Spektralphotometer SPGS

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 und zusätzlichen Befestigungsbohrungen ausgerüstet.

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 Eigangsspalt 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 dieelektrischen 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 einzelnen Pixel der Diodenzeile, die sich entsprechend der mechanischen Geometrie festen Spektrallinien zuordnen lassen, stellen Kondensatoren dar, die durch auftreffendes Licht entladen werden. Die Information über die Lichtmenge wird durch nachfolgendes Aufladen gewonnen. Das zeitliche Integral über den Ladestrom ist proportional der Lichtintensität.Auf diese Weise arbeitet die Diodenzeile als sog. "selbst-scannender" Multiplexer.Die einzelnen Pixel werden nacheinander über dieselbe Signalleitung ausgelesen. Dabei bestimmt eine externe Clockfrequenz den Takt für das Weiterschalten von Pixel zu Pixel bzw. die Zeit pro Pixel. Damit ist auch die minimal mögliche Integrationszeit vorgegeben.

Die Integrationszeit selbst wird über den zeitlichen Abstand der aufeinanderfolgenden Start-Pulse gewählt. Der Start-Puls veranlaßt den Ladevorgang. Über die Zeit bis zum nächsten Start-Puls, der Zeit bis zum nächsten Auslesen, wird technisch die Integrationszeit realisiert.

Die elektronische Ansteuerung der Diodenzeile erfolgt über eine entsprechende Elektronikschaltung. Ein Vorverstärker gewährleistet die rauscharme Verstärkung des Videosignals. Außerdem setzt er externe TTL-Pegel für das Zeilenmanagement auf die für die Diodenzeile nötigen Pegel um. Mit Hilfe eines Mikrocontrollers wird die A/D-Wandlung der einzelnen Diodenspannungen realisiert, die danach zur Übertragung über eine RS232-Schnittstelle bereitgestellt werden.

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 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

Betrieb mit Akkumulator


Für einen optimalen Betrieb ist ein gasdichter Bleiakkumulator 12V/6.5Ah vorgesehen. Damit ist das Meßsystem etwa 4 bis 5 Stunden zu betreiben. Der Akkumulator wird mit Hilfe des mitgelieferten Kabels angeschlossen. Vom Programm SPMHWin32 wird während der Messung auch die Versorgungsspannung (Akku-Spannung) gemessen und angezeigt (siehe dazu Beschreibung zum Programm). Sinkt die Spannung unter 10.5 V muß die Messung beendet werden um eine Tiefentladung zu vermeiden.

Wird der Bleiakkumulator über längere Zeit gelagert, sollte er geladen sein. Je nach Alterungszustand muß alle 4 bis 6 Wochen eine Erhaltungsladung durchgeführt werden. Weiterhin ist zu beachten, daß die Kapazität des Akkumulators bei Temperaturen unter 0 °C sinkt.

Betrieb mit Netzgerät

Das zum Meßsystem gehörende Netzgerät hat eine 4-polige Buchse an der Frontseite. Die Buchsenbelegung ist die gleiche wie bei Buchse 3 des Meßgerätes. Über das mitgelieferte Kabel werden Netzgerät und Meßgerät verbunden. Neben der Buchse befinden sich auf der Frontseite des Netzgerätes der Netzschalter und 2 Anzeigelampen. Die Netzschnur ist auf der Rückseite herausgeführt. Nach dem Einschalten leuchtet bei Betriebsbereitschaft die rote Anzeigelampe. Wird das angeschlossenen Meßgerät eingeschaltet, leuchtet zusätzlich die grüne Anzeigelampe. Sie zeigt an, das zwischen den Geräten ein Strom fließt.

Laden des Akkumulators

Das Netzgerät ist gleichzeitig ein Ladegerät für die Bleiakkumulatoren 12V/6.5Ah. Dazu ist es als stabilisiertes Netzgerät mit zeitverzögerter Strombegrenzung ausgelegt. Die Ladespannung ist auf die Ladeschlußspannung von 14.2 bis 14.4 V eingestellt. Der Ladestrom wurde auf 1 bis 1.5 A begrenzt. Zum Laden des Akkumulator wird dieser an die Buchse des Netzgerätes angeschlossen. Nach dem Einschalten zeigt die rote Anzeigelampe das Vorhandensein der Ladespannung an. Die grüne Anzeigelampe signalisiert den Stromfluß. Nach ca. 10 h ist der Akkumulator geladen (war der Akkumulator nicht vollständig entladen, ist die Ladezeit entsprechend kürzer). Während der Ladung leuchtet die grüne Anzeigelampe immer schwächer und zeigt somit das Absinken des Ladestromes an. Verlischt beim Anschließen des Akkumulator die rote Anzeigelampe, ist der Akkumulator defekt oder seine Leerlaufspannung liegt unter 8 V. Ein gleichzeitiger Betrieb des Meßsystems während des Ladens ist nicht möglich.

Der Akkumulator kann unbegrenzte Zeit am eingeschalteten Netzgerät angeschlossen sein. Ein Überladen erfolgt nicht. Der Ladevorgang sollte jedoch überwacht werden, um Schäden bei technischen Defekten zu vermeiden. Wird das Netzgerät ausgeschaltet, muß der Akkumulator abgeklemmt werden. Das Netzgerät wird während des Ladens warm. Die Lüftungsschlitze dürfen nicht abgedeckt werden.

Aufbau des Meßsystems

Aufstellung der Montierung und des Meßgerätes

Zur Aufstellung des Gerätes kann ein Stativ oder eine fest installierte Konsole mit einer parallaktischen Montierung verwendet werden. Das Stativ muß einen ebenen, festen Standort haben und waagerecht ausgerichtet sein. Das Spektralphotometer wird durch Einführen des Schwalbenschwanzfußes mit der parallaktischen 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.

Aufstellung der Stromversorgung und des Rechners

Der Akkumulator bzw. das Netzgerät kann zwischen den Stativbeinen aufgestellt werden. Der Akkumulator sollte sich immer in der mitgelieferten Tasche befinden. Die Aufstellung des Auswerte- und Steuerrechners richtet sich nach den örtlichen Gegebenheiten. Er sollte nicht mehr als 3 m vom Stativ mit dem Meßgerät entfernt sein. Es ist vorteilhaft, wenn der Monitor des Rechners während der Messung im Blickfeld des Bedieners ist.

Herstellen der Verbindungen

Das SPGS wird nur über einen Spezialsteckverbinder sowohl mit der Stromversorgung als auch mit dem Steuerrechner verbunden. Eine Verwechslung mit dem Steckeingang des Druck-Temperatur-Messmoduls ist ausgeschlossen.

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.

• Das Meßgerät darf keiner mechanischen Belastung durch Stoß oder Druck ausgesetzt werden. In die elektrischen Anschlußbuchsen darf kein Schmutz und keine Flüssigkeit eindringen.
• Bei Verschmutzung des Lichteintrittsfensters des Objektivs ist dieses sorgfältig mit Hilfe reinen Alkohols und eines geeigneten, fusselfreien Lappens 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.

Technische Daten Spektralphotometer SPGS