm des Steuerrechners visualisiert. Aus den dabei gewonnenen Steuersignalen lassen sich bei automatischem Messbetrieb außerdem Informationen zur Qualität der Ausrichtung des Gerätes gewinnen.
Die Steuerung des Messgerätes erfolgt mit Hilfe des Programms SPMHWin32. Entsprechend der Messaufgabe werden unterschiedliche Messabläufe unterstützt. Eine Standardmessung beinhaltet einen kompletten Zeilenscan. Die Messung endet mit der Erfassung der Dunkelwerte und der Messung interner Geräteparameter (Temperatur, Luftdruck etc.). Die Messwerte werden normiert und zum Steuerrechner übertragen. Dieser bildet aus den Messwerten und den notwendigen Begleitdaten wie Messzeit, Sonnenhöhe, Luftmasse usw. einen Datensatz, der die Basis aller weiteren Operationen, wie z.B. die Berechnung der optischen Dicke des Aerosols im Rahmen des Programms SPMHWin32 bildet. (nähere Erläuterungen dazu siehe Programmbeschreibung SPMHWin32).

Stromversorgung

Das zum Messsystem gehörende Netzgerät wird über ein Spezialkabel , in dem sich auch gleichzeitig die Datenleitungen befinden, die zum PC führen, und einem Steckverbinder mit dem SPGS verbunden (Bild 1) .

 

 Cables
Foot plate
  Bild 1
Bild 2

 

 

Aufstellung der Montierung und des Messgerätes

Zur Aufstellung des Gerätes kann ein Stativ oder eine fest installierte Konsole mit einer parallaktischen Montierung oder einem automatischen Nachführsystem verwendet werden. Das Stativ muß einen ebenen, festen Standort haben und waagerecht ausgerichtet sein. Das SPGS wird durch Einführen des Prismenfußes mit der Montierung verbunden. Die Verbindung muß fest sein, um ein Herausrutschen des Meßgerätes zu verhindern. Mit Hilfe der Verstellschrauben an der Montierung wird das SPGS auf die Sonne ausgerichtet. Der Prismenfuß hat zwei zusätzliche Befestigungsbohrungen, für Nachführeinheiten, die keine Prismenklemmung besitzen (Bild 2).

Aufstellung der Stromversorgung und des Rechners

Das Netzgerät kann zwischen den Stativbeinen aufgestellt werden. Die Aufstellung des Auswerte- und Steuerrechners richtet sich nach den örtlichen Gegebenheiten. Er sollte nicht mehr als 35 m vom Stativ mit dem Meßgerät entfernt sein.

Herstellen der Verbindungen

Das SPGS wird nur über einen Spezialsteckverbinder sowohl mit der Stromversorgung als auch mit dem Steuerrechner verbunden.

Inbetriebnahme

Wenn alle Verbindungen zwischen den Geräten hergestellt sind, kann das Messsystem eingeschaltet werden. Das sollte in folgender Reihenfolge geschehen:

  1. Netzteil einschalten. Kontrolle La am Messgerät.
  2. Rechner einschalten und das Programm SPMHWin32 starten.
  3. Die Funktion des Messsystems sollte vor der ersten Messung geprüft werden. Dazu kann das Messprogramm Kontroll-Messung aus dem Programm SPMHWin32 aufgerufen werden.

Wartung und Pflege

  • Das Meßgerät darf keiner mechanischen Belastung durch Stoß oder Druck ausgesetzt werden. In die elektrische Anschlußbuchse darf kein Schmutz und keine Flüssigkeit eindringen.
  • Bei Verschmutzung des Lichteintrittsfensters des Objektivs ist dieses sorgfältig mit Hilfe reinen Alkohols und eines geeigneten, fusselfreien Tuches zu reinigen.
  • Das Messgerätegehäuse kann mit Hilfe eines nichtaggresiven Reinigungsmittels und Wasser vorsichtig gereinigt werden. Dabei ist zu beachten, dass in die elektrischen Anschlußbuchsen keine Flüssigkeit eindringt.

Weitere Wartungs- oder Servicemaßnahmen sind nicht erforderlich.

Technische Daten Spektralphotometer SPGS

Messkanal  
Wellenlängen 350nm ... 1050nm
Temperaturkoeffizient ??/?T<0.012 nm/K
Optische Kanäle 1
Optik des Empfängersystems  
Optischer Eingang Quarz, Faserbündel-Querschnittswandler D=0,5 mm, NA = 0,2
Ebener Öffnungswinkel <1.5 grd
spektrale Zerlegung flat-field.Gitter
optischer Sensor Photodiodenzeile S3904-256Q
spektrale Auflösung =< 3,3 nm
Halbwertsbreite < 10 nm
Messelektronik  
Dynamikumfang 105
Auflösung 10-4
Messbereichswahl automatisch
Reproduzierbarkeit 0.1 %
Steuerelektronik  
Mikroprozessor 80C535
Schnittstelle RS 232 9600/N/8/1
Einsatzbedingungen  
Schutzgrad IP 65 nach DIN IEC 34
Temperaturbereich - 35°C (-45°C) ... 50°C
Feuchte 0 .. 100 %rF
Druck 1100 .. 300 hPa
Abmessungen/Gewicht  
Abmessungen 280x180x100 mm
Gewicht 4 kg
Stromversorgung  
Netzgerät 220V~/12V/3A=
Akkumulator Bleiakkumulator 12 V/6 Ah
Betriebszeit mit Akku ca. 4 h