DD225499A1 - Verfahren und messanordnung zur messung einer gleichbewerteten bestrahlungsstaerke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Messanordnung zur Messung der gleichbewerteten Bestrahlungsstaerke in einem Spektralbereich des optischen Spektrums von mindestens 50 Nanometer Breite dar, welche transportabel und leicht handhabbar ist sowie mit geringem technischen und zeitlichen Aufwand und groesserer Praezision als bei den bekannten Loesungen eine un- bzw. gleichbewertete (und damit nicht wirkungsbezogene) Messung der optischen Strahlung in einem definierten Spektralbereich erlaubt. Erfindungsgemaess wird eine Messanordnung realisiert, die im Arbeitsbereich ueber eine konstante spektrale Empfindlichkeit verfuegt und sich durch eine hohe Flankensteilheit an den Bereichsgrenzen auszeichnet. Durch die Verwendung von speziellen Kantenfiltern in einem Zweiwegdifferenzmessverfahren wird der Fehlereinfluss auch unter wechselnden spektralen Bedingungen vernachlaessigbar klein gehalten. Damit kann auch unter kuenstlicher Beleuchtung in Unkenntnis des Strahlungsspektrums gemessen werden. Vorwiegendes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Messung photosynthetisch aktiver Strahlung (PHAR), welche z. B. im Bereich der Bio- und Oekowissenschaften erforderlich ist. Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Anordnung zur Messung gleichbewerteter Bestrahlungsstaerken. Fig. 1

Description

Besciireibung der .Erfindung

a) 'I'itel der Erfindung

Verfahren und Meßanordnung zur Messung einer gleichbewerteten Bestrahlungsstärke

b) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine kleine und handliche Meßanordnung zur Messung der gleichbewerteten Bestrahlungsstärke in einem Spektralbereich des optischen Spektrums von mindestens 50 Nanometer (nm) Breite dar. Vorwiegender Einsatzbereich des Verfahrens ist die Messung photo synthetisch aktiver Strahlung (PHAR). Hierbei ist durch die gleichmäßige spektrale Empfindlichkeit der Meßanordnung über den photosynthetisch aktiven Spektralbereich das Verfahren nicht wirkungsbezogen für eine bestimmte Pflanzenart ausgelegt und besitzt somit einen weiten Einsatzbereich. Messungen der PHAS können zum Beispiel erforderlich sein

1. Im Bereich der Bio- und Ökowissensehaften zur Umweltbeschreibung bzw. zur Teilcharakterisierung des Umweltfaktors Strahlung im Freiland und unter künstlichen Lichtbedingungen und

2. Bei der landwirtschaftlichen Nutzung von Kulturpflanzen zur Bewertung der photosynthetischen Effizienz verschiedener Strahlungsklimate, zum Vergleich derselben sowie als mögliche Ausgangsgröße zur Kontrolle und u.U. erforderlichen Steuerung der PHAR (zum Beispiel in" Gewächshäusern und Klimakammern).

c) Charakterisierung der bekannten technischen Lösungen

Das dringliche Erfordernis, Bestrahlungsstärken im photosynthetisch aktiven Spektralbereich schnell und einfach an verschiedenen Orten zu messen, führt bereits seit mehreren Jahrzehnten zu einer intensiven Bearbeitung dieser Problematik. Dabei erwiesen sich jene technischen Lösungen in der Regel als ungeeignet, welche darauf beruhen, daß die PHAR durch spektrale Zerlegung (Spektrometer, Monochromatoren) aus einem vorliegenden Gesamtspektrum ermittelt wird, da sie zeitlich und meStechnisch aufwendig und meist ortsgebunden nur in speziellen Laboratorien durchführbar sind. Bekannt ist auch die große Gruppe jener technischen Lösungen, die die o.g. Nachteile einer spektralen Zerlegung vermeiden. Für diese sollen die Mangel, welche durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden, an einigen repräsentativen Beispielen gezeigt und diskutiert werden. BLAGKMAIi und Mitarbeiter (Annual of Botany N.S., 68 (1953)» 17» 529-537) nutzen ein Meßgerät mit Vakuumphotozellen ohne zusätzliche Filterelemente„ Wesentlicher Mangel ist die im interessierenden Spektralbereich von 0,4 bis 0,9 (relativen Einheiten) variierende spektrale Empfindlichkeit. KIIBIu' und Mitarbeiter (Plant Cell Physiology 4 (1963), 153-168) nutzen Photozellen mit zweigipfliger spektraler Empfindlichkeitscharakteristik, die hauptsächlich durch Farbglasfilterkombinationen zu einer annähernd energiegleichen Bewertung der einfallenden PHAR korrigiert wird. Als Mangel sind zeitliche Inkonstanz der Empfindlichkeit und die über dem PHAR-Bereich weit hinausreichenden Empfindlichkeitsgrenzen zu nennen,, SCZSIZ und Mitarbeiter (Journal of Applied Ecology 2 (1964), 169-174) verwendeten Thermosäulenempfanger in Differenzschaltung und Gelatine-Kantenfilter. Nachteilig ist hier neben dem großvoluinigen Aufbau und der Trägheit der Smpfänger gleichfalls die unscharfe Abgrenzung der auszufilternden PHAR₀ Gleiches gilt für das von McOEEE (Agricultural Meteorology, ^. (1966), 353-366) unter Verwendung eines handelsüblichen Solarimeters hergestellte Gerät. NORMAIT und Mitarbeiter (Agronomy Journal 61, (1969), 6, 840-843) nutzen Photodioden in Differenzschaltungβ Nachteilig sind die angegebenen Abweichungen der Empfängercharakteristik von der des "idealen" Sensors₀

BIGGS und Kitarbeiter (Ecology j?2 (1971), 125-131) verwenden ein Metallinterferenzfilter mit speziellem Blendensystem zur Messung wirkungsbezogener Bestrahlungsstärken. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die hierzu festzulegenden 7/irkungsfunktionen nicht konstant sind, sondern stark von Eflanzenart und Umweltbedingungen abhängen. Gleiches gilt auch für das in der BHD-AS 2352817 vorgestellte Meßgerät zur Messung von wirkungsbeζogenen Bestrahlungsstärken. In der BED-AS 1472158 wird ein Verfahren vorgestellt, mit welchem die Strahlungsintensität in einem zwischen zwei benachbarten Kanten liegenden Spektralbereich dadurch ermittelt wird, daß die Spannungsdifferenz aus zwei Fotoempfängern bestimmt wird, denen je ein Kantenfilter gleicher Transmission jedoch unterschiedlicher Kantenlage vorgeschaltet ist bzw. diese PiIter nacheinander vor einem Fotoempfanger gebracht werden. Auch dieses Verfahren ist bei einem breiteren Spektralbereich wie dem der PHAR mit erheblichen Meßfehlern behaftet. Die Grunde hierfür sind bereits in der AS 2352817 ausführlich dargelegt.

d) Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens und einer Meßanordnung zur Messung der Bestrahlungsstärke, welche transportabel und leicht handhabbar ist sowie mit geringem technischem und zeitlichem Aufwand und größerer Präzision als bei den unter c) aufgeführten bekannten Lösungen eine un- bzw, gleichbewertete (und damit nicht wirkungsbezogene) Messung der optischen Strahlung in einem definiertem Spektralbereich erlaubt. Die Meßanordnung soll so beschaffen sein, daß auch an relativ schwer zugänglichen Stellen gemessen werden kann. Die Empfindlichkeitscharakte— ristik des realisierten Sensors sollte über eine Flankensteilheit an den Bereichsgrenzen verfugen, die den Einsatz in verschiedensten Strahlungsklimaten ohne Korrektur der angezeigten Meßwerte erlaubt.

e) Darlegung des Wesens der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Meßanordnung realisiert, die im Arbeitsbereich über eine konstante spektrale Empfindlichkeit verfügt und sich gegenüber bereits bekannten Sensoren durch eine hohe Flankensteilheit an den Bereichsgrenzen auszeichnet. Durch die Verwendung von speziellen Kantenfil— tern in einem Zweiwegdifferenzmeßverfahren konnte der Fehlereinfluß auch bei Anwendung von Linienstrahlern in den Grenzbereibhen vernachlässigbar klein gehalten werden. Daher kann eine Anwendung auch unter künstlicher Beleuchtung bei Unkenntnis des Strahlungsspektr'ams erfolgen« Der Sensor besteht aus zwei gleichartigen Halbieiterphotoempfängern in Differenzschaltung. Erfindungsgemäß werden beiden Farbfilter vorgelagert, deren resultierende spektrale Transmission sich invers zu der spektralen impf indlichkeit des Ealbleiterphotoempfangers verhält. Mit der so erhaltenen Anordnung läßt sich ein Arbeitsbereich mit einer Breite bis etwa 4-50 nm schaffen, der in seiner spektralen Empfindlichkeit konstant und ausgeglichen ist. Durch die Verwendung von Kantenfiltern an den Arbeitsbereichsgrenzen Kann eine hohe Flankensteilheit erreicht werden. Dabei wird je einem Empfänger ein sich zum längerwelligen Ende des Spektrums hin öffnendes Kantenfilter, das die entsprechende Grenzwellenlänge realisiert, zugeordnet. Erfind ungs ge maß wird dabei das für .die kürzere Grenzwellenlänge verantwortliche Kantenfilter zusammen mit den über beiden Empfängern angebrachten Farbfiltern mit in die Bildung einer der spektralen Empfind!ichkeit der Photoempfänger angepaßten inversen Transmiss!onsf unktion bildenden FiI-terkombinatioü einbezogen. Die so erhaltene Anordnung zeichnet sich durch hohe Konstanz der spektralen Empfindlichkeit der Empfängeranordnung über den vorgesehenen Arbeitsbereich aus. Dabei kann es möglich sein, in Abhängigkeit von dem Verlauf der spektralen Empfindlichkeit des Empfängers und der Lage der Arbeitsbereichsgrenzen ein Kantenfilter bei noch hinreichender Genauigkeit einzusparen. Erfindungsgemäß werden für die Empfängeranordnung Photodioden verwendet, deren Empfindlichkeit bei Wellenlängen, die den vorgesehenen Arbeitsbereich überschreiten, möglichst schnell gegen ^uIl

geht. Dadurch werden Fehler, die durch kleine Transmissionsdifferenzen der Filterkombinationen in diesem Bereich auftreten können, eliminiert.

f) Ausführungsbeispiel

An Beispiel eines Empfängers für den Spektralbefeich von -4-00 nm bis 700 mn sollen die wesentlichen Merkmale des Verfahrens beim Aufbau einer Meßanordnung zur nichtwirkungsbezogenen Bestrahlungsstärkemessung dargestellt werden. Der PHAR-Sensor besteht aas zwei identischen Photodioden (E1 und E2), über denen .je eine gleiche !Farbfilterkombination D mit dem für die kleinere Grenzwellenlänge des Arbeitsbereiches verantwortlichen Kantenfilter B so angeordnet ist, daß sich eine zur spektralen Empfindlichkeit des Empfängers invers verlaufende Transmissionskernlinie ergibt (s. Fig. 1 u. 2). Prinzipiell ist Kantenfilter B in beiden Strahlenwegen 1 und 2 angeordnet. Das schließt nicht aus, daß es für technische Anwendungen hinreichend genau sein kann, das Kantenfilter B nur in einem Strahlengang anzuordnen, wenn seine Transmissionskennlinie im Durchlässigkeitsbereich ausreichend konstant und eben ist. Für den Sonderfall, daß der beginnende Arbeitsbereich und die beginnende spektrale Empfindlichkeit des verwendeten Photoempfangers übereinstimmen, kann eine stark vereinfachte Anordnung konstruiert werden, wie sie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Dabei sind lediglich noch Farbfilter D und Kantenfilter C notwendig. Um eine möglichst scharfkantige Begrenzung der spektralen Empfindlichkeit am oberen Ende des Arbeitsbereiches zu erreichen, wird im Strahlengang 2 ein entsprechendes Kantenfilter C angeordnet. Auftretende Transmissionsdifferenzen in den Strahlengängen 1 und 2 können durch unselektive Dämpfungsglieder oder elektronische Maßnahmen ausgeglichen werden. Die Ausgangssignale der als Strom-Spannungs-Wandler geschalteten Verstärker F1 und F2 werden auf einen Differenzverstärker H (Fig. 1) geführt. Das sich ergebende Differenzsignal ist proportional der im Arbeitsbereich einfallenden Strahlungsenergie und kann zur Anzeige gebracht v/erden. Die Einstellung des Nullpunktes sowie der Höhe des Proporüionalitätsfaktors zwischen ein—

fallender Strahlungsenergie und Anzeige kann in den Verstärkern FI, F2 und H erfolgen.

Zu beachten ist beim Aufbau der Meßanordnung, daß der Abstand zwischen oberer Streuscheibe A und der ersten Filterkoinbination G-C oder B-G genügend groß gewählt wird, wie in Fig. 3 dargestellt wurde. Dieser ist dann ausreichend, wenn unabhängig vom Standort der Strahlungsquelle an den Eingängen der beiden getrennten Strahlungswege ,jeweils gleiche Strahlungsenergien auftreffen.

Nach diesem Prinzip läßt sich ein Sensor für die Messung nichtwirkungsbezogener Bestrahlungsstärken im PHA3-Bereich -konstruieren, wie er in Fig. 3 schematises, dargestellt wurde. Zur besseren Verdeutlichung soll deshalb auf den Inhalt der im Text schon genannten Figuren noch einmal eingegangen werden

Es zeigt:

Figur 1: Den prinzipiellen Aufbau der Anordnung zur Messung nichtwirkungsbezogener Bestrahlungsstärken mit der Streuscheibe A₁ den Dämpfungsfilter G, dem Kantenfilter C für die größere Grenzwellenlänge und dem Kantenfilter B für die kleinere Grenzwellenlänge des Arbeitsbereiches. Die Farbfilterkombination D kann dabei aus mehreren Einzelfiltern bestehen. An die beiden Halbleiterphotodioden E1 und E2 sind die Strom-Spannungs-Wandler F1 und F2 angeschaltet, deren Differenzsignal mit dem Verstärker H gebildet und mit dem Instrument I angezeigt wird.

Figur 2: Das Beispiel des idealisierten Verlaufes der relativen spektralen Empfindlichkeit U eines Halbleiterphotoempfängers, die überlagert wird mit einer dazu invers verlaufenden relativen spektralen Irans-.mission 7/ der Farbfilterkombination und zur Entstehung einer konstanten spektralen Empfindlichkeit V der Empfangsanordnung im Arbeitsbereich zwischen den Grenzen X und Y führt. Über der Wellenlänge λ ist die relative spektrale Empfindlichkeit bzw. Transmission % aufgetragen.

Figur 3: An einem technischen Beispiel soll hier der vereinfachte Aufbau eines nichtwirkungsbezogenen PHAH-8trah.lungsein.pf angers nit seinen wesentlichen Merkmalen dargestellt werden.

über den beiden Halbleiterpiiotodioden E1 und E2 befindet sich eine zweite Buchse zum Passen der Kantenfilter 3 und G. Die Parbfilterkombination D wurde hier auf ein Farbfilter reduziert und ist über den Kantenfiltern ebenfalls mit einer Buchse befestigt« Alle drei Buchsen v/erden durch ein Distanzstück E gegen einen Anschlag am Gehäuse L durch das Festschrauben des Überwurfes M gedruckt. Zwischen Überwurf M und Distanzstück K befindet sich die Streuscheibe A. In das Gehäuse L ist am unteren Ende noch ein Haltegriff eingeschraubt, über welchen die elektrischen Anschlüsse geführt werden.

Claims (5)

Erfindung sanspruch

1. Verfahren und Meßanordnung zur Messung einer gleichbewerteten Bestrahlungsstärke nach einem Differenzmeßprinzip mit Halbleiterphotodioden unter Verwendung von Kanten- und Farbfiltern dadurch gekennzeichnet, daß die Messung nichtwirkungsbezogener Bestrahlungsstärken in einem optischen Spek- tralbereich von mindestens 50 mn bis 450 nm Breite bei konstanter spektraler Empfindlichkeit der Empfängeranordnung über den gesamten Arbeitsbereich ermöglicht wird, wobei die konstante spektrale Empfindlichkeit durch eine Kombination von Farbfiltern mit einem Kantenfilter erreicht wird, deren spektrale Transmission sich invers zu der spektralen Empfindlichkeit der verwendeten Photodioden verhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der größeren Grenzwellenlänge des Arbeitsbereiches ein zweiter optischer Weg verwendet wird mit einer Kombination von Farbfiltern mit zusätzlichen Kantenfiltern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom Empfindlichkeitsverlauf des Halbleiterphotoempfängers das Kantenfilter für die kleinere Grenz— wellenlänge des Arbeitsbereiches entfallen kann.

4-, Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung von Meßfehlern Halbleiterphotoempfanger verwendet werden, deren Empfindlichkeit unweit oberhalb der größeren Grenzwellenlänge des vorgesehenen Arbeitsbereiches gegen Null geht.

5. Meßgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der oberen Streuscheibe und der ersten Fil"cerkombination des sich in zwei Strahlengänge aufteilenden Strahlenweges so groß ist, daß unabhängig vom Standort der Strahlungsquelle in beiden Strahlenwegen die gleiche Eingangsstrahlungsenergie einfällt.

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