DE19944024A1 - Verfahren zur Helligkeitssteuerung in einem Raum, Helligkeitssteuersystem sowie Verfahren zur Kalibrierung eines Helligkeitssteuersystems - Google Patents
Verfahren zur Helligkeitssteuerung in einem Raum, Helligkeitssteuersystem sowie Verfahren zur Kalibrierung eines HelligkeitssteuersystemsInfo
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Abstract
Bei einem Helligkeitssteuersystem für einen Raum (14) mit einem Beleuchtungsmittel (6, 8) ist ein Helligkeitssensor (2) vorgesehen, der zur Erfassung eines Spektralbereichs des natürlichen Lichts ausgebildet ist, der im Wesentlichen außerhalb des vom Beleuchtungsmittel (6) abgegebenen Spektralbereichs liegt. Damit wird die Erfassung des Helligkeitswerts (HW) des Tageslichtpegels unabhängig von der künstlichen Beleuchtung ermöglicht.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Helligkeits
steuerung in einem Raum und auf ein Helligkeitssteuersystem
für einen Raum, bei denen ein Helligkeitswert von einem Hel
ligkeitssensor erfasst und in Abhängigkeit vom gemessenen
Helligkeitswert die Beleuchtung im Raum über ein Beleuch
tungsmittel gesteuert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin
ein Verfahren zur Kalibrierung eines Helligkeitssteuersystems
für einen Raum.
Moderne Beleuchtungssysteme umfassen in der Regel mehrere
Helligkeitssensoren, über die die im Raum herrschende Hellig
keit ermittelt wird. Die Anordnung der Helligkeitssensoren
ermöglicht die automatische Steuerung oder Regelung der im
Raum herrschenden Helligkeit über die Zuschaltung einer
künstlichen Beleuchtung. Beispielsweise ist eine Ausleuchtung
des Raums auf einen konstanten Lichtwert (Konstantlichtrege
lung) unabhängig vom Tageslichtpegel ermöglicht. Ein Verfah
ren und eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Beleuchtung
eines Raums ist beispielsweise aus der DE 43 20 682 C1 be
kannt.
Bei Beleuchtungssystemen besteht generell das Problem, eine
für das menschliche Auge angenehme Ausleuchtung zu erreichen.
Das Helligkeitsempfinden ist stark subjektiv und wird von ei
ner Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Diese Faktoren sind
beispielsweise unterschiedliche Tageslichtwerte oder unter
schiedliche Helligkeitszonen im Raum, bedingt durch die Raum
aufteilung und die Raumeinrichtung. Um zudem eine angenehm
empfundene Ausleuchtung bei geringem Energieeinsatz zu errei
chen, ist eine Unterscheidung zwischen fensternahen und fen
sterfernen Raumbereichen notwendig.
Bei bekannten Beleuchtungssystemen wird die momentane Hellig
keit im Raum über an der Decke angebrachte Helligkeitssenso
ren ermittelt. Maßgebend ist allerdings die Helligkeit auf
Arbeitsplatzhöhe. Der Helligkeitssensor wird daher zunächst
geeicht. Hierbei besteht allerdings das Problem, dass durch
Änderung am Arbeitsplatz die über die Eichung erfasste Korre
lation zwischen tatsächlichem Helligkeitswert am Arbeitsplatz
und dem vom Helligkeitssensor gemessenen Helligkeitswert ver
ändert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Helligkeits
steuerung auf das subjektive Helligkeitsempfinden abzustim
men.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfah
ren zur Helligkeitssteuerung in einem Raum, bei dem ein Hel
ligkeitswert von einem Helligkeitssensor erfasst und in Ab
hängigkeit von gemessenen Helligkeitswert die Beleuchtung im
Raum mittels eines Beleuchtungsmittels eingestellt wird, wo
bei zur Erfassung des Helligkeitswerts ein Spektralbereich
des natürlichen Lichts herangezogen wird, der im Wesentlichen
außerhalb des vom Beleuchtungsmittel abgegebenen Spektralbe
reichs liegt.
Mit dem Helligkeitssensor wird also lediglich der Tageslicht
pegel ohne Einfluss der künstlichen Beleuchtung ermittelt. In
Abhängigkeit des so ermittelten Tageslichtwerts (Helligkeits
wert) wird die künstliche Beleuchtung eingestellt. Für die
Beleuchtungssteuerung ist also lediglich der Tageslichtpegel
im Raum maßgebend. Der entscheidende Vorteil ist darin zu se
hen, dass beispielsweise Änderungen bei der künstlichen Be
leuchtung infolge von manuellem Zuschalten von Arbeitsplatz
leuchten sich auf die Helligkeitssteuerung nicht auswirken.
Damit wird eine für das Auge angenehme Helligkeitssteuerung
ermöglicht.
Vorzugsweise wird das Spektrum des Beleuchtungsmittels über
einen vor dem Helligkeitssensor angeordneten Filter herausge
filtert, so dass ein herkömmlicher Helligkeitssensor verwen
det werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführung wird zur Erfassung des Hel
ligkeitswerts ein Infrarotbereich und insbesondere der nahe
Infrarotbereich zwischen 800 nm und 1100 nm herangezogen. Hier
zu wird vorzugsweise ein Fotoelement, beispielsweise eine Fo
todiode, verwendet, so dass der Helligkeitssensor kostengün
stig ist. Teure Spezialfilter werden nicht benötigt.
In einer besonders zweckdienlichen Ausgestaltung wird das
Licht vom Helligkeitssensor rundum erfasst. Zur Ermittlung
des Helligkeitswerts wird also die in verschiedenen Raumbe
reichen bestehende Helligkeit herangezogen. Dies bietet den
Vorteil, dass die einzelnen Ausleuchtungspegel im Raum im
Helligkeitssensor aufintegriert werden. Zur Bestimmung des
Helligkeitswerts werden also Dunkelbereiche und Hellbereiche
des Raums miteinbezogen. Dieses Vorgehen ist an das Hell-Dun
kel-Empfinden des menschlichen Auges angepasst und gewährlei
stet eine besonders angenehm empfundene Helligkeitssteuerung.
Um störende Einflüsse aufgrund von Reflexionen am Boden oder
am Arbeitsplatz sowie aufgrund von Breitband-Lichtquellen zu
vermeiden, wird nur das von Seitenwänden, und zwar insbeson
dere das von den oberen Seitenwandbereichen, einfallende
Licht erfasst.
Um störende Einflüsse aufgrund einer direkten Sonneneinstrah
lung bei tiefstehender Sonne zu vermeiden wird Licht, welches
waagrecht sowie unter einem spitzen Winkel zur Waagrechten in
den Helligkeitssensor einfällt, von der Erfassung ausgenom
men. Hierzu weist der Helligkeitssensor vorzugsweise eine
entsprechend ausgebildete Blendenanordnung auf.
Bevorzugt ist das Beleuchtungsmittel in mehrere Leuchtengrup
pen aufgeteilt, die jeweils unabhängig voneinander angesteu
ert werden, um eine geeignete Raumhelligkeit in allen Raumbe
reichen zu gewährleisten. Zugleich wird dadurch ermöglicht,
die verschiedenen Leuchtengruppen unterschiedlich stark abzu
dimmen, so dass der Energieverbrauch gering ist.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch
ein Helligkeitssteuersystem für einen Raum mit einem Beleuch
tungsmittel, mit einem Helligkeitssensor und mit einer mit
diesem verbundenen Steuereinheit zur Ansteuerung des Beleuch
tungsmittels in Abhängigkeit eines vom Helligkeitssensors er
fassten Helligkeitswerts, wobei der Helligkeitssensor zur Er
fassung eines Spektralbereichs des natürlichen Lichts ausge
bildet ist, der im Wesentlichen außerhalb des von dem Be
leuchtungsmittel abgegebenen Spektralbereichs liegt.
Der derart ausgebildete Helligkeitssensor ermöglicht eine Be
stimmung des Helligkeitswerts unabhängig von dem künstlichen
Beleuchtungsmittel. Die Ansteuerung des künstlichen Beleuch
tungsmittels richtet sich also ausschließlich nach dem Tages
lichtpegel. Als Beleuchtungsmittel werden vorzugsweise Lampen
mit geringer spektraler Bandbreite eingesetzt, um zum einen
möglichst wenig Energie für die Ausleuchtung des Raumes auf
zuwenden, und um andererseits den Helligkeitssensor möglichst
wenig zu beeinflussen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Helligkeitssteuersystems
sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Die im Hinblick auf
das Verfahren angeführten Vorteile und zweckmäßigen Ausfüh
rungsformen sind sinngemäß auf das System zu übertragen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin durch ein Verfah
ren zur Kalibrierung eines Helligkeitssteuersystems für einen
Raum gelöst, bei dem ein Helligkeitswert als Maß für die Hel
ligkeit des natürlichen Tageslichts und ein Raumlichtwert mit
Hilfe einer Meßeinheit als Maß für die Helligkeit im Raum er
mittelt werden, bei dem der Raumlichtwert über ein Beleuch
tungsmittel mittels eines Stellwerts auf einen Sollwert ein
gestellt wird, und bei dem der so ermittelte Stellwert dem
aktuellen Helligkeitswert zugeordnet und diese Zuordnung als
Wertepaar gespeichert wird.
Dieses Kalibrierverfahren ist insbesondere geeignet für ein
Helligkeitssteuersystem, welches einen Helligkeitssensor auf
weist, der zur Erfassung eines Spektralbereichs des natürli
chen Lichts ausgebildet ist, wobei der Spektralbereich im We
sentlichen außerhalb des von dem Beleuchtungsmittel abgegebe
nen Spektralbereichs liegt. Für ein solches Helligkeitssteu
ersystem ist insbesondere bedeutsam, dass bei dem Kälibrier
verfahren die gleiche Idee zugrunde liegt, nämlich den Tages
lichtpegel unabhängig von der künstlichen Beleuchtung zu mes
sen. Jedem gemessenen Tageslichtpegel (Helligkeitswert) wird
ein Stellwert für die Ansteuerung des Beleuchtungsmittels zu
geordnet, um die gewünschte Raumhelligkeit (Raumlichtwert) zu
erreichen. Diese beiden Werte, nämlich der Helligkeitswert
und der Stellwert werden als Wertepaare, und zwar bevorzugt
in Form einer Korrelations- oder Steuerkurve, niedergelegt.
Das Kalibrierverfahren wird vorzugsweise in zwei Schritten
durchgeführt, wobei im ersten Schritt die Empfindlichkeit des
Helligkeitssensors an die maximal auftretende Lichtintensität
des Tageslichts angepasst wird, so dass der Helligkeitssensor
eine an die im betreffenden Raum auftretende Tageslichtinten
sität angepasste Empfindlichkeit hat. Im zweiten Schritt er
folgt dann die Ermittlung der einzelnen Wertepaare. Die bei
den Schritte werden bevorzugt jeweils im Verlauf eines Tages,
insbesondere im Verlauf eines Sonnentages durchgeführt.
In einer vorteilhaften Ausführung erfolgt die Kalibrierung
automatisch, um eine hohe Bedienerfreundlichkeit zu errei
chen.
Vorzugsweise ist hierzu vorgesehen, dass der von der Messein
heit erfasste Raumlichtwert über einen Datenbus oder drahtlos
an ein Basisgerät übermittelt wird. Die Messeinheit ist ins
besondere als Luxmeter zur Bestimmung der Beleuchtungsstärke
ausgestaltet, und ist zur Auswertung der von dem Basisgerät
übermittelten Daten bevorzugt prozessorgesteuert.
In einer besonders zweckdienlichen Ausgestaltung wird der ge
messene Raumwert mit einem Kalibrierungsfaktor gewichtet, wo
durch Fehlerquellen bei der Ermittlung des Raumlichtwerts be
rücksichtigt werden. Solche Fehlerquellen sind beispielsweise
dadurch bedingt, dass die Messeinheit nicht auf der normalen
Arbeitsplatzhöhe angebracht ist. Zudem werden vorzugsweise
auch solche Fehlerquellen eliminiert, die von einem Überlapp
des Spektralbereichs des Beleuchtungsmittel mit dem Spektral
bereich des Helligkeitssensors herrühren. Die letztgenannte
Fehlerquelle tritt beispielsweise dann auf, wenn als Beleuch
tungsmittel Leuchtstofflampen verwendet werden, die eine
Spektrallinie des Quecksilbers bei 1014 nm aussenden, und wenn
die Empfindlichkeit des Helligkeitssensors auf den nahen In
frarotbereich zwischen 800 und 1100 nm eingestellt ist. Die
Gewichtung mit dem Kalibrierungsfaktor erfolgt bevorzugt
softwaregesteuert, so dass in einfacher Weise auch komplexe
Zusammenhänge im Hinblick auf Fehlerquellen berücksichtigt
werden können. Vorteilhafterweise fließen in diesen Kalibrie
rungsfaktor auch Erfahrungswerte mit ein.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Kalibrierverfahrens
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Helligkeits
steuersystems für einen Raum,
Fig. 2 Spektralkurven des Tageslichts, der Augenempfind
lichkeit und der Empfindlichkeit zweier Hellig
keitssensoren im Vergleich,
Fig. 3 einen Helligkeitssensor mit einer Blendenanordnung,
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Helligkeitssensors,
Fig. 5 der zeitliche Verlauf des Helligkeitswerts des na
türlichen Tageslichts in einer schematischen Dar
stellung, und
Fig. 6 eine bei einem Kalibrierverfahren ermittelte Korre
lationskurve zwischen Helligkeitswert des Tages
lichts und Stellwert für ein Beleuchtungsmittel im
Raum.
Gemäß Fig. 1 umfasst ein Helligkeitssteuersystem einen Hellig
keitssensor 2 mit einem optischen Filter 3, eine Steuerein
heit 4, ein Beleuchtungsmittel 6, das mehrere Leuchtengruppen
8 aufweist, Aktoren 10 zur Ansteuerung der Leuchtengruppen 8
sowie einen Datenbus 12, über den die aufgeführten Elemente
zum Datenaustausch miteinander verbunden sind. Das Hellig
keitssteuersystem ist für einen Raum 14 vorgesehen. Der Hel
ligkeitssensor 2 ist an der Decke 16, und zwar vorzugsweise
in der Raummitte, angeordnet. An der Decke 16 sind ferner die
Leuchtengruppen 8 angeordnet. Der Raum 14 weist weiterhin
Seitenwände 18 und einen Boden 20 auf. In der rechten Seiten
wand 18 ist ein Fenster 22 eingebracht.
Der Helligkeitssensor 2 ist tageslichtempfindlich und wird
von der künstlichen Beleuchtung über das Beleuchtungsmittel 6
im Wesentlichen nicht beeinflusst. Er detektiert den Licht
einfall über einen Winkelbereich von 360° bezogen auf eine
waagrecht zum Boden 20 verlaufende Ebene 23. Der Helligkeits
sensor 2 erfasst das Tageslicht also rundum. Er detektiert
das Tageslicht aus allen Raumbereichen mit der Maßgabe, dass
waagrecht und unter einem spitzen Winkel α einfallendes
Licht von der Erfassung ausgenommen ist. Ebenso ist der
Lichteinfall unter einem Winkel β, bezogen auf die lotrechte
Verlängerung der Mittelachse 24 des Helligkeitssensors 2, un
terbunden. Die beiden Winkel α und β bestimmen den zwischen
ihnen liegenden Erfassungswinkel γ, der letztendlich maßge
bend ist, aus welchen Raumbereichen der Helligkeitssensor 2
einen Helligkeitswert HW für den Tageslichtpegel ermittelt.
In der Fig. 1 ist weiterhin ein Inbetriebnahme- und Kalib
riersystem dargestellt. Dieses umfasst mehrere als sogenannte
Luxmeter ausgestaltete Messeinheiten 26 sowie ein Basisgerät
28, das über den Datenbus 12 mit dem Helligkeitssteuersystem
verbunden ist. Die Messeinheiten 26 ermitteln einen Raumwert
RW als Maß für die im Raum 14 herrschende Helligkeit. Das
Helligkeitssteuersystem wird als Teil des Inbetriebnahmesys
tems verwendet. Das Inbetriebnahmesystem dient insbesondere
zum vollautomatischen Abgleich oder Kalibrieren des Hellig
keitssteuersystems. Hierbei werden Korrelationen zwischen den
vom Helligkeitssensor 2 gemessenen Helligkeitswerten HW und
Stellwerten SW für die einzelnen Leuchtengruppen 8 aufge
stellt und in den einzelnen Leuchtengruppen zugeordneten Kor
relationskurven abgelegt.
Der Helligkeitssensor 2 ist derart ausgelegt, dass er nur
Spektralbereiche des Tageslichts erfasst, die im Wesentlichen
außerhalb des von dem Beleuchtungsmittel 6 abgegebenen Spek
tralbereichs liegen. Die Helligkeitssteuerung mit dem System
erfolgt daher mittels jener Strahlungsanteile des Tages
lichts, die außerhalb der von der künstlichen Beleuchtung ab
gegebenen Spektren ist. Dies ermöglicht zum einen, dass der
Sensor im Raum selbst angeordnet werden kann und dass die
tatsächliche Tageslicht-Raumhelligkeit erfasst wird. Durch
dieses Meßprinzip ist zudem in vorteilhafterweise ermöglicht,
im Raum nur einen einzigen Helligkeitssensor 2 anzuordnen.
Dem Helligkeitssensor 2 ist hierzu der bevorzugt als opti
scher Kantenfilter ausgebildete Filter 3 zugeordnet, der die
Spektralbereiche des künstlichen Beleuchtungsmittels 6 he
rausfiltert.
Alternativ hierzu weist der Helligkeitssensor 2 ein Fotoele
ment, insbesondere eine Fotodiode 30 (vgl. Fig. 4) auf, die
für den nahen Infrarotbereich zwischen 800 nm und 1100 nm aus
gebildet ist. Die Verwendung einer Infrarot-Fotodiode 30 ist
im Vergleich zu dem speziellen Filter 3 wesentlich kostengün
stiger. Zur besseren Abgrenzung des Spektralbereichs ist der
Fotodiode zusätzlich ein sogenannter Tageslichtsperrfilter
32 (vgl. Fig. 4) vorgeschaltet. Beim Betrieb des Helligkeits
steuersystems misst der Helligkeitssensor 2 den aktuellen
Helligkeitswert HW, übermittelt diesen Wert an die Steuerein
heit 4, in der die Korrelationskurven zwischen Helligkeits
wert HW und Stellwert SW für die einzelnen Leuchtengruppen 8
abgelegt sind. In Abhängigkeit des Helligkeitswerts HW gibt
die Steuereinheit 4 den Aktoren 10 der Leuchtengruppen 8
leuchtengruppenspezifische Stellwerte SW vor. Gemäß diesen
Stellwerten SW steuern die Aktoren 10 die Energiezufuhr für
die Leuchtengruppen 8 und somit deren Helligkeit.
Für eine kompakte Bauweise ist die Steuereinheit 4 bevorzugt
im Helligkeitssensor 2 integriert. Damit die Erfassung des
Helligkeitswerts HW von den Leuchtengruppen 8 möglichst unbe
einflusst ist, strahlen diese zweckdienlicherweise lediglich
in einem Spektralbereich, für den das menschliche Auge emp
findlich ist. Dies hat zudem den Vorteil einer Energieeinspa
rung im Vergleich zu Breitbandstrahlen.
Im Diagramm der Fig. 2 ist die relative Intensität Irel für das
Spektrum des Tageslichts bzw. die relative spektrale Empfind
lichkeit Erel des menschlichen Auges und zweier Fotodioden 32
gegenüber der Wellenlänge in Nanometern aufgetragen. Die Emp
findlichkeit des menschlichen Auges erstreckt sich über einen
Bereich zwischen 400 nm und etwa 750 nm, wie aus der Kurve 34
für die Augenempfindlichkeit zu entnehmen ist.
Die spektrale Empfindlichkeit Erel der beiden Fotodioden 30
(jeweils mit vorgeschaltetem Tageslichtsperrfilter 32) ist in
den Kurven 36 und 38 gezeigt, wobei die beiden Fotodioden 32
für einen Wellenlänge von 880 bzw. 950 nm ausgelegt sind, wo
sie ihre maximale Empfindlichkeit aufweisen. Den Kurven 34
bis 38 überlagert ist das Spektrum 40 des Sonnenlichts. In
der Fig. 2 ist weiterhin die Spektrallinie des Quecksilbers
bei 1014 nm eingetragen. Leuchtstofflampen heutiger Bauart
strahlen einen geringen Anteil der Energie mit dieser Spek
trallinie ab. Vom Helligkeitssensor 2 wird daher bei Verwen
dung von Leuchtstofflampen auch ein gewisser Anteil der von
den Leuchtengruppen 8 abgegebenen Energie erfasst. Dies stört
die Auswertung des im nahen Infrarotbereichs empfangenen
Lichts nur geringfügig. Zudem werden diese Störanteile bei
der Kalibrierung mit erfasst.
Wie bereits ausgeführt, wird von dem Helligkeitssensor 2 le
diglich ein schmaler Raumbereich unter dem Erfassungswinkel γ
erfasst. Der Lichteinfall über die Winkelbereiche α und β ist
ausgeschlossen. Dadurch wird erzielt, dass der Helligkeits
sensor 2 die tatsächlich im Raum herrschende Tageslicht-Hel
ligkeit erfasst und keine Störeinflüsse das Ergebnis verfäl
schen. Ein solcher Störeinfluss ist beispielsweise das direk
te Auftreten von Sonnenstrahlen bei tiefstehender Sonne. Dies
wird durch die Abschottung des Helligkeitssensors 2 über den
Winkelbereich α, der bevorzugt einige Grad beträgt, verhin
dert. Durch Abschottung über den Winkelbereich β werden zudem
Störeinflüsse von Breitbandstrahlen, z. B. Arbeitsplatzleuch
ten mit normalen Glühlampen, vermieden. Der Helligkeitssensor
2 gewährt also eine Rundumsicht im Bereich des Erfassungswin
kels γ. Die im Raum vorhandenen seitlichen Leuchtdichten wer
den im Helligkeitssensor 2 zu einem Helligkeitswert HW inte
griert. Durch die Rumdum-Empfindlichkeit wird das subjektive
Helligkeitsempfinden des menschlichen Auges gut nachgebildet.
Die integrale Erfassung des Tageslichtpegels im gesamten Raum
unter dem Erfassungswinkel γ bietet folgende Vorteile:
- - Der wandernde Sonnenstand wird durch die Helligkeitssteue rung miterfasst. Dies gilt auch für sehr flache Sonnenein strahlung, wenn Reflexionen an Wänden sich auf den Tages lichtpegel auswirken.
- - Es erfolgt eine automatische Reaktion der Helligkeitssteue rung auf Stellungen von an den Fenstern 22 angebrachten Ja lousien.
- - Es ist eine beliebige Anordnung von Fenstern 22 ermöglicht. Auch Oberlichter oder eine Rundumverglasung ist im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit des Helligkeitssteuersystems nicht kritisch.
- - Wegen der Abschottung des Helligkeitssensors 2 nach unten in Richtung zu den Arbeitsflächen wird das Helligkeits steuersystem kaum von optischen oder geometrischen Ände rungen im Arbeitsbereich beeinflusst.
- - Eine Ausrichtung des Helligkeitssensors 2 ist nicht not wendig.
Zur Ermöglichung der Rundumsicht des Helligkeitssensors 2 un
ter dem Erfassungswinkel γ ist gemäß Fig. 3 am Helligkeitssen
sor 2 eine Blendenanordnung mit einer oberen Blende 44 und
einer unteren Blende 46 vorgesehen. Mittels der oberen Blende
44 wird ein Lichteinfall unter dem Winkel α auf die licht
empfindliche Fläche 48 des Helligkeitssensors 2 vermieden.
Der lichtempfindlichen Fläche 48 ist ein Filter, beispiels
weise der Tageslichtsperrfilter 32 vorgeschaltet, und die
lichtempfindliche Fläche 48 ist vorzugsweise die Fotodiode
30. Die untere Blende 46 ist entlang einer Führungsschiene 50
verschiebbar gelagert. Sie schottet seitlichen Lichteinfall
und Lichteinfall von unten unter dem Winkel β ab. An der un
teren Blende 46 sind Markierungen 48 angebracht und an der
Führungsschiene 50 befindet sich eine Gegenmarkierung 54. Mit
der verschiebbaren unteren Blende 46 ist eine Variierung des
Erfassungswinkels γ möglich, so dass dieser an unterschiedli
che Raumgrößen angepasst wird. Damit wird erzielt, dass le
diglich das von oberen Seitenwandbereichen reflektierte Licht
von dem Messsensor 2 erfasst wird. An der Markierung 52 sind
hierzu beispielsweise unterschiedliche Raumgrößen angegeben.
Je nach tatsächlicher Raumgröße ist die entsprechende Markie
rung mit der Gegenmarkierung 54 in Übereinstimmung zu brin
gen.
Fig. 4 ist zu entnehmen, dass der Fotodiode 30 ein optisches
Element 56 vorgeschaltet ist, über das das einfallende Licht
auf die Fotodiode 30 gelenkt wird. Zwischen optischem Element
56 und Fotodiode 30 ist bevorzugt der Tageslichtsperrfilter
32 angeordnet, der undurchlässig für Spektralbereiche ist,
die außerhalb der Empfindlichkeit der Fotodiode 30 liegen.
Das optische Element 56 ist gemäß Fig. 4 bevorzugt als ein
runder kegelförmiger Körper mit spiegelnder Oberfläche ausge
bildet. Er bewirkt, dass nur seitlich einfallende Lichtantei
le umgelenkt werden und auf die Fotodiode 30 fallen. Lichtan
teile, die außerhalb des Erfassungswinkels γ eintreffen, wer
den außerhalb der Fotodiode 30 reflektiert und damit nicht
ausgewertet. Um den gewünschten Erfassungswinkel γ zu erhal
ten, weicht die kegelgenerierende vorzugsweise von einer Ge
raden ab und ist kurvenförmig ausgebildet.
Das von der Fotodiode 30 abgegebene Messsignal wird in einem
ersten Verstärker 58 vorverstärkt und in einem zweiten regel
baren Verstärker 60 endverstärkt. Die Verstärkerleistung des
zweiten Verstärkers 60 wird über einen Prozessor 62 einge
stellt. Dieser ist über einen Busankoppler 64 mit dem Daten
bus 12 verbunden. Die Verstärkerleistung des zweiten Verstär
kers 60 wird bei der Inbetriebnahme, insbesondere bei dem Ka
librierverfahren, in einem ersten Schritt derart geregelt,
dass das Sensorelement 2 eine geeignete Empfindlichkeit auf
weist.
Das Kalibrierverfahren zum Abgleich des Helligkeitssteuersys
tems auf die bestehenden Raumverhältnisse wird im Folgenden
anhand der Fig. 5 und 6 in Verbindung mit der Fig. 1 erläu
tert. Das grundsätzliche Vorgehen bei dem Kalibrierverfahren
ist folgendes: Einstellung der Empfindlichkeit des Hellig
keitssensors 2 in einem ersten Schritt und in einem zweiten
Schritt die insbesondere zeitgleiche Aufnahme der jeder
Leuchtengruppe 8 zugeordneten spezifischen Steuer- oder Kor
relationskurve zur Ablage in der Steuereinheit 4. Zur Aufnah
me der Korrelationskurve wird der Helligkeitswert HW vom Hel
ligkeitssensor 2 erfasst und die von der Leuchtengruppe 8 be
reitgestellte künstliche Beleuchtung über den Stellwert SW
solange variiert, bis der von der Messeinheit 26 ermittelte
Raumwert RW einem eingestellten Sollwert entspricht. Bei Er
reichen des Sollwerts wird der aktuelle Stellwert SW dem
herrschenden Helligkeitswert HW zugeordnet. Diese Zuordnung
erfolgt im Tagesverlauf für unterschiedliche Tageslichtpegel.
Um eine Verfälschung der Ergebnisse zu vermeiden ist die ma
nuelle Bedienung des Beleuchtungsmittels 6 gesperrt, und
sämtliche Jalousien und Sonnenblenden sind hochgezogen. Um
sämtliche Tageslichtpegel zu erfassen, wird die Kalibrierung
vorzugsweise an Sonnentagen vorgenommen. Eine Kalibrierung
über mehrere Tage erhöht die Genauigkeit. Die Durchführung
des Kalibrierverfahrens bei einem Sonnentag ist zweckmäßig,
da die Intensität I des Tageslichtpegels erheblich von der
Bewölkung abhängt, wie aus dem Intensitätsverlauf 66 bei ei
nem Sonnentag und dem Intensitätsverlauf 68 bei einem bewölk
ten Tag im Tagesverlauf t erkennbar ist. Die maximale Licht
intensität Imax wird bei einem Sonnentag in der Regel am Vor
mittag erreicht.
Bei dem Kalibrierverfahren werden die Messdaten der Messein
heiten 26 an das Basisgerät 28 übermittelt, und zwar vorzugs
weise drahtlos, um den Installationsaufwand möglichst gering
zu halten. Hierzu bieten sich beispielsweise Funk- oder In
frarotsignale an. Alternativ werden die Messeinheiten 26 an
den Datenbus 12 angeschlossen. Die Messeinheiten 26 sind auf
einer Arbeitsplatzhöhe h von 80 cm angeordnet. Sie ermöglichen
bevorzugt eine Messung gemäß der DIN 5035 und weisen hierzu
einen sogenannten Augencharakteristik-Filter auf.
Die Messeinheiten 26 werden vorzugsweise mit Batterien be
trieben. Zur Energieeinsparung sind sie nur als Sender ausge
staltet und übermitteln Messsignale zyklisch, also nichtkon
tinuierlich. Insbesondere wird zur Datenübermittlung von den
Messeinheiten 26 zum Basisgerät 28 eine Zeitschlitzsteuerung
angewendet. Die von den Messeinheiten 26 übermittelten Daten
umfassen neben dem Raumwert RW (Luxwert) vorzugsweise die
Quelladresse der jeweiligen Messeinheit 26 und zusätzlich ei
ne Meldung über den aktuellen Batteriezustand.
Um eine möglichst fehlerfreie Korrelation zwischen dem einer
jeweiligen Leuchtengruppe 8 zugeordneten Stellwert SW und dem
Helligkeitswert HW zu erhalten, sind die Messeinheiten 26
derart unter die Leuchtengruppen 8 plaziert, dass sie nur die
jeweils Ihnen zugeordnete Leuchtengruppe 8 detektieren und
Einflüsse von benachbarten Leuchtengruppen 8 möglichst gering
sind. Prinzipiell ist die Durchführung des Kalibrierverfah
rens auch mit nur einer Messeinheit 26 möglich, jedoch muss
dann für jede Leuchtengruppe 8 separat eine Korrelationskurve
ermittelt werden.
Vor Beginn des Kalibrierverfahrens wird das Installationssys
tem auf die örtlichen Gegebenheiten vorparametriert. Dies ge
schieht beispielsweise durch Anschluss eines herkömmlichen
PCs. Da die Voreinstellungen über PC vorgenommen werden, ist
die hardwaretechnische Ausführung des Installationssystems
einfach und kostengünstig. Der Ablauf für die Aufnahme der
Korrelationskurven erfolgt nach der Vorparametrierung voll
ständig autark. Von Vorteil ist eine Adressenreservierung für
das Installationssystem mit seinen Geräten Basisgerät 28 und
Messeinheiten 26, und zwar eine Adressenreservierung im Bus
system des Helligkeitssteuersystems. Dies hat den Vorteil ei
ner lediglich einmaligen Adresseinstellung im Installations
system. Das Basisgerät 28 ist beispielsweise als ein tragba
res Notebook ausgestaltet.
Das Kalibrierverfahren wird mit dem Installationssystem auto
matisch durchgeführt. Zur Einstellung der Empfindlichkeit des
Helligkeitssensors 2 im ersten Schritt wird beispielsweise
von dem Basisgerät 28 ein Applikationsprogramm in den Hellig
keitssensor 2 eingespielt, der dann eine Selbstkalibrierung
automatisch vornimmt. Mit der Selbstkalibrierung wird bei
spielsweise begonnen, wenn kein Tageslicht vorhanden ist. Die
Verstärkerleistung des regelbaren Verstärkers 60 wird auf Ma
ximum gestellt. Sobald durch Zunahme des Tageslichtpegels ein
maximal vom Helligkeitssensor 2 bereitgestellter Skalenend
wert erreicht wird, wird die Verstärkung reduziert. Diese
Routine wird jedesmal bei Erreichen des Skalenendwerts durch
geführt. Die Skalenwerte entsprechen den Helligkeitswerten
HW. Diese sind digitale Steuerwerte und nicht direkt zu den
tatsächlichen Tageslichtwerten korrelierbar. Am Ende des Ta
ges ist der Verstärkungsfaktor derart eingestellt, dass bei
maximaler Lichtintensität Imax der maximale Skalenwert im Hel
ligkeitssensor 2 erreicht wird. Die Empfindlichkeit des Hel
ligkeitssensors 2 ist daher auf die räumlichen Gegebenheiten
abgestimmt. Um Störeinflüsse, wie beispielsweise kurzzeitig
auftretende Reflexionen zu unterbinden, müssen die Hellig
keitspegel eine gewisse Zeitdauer vom Helligkeitssensor 2 er
fasst werden, bevor eine Reduzierung der Verstärkerleistung
vorgenommen wird. Der Verstärkungsfaktor und der Helligkeits
wert HW sind für Diagnosezwecke auf Anfrage bevorzugt ausles
bar.
Zur Überprüfung, ob im Tagesverlauf tatsächlich das erwartete
Tageslichtmaximum erreicht wurde, wird über eine der Messein
heiten 26 vorzugsweise der tatsächliche Lichtwert (Luxwert)
ermittelt. Das Maximum des Lichtwerts ist über Tastendruck
oder Fernabfrage auslesbar. Die Messeinheit 26 ist hierzu be
vorzugt in Fensternähe aufgestellt. Die maximale Lichtinten
sität Imax ist in der Regel jahreszeitenabhängig. Dies kann
durch eine entsprechende Korrektur berücksichtigt werden.
Falls das Intensitätsmaximum Imax bei der Kalibrierung nicht
erreicht wurde, bleibt dies im Hinblick auf den Komfort des
Beleuchtungssystems ohne Einfluss. Allerdings ist in diesem
Fall die Energieeinsparung durch Abschalten von Leuchtengrup
pen 8 bei ausreichendem Tageslichtpegel nicht ausgeschöpft.
Denn der vom Helligkeitssensor 2 gemessene maximale Hellig
keitswert HW wird bereits unterhalb des tatsächlichen Maximus
des Tageslichtpegels erreicht. Der Helligkeitssensor 2 ist
also gesättigt. Eine Zunahme des Tageslichtpegels über den
Sättigungsbereich hinaus bleibt vom Helligkeitssteuersystem
unberücksichtigt.
Sobald das Intensitätsmaximum Imax erreicht ist, wird der
zweite Kalibrierungsschritt gestartet. Dies erfolgt bei
spielsweise vollautomatisch, sobald eine kontinuierliche Ab
nahme des Tageslichts detektiert wird. Alternativ ist ein ma
nuelles Starten vor Ort oder auch durch Fernauslösung mög
lich. Zur Ermittlung der Korrelationskurve, wie sie in Fig. 6
beispielhaft dargestellt ist, wird für jede Leuchtengruppe 8
eine separate Konstantlichtregelung aktiviert. Hierzu wird
ein Sollwert vom Basisgerät 28 für den von der entsprechenden
Messeinheit 26 ermittelten Raumwert RW vorgegeben. Zur Durch
führung des Kalibrierverfahrens ist das Basisgerät 28 mit ei
ner entsprechenden Applikationssoftware ausgestaltet. Über
das Basisgerät 28 wird der Stellwert SW für die jeweilige
Leuchtengruppe 8 solange variiert, bis der Raumwert RW mit
dem Sollwert weitestgehend übereinstimmt. Ist kein Tageslicht
vorhanden, so gibt der Helligkeitssensor 2 den Helligkeits
wert 0 aus. Bei diesem Helligkeitswert wird die Beleuchtungs
gruppe 8 maximal angesteuert. Der Stellwert SW ist auf Maxi
mum (SW9) eingestellt. Mit zunehmendem Tageslichtpegel, also
zunehmendem Helligkeitswert HW, wird der Stellwert SW redu
ziert, bis die Leuchtengruppe 8 letztendlich gänzlich ausge
schaltet wird (SW1). Der kontinuierliche Verlauf zwischen
Stellwert SW und Helligkeitswert HW ist durch die gestrichel
te Linie dargestellt.
Um den Speicherbedarf zu reduzieren werden nur einzelne Kor
relationspunkte P1 bis P9 ermittelt, zwischen denen eine ge
eignete Interpolation vorgenommen wird. Zur Ermittlung ge
eigneter Korrelationspunkte P1 bis P9 wird bevorzugt folgen
dermaßen vorgegangen: Das Verfahren beginnt bei Dunkelheit,
der Stellwert ist auf SW9, dem maximalen Stellwert SW einge
stellt. Die Beleuchtung des Raums wird ausschließlich mit
künstlichem Licht vorgenommen. Der Stellwert SW9 ist dabei
derart, dass ein Gleichgewicht zwischen Sollwert und Raumwert
RW vorliegt. Mit zunehmendem Tageslicht wird zu jedem vorab
festgelegten Stellwert SW1-SW9 das Gleichgewicht zwischen
Raumwert RW und Sollwert ermittelt. Dabei überprüft eine
Plausibilitätsroutine, welcher von zwei aufeinanderfolgenden
gemessenen Raumwerten RW näher am Sollwert liegt. Dieser
Punkt wird dann als Korrelationspunkt in die Korrelationskur
ve eingetragen. Im Ausführungsbeispiel ist dies verdeutlicht
durch den Korrelationspunkt P8 und dem Punkt P8'.
Zur Aufnahme der Korrelationskurve erfolgen bevorzugt mehrere
Durchgänge, wodurch sich die Genauigkeit erhöht. Wichtig ist,
dass während eines Sonnentags die Kalibrierung durchgeführt
wurde, um sämtliche Ausleuchtungsmöglichkeiten durch das Ta
geslicht zu erfassen.
Sobald die Korrelationskurve aufgenommen ist, wird dies bei
spielsweise am Basisgerät 28 angezeigt. Die Korrelationskur
ven für die einzelnen Leuchtengruppen 8 sind zunächst im Ba
sisgerät 28 niedergelegt und werden anschließend in die Steu
ereinheit 4 überspielt. Die zur Durchführung der Kalibrierung
im zweiten Schnitt verwendete Applikationssoftware berück
sichtigt vorzugsweise unterschiedliche Fehlerquellen, die
beispielsweise durch die Einstrahlung fremder Leuchtengruppen
8 in die jeweilige Messeinheit 26 entstehen. Der Einfluss
fremder Leuchtengruppen 8 wird alternativ durch Höhersetzen
der Messeinheiten 26 eliminiert, wobei dann jedoch eine Kor
rektur vorgenommen werden muss, die die veränderte Höhe be
rücksichtigt.
Von Vorteil bei dem Kalibrierungsverfahren ist, dass die op
tischen Eigenschaften der Messeinheiten 26 in der Korrela
tionskurve mit erfasst und damit ausgeglichen werden. Eben
falls wird eine eventuelle Dämpfung durch getönte Scheiben
sowie die Spektrallinie des Quecksilbers mit erfasst und da
durch ausgeglichen. Von Vorteil bei dem automatischen Kalib
rierverfahren ist weiterhin, dass während des. Verfahrens eine
vollwertige Nutzung des Raums gegeben ist, da für eine aus
reichende Beleuchtung gesorgt ist.
Claims (23)
1. Verfahren zur Helligkeitssteuerung in einem Raum (14), bei
dem ein Helligkeitswert (HW) von einem Helligkeitssensor (2)
erfaßt, und bei dem in Abhängigkeit vom Helligkeitswert (HW)
die Beleuchtung im Raum (14) mittels eines Beleuchtungsmit
tels (6, 8) eingestellt wird, wobei zur Erfassung des Hellig
keitswerts (HW) ein Spektralbereich des natürlichen Lichts
herangezogen wird, der im Wesentlichen außerhalb des vom Be
leuchtungsmittel (6, 8) abgegebenen Spektralbereichs liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Spektralbereich des
Beleuchtungsmittels (6, 8) von einem lichteinfallseitig vor
dem Helligkeitssensor (2) angeordneten Filter (3) herausge
filtert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Erfassung
des Helligkeitswerts (HW) ein Infrarotbereich, insbesondere
der nahe Infrarotbereich zwischen 800 nm und 1100 nm, herange
zogen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
das Licht vom Helligkeitssensor (2) rundum erfaßt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
von dem Helligkeitssensor (2) nur das seitlich von den Sei
tenwänden (18) des Raums (14), insbesondere von den oberen
Seitenwandbereichen, einfallende Licht erfaßt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
waagrecht und unter einem spitzen Winkel zur Waagrechten ein
fallendes Licht von der Erfassung ausgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
das Beleuchtungsmittel (6) mehrere Leuchtengruppen (8) auf
weist, die jeweils unabhängig angesteuert werden.
8. Helligkeitssteuersystem für einen Raum (14) mit einem Be
leuchtungsmittel (6, 8), mit einem Helligkeitsensor (2) und
mit einer mit diesem verbundenen Steuereinheit (4) zur An
steuerung des Beleuchtungsmittels (6, 8) in Abhängigkeit eines
vom Helligkeitssensors (2) erfaßten Helligkeitswerts (HW),
wobei der Helligkeitssensor (2) zur Erfassung eines Spektral
bereichs des natürlichen Lichts ausgebildet ist, der im We
sentlichen ausserhalb des von dem Beleuchtungsmittel (6, 8)
abgegebenen Spektralbereichs liegt.
9. System nach Anspruch 8, bei dem der Helligkeitssensor (2)
einen Filter (3) für den von dem Beleuchtungsmittel (6, 8) ab
gegebenen Spektralbereich aufweist.
10. System nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Helligkeits
sensor (2) zur Erfassung eines Infrarot-Bereichs ausgebildet
ist.
11. System nach Anspruch 10, bei dem der Helligkeitssensor
(2) eine Infrarot-Fotodiode (30) aufweist.
12. System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem der
Helligkeitssensor (2) lichtunempfindlich ist für waagrecht
und bis zu einem spitzen Winkel zur Waagrechten einfallendes
Licht.
13. System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der
Helligkeitssensor (2) lichtempfindlich ist ausschließlich für
das von Seitenwänden (18) des Raums (14) einfallende Licht.
14. System nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Helligkeits
sensor (2) eine Blendenanordnung (44, 46) aufweist.
15. Verfahren zur Kalibrierung eines Helligkeitssteuersystems
für einen Raum (14), insbesondere eines Helligkeitssteuersys
tems nach einem der Ansprüche 8 bis 14, bei dem ein Hellig
keitswert (HW) mittels eines Helligkeitssensors (2) als Maß
für die Helligkeit des natürlichen Tageslichts und ein Raum
lichtwert (RW) mit Hilfe einer Meßeineit (26) als Maß für die
Helligkeit im Raum (14) ermittelt werden, bei dem der Raum
lichtwert (RW) über ein Beleuchtungsmittel (6, 8) mittels ei
nes Stellwerts (SW) auf einen Sollwert eingestellt wird, und
bei dem der so ermittelte Stellwert (SW) dem aktuellen Hel
ligkeitswert (HW) zugeordnet und diese Zuordnung als Werte
paar gespeichert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem in einem ersten
Schritt vor der Ermittlung des Wertepaars die Empfindlichkeit
des Helligkeitssensors (2) an die maximal auftretende Licht
intensität (Imax) des Tageslichts im Verlauf eines Tages ange
passt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem die Kalibrie
rung automatisch erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem die
Meßeinheit (26) über einen Datenbus (12) oder drahtlos Daten
an ein Basisgerät (28) übermittelt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Datenübermittlung
zyklisch erfolgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem das
Beleuchtungsmittel (6) mehrere im Raum verteilte Leuchten
gruppen (8) umfaßt, und bei dem für jede Leuchtengruppe (8)
eine Anzahl von gruppenspezifischen Wertepaaren ermittelt
werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei dem im
Verlauf eines Tages eine Anzahl von Wertepaaren ermittelt
werden, die in einer Korrelationskurve für das Beleuchtungs
mittel (6, 8) abgelegt werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem der
gemessene Raumwert (RW) mit einem Kalibrierungsfaktor gewich
tet wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem der
Raumlichtwert (RW) mit Hilfe von mehreren Messeinheiten (26)
innerhalb des Raums (14) ortsäbhängig ermittelt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944024A DE19944024A1 (de) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Verfahren zur Helligkeitssteuerung in einem Raum, Helligkeitssteuersystem sowie Verfahren zur Kalibrierung eines Helligkeitssteuersystems |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944024A DE19944024A1 (de) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Verfahren zur Helligkeitssteuerung in einem Raum, Helligkeitssteuersystem sowie Verfahren zur Kalibrierung eines Helligkeitssteuersystems |
Publications (1)
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DE19944024A1 true DE19944024A1 (de) | 2001-03-15 |
Family
ID=7921988
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19944024A Withdrawn DE19944024A1 (de) | 1999-09-14 | 1999-09-14 | Verfahren zur Helligkeitssteuerung in einem Raum, Helligkeitssteuersystem sowie Verfahren zur Kalibrierung eines Helligkeitssteuersystems |
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Country | Link |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
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