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    • 专利摘要:

    公开号:WO1980002457A1
    申请号:PCT/CH1980/000036
    申请日:1980-03-12
    公开日:1980-11-13
    发明作者:E Schindler；H Zumsteg
    申请人:Haenni & Cie Ag；E Schindler；H Zumsteg；
    IPC主号:G01J1-00
    专利说明:
    [0001] Solarimeter
    [0002] Die Erfindung betrifft ein Solarimeter, ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die Intensität und/oder die Energie der Sonnenstrahlung mit einem einfachen, wenig Speisestrom verbrauchenden und daher mit einer kleinen Batterie über lange Zeit funktionsfähigen Gerät zu messen, z.B. für die Beurteilung der Ergiebigkeit von Sonnenheizungsanlagen in einer bestimmten Gegend.
    [0003] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. In den Patentansprüchen 2 bis 4 sind besondere Ausführungsarten dieses Gegenstandes umschrieben.
    [0004] Im folgenden wird die Erfindung anhand der lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt das vereinfachte Schaltungschema eines Solarimeters.
    [0005] Eine Silizium-Fotodiode 1, die der Sonnenstrahlung 2 auszusetzen ist, liegt in Reihe mit einem Ladekondensator 3 an einer Batterie 4. Der durch die Fotodiode 1 fliessende Strom ist der Intensität der Strahlung 2 praktisch proportional, solange die Spannung am Ladekondensator 3 klein im Vergleich zur Spannung der Batterie 4 ist. Wenn die Kondensatorspannung einen bestimmten Betrag erreicht, der diese Bedingung noch erfüllt, wird der Ladekondensator 3 - wie im folgenden ausführlicher beschrieben durch einen als Transistor 5 ausgeführten, steuerbaren elektronischen Schalter entladen, woraufhin sich der Ladevorgang wiederholt. Bei jedem Entladevorgang wird ein Impuls erzeugt. Jeder dieser Impulse entspricht einer bestimmten Energie der Strahlung 2. Diese Energie kann durch Einstellung der Spannung, bei der die Entladung des Ladekondensators 3 ausgelöst wird, auf einen bestimmten Bruchteil einer Energieeinheit eingestellt werden. Zur Messung der Strahlungsenergie werden die Impulse über einen(in der Regel) langen Zeitraum von einem Zähler 6 fortlaufend gezählt. Zur Messung der augenblicklichen Strahlungsintensität wird die Zählrate (d.i. die Anzahl Impulse pro Zeiteinheit) in einem Zählratenmesser 7 gemessen. Eine digitale Anzeigevorrichtung 8 zeigt abhängig von der Stellung eines nicht dargestellten Umschalters, die auf eine Flächeneinheit der bestrahlten Fläche der Fotodiode 1 bezogene Energie (z.B. in kWh/m2) oder Leistung (z.B. W/m2) an.
    [0006] Da die Dauer jeder Ladung des Ladekondensators 3,nicht aber die Dauer der jeweils anschliessenden Entladung von der umgesetzten Strahlungsenergie abhängt, ist die Anzahl der gezählten Impulse nur dann ein Mass der Energie bzw. Leistung, wenn die Entladedauer vernachlässigbar kurz gegenüber der kürzesten Ladedauer ist. Ausserdem muss die Entladung nicht nur jeweils bei derselben Kondensatorspannung ausgelöst, sondern es muss auch jedesmal vollständig oder stets bis auf dieselbe Restspannung entladen werden. Dies wird, wie im folgenden beschrieben, erreicht.
    [0007] Die Spannung des Ladekondensators 3 (0,5 bis 1 Mikrofarad) liegt an einem ersten Eingang 11 eines Analog-DigitalSchalters 12, für den im folgenden die übliche Kurzbezeichnung AD-Schalter verwendet wird. Am zweiten Eingang 13 des AD-Schalters 12 liegt eine konstant gehaltene Gleichspannung (Vergleichsspannung U 1,5 Volt), die an einem Abgriff eines parallel zu einer Zenerdiode 14 geschalteten Teilwiderstandes 15 eines Spannungsteilers 15/16 eingestellt ist, der die Batteriespannung (6 Volt) teilt. An dieser Vergleichsspannung U liegt ein Kondensator 17 (1 Mikrofarad). Der AD-Schalter 12 liefert an seinem Ausgang 18 das Signal "Eins" (+ 6 Volt), wenn die Spannung an seinem ersten Eingang 11 grösser als die Spannung am zweiten Eingang 13 ist, d..h., wenn die Spannung am Ladekondensator 3 die Vergleichsspannung U (+ 1,5 Volt) überschreitet. Wenn umgekehrt die Spannung am Ladekondensator 3 kleiner als die Vergleichsspannung U ist, ist der Ausgang 18 des AD-Schalters 12 spannungslos (mit dem Minuspol der Batterie 4 verbunden), entsprechend dem Signal "Null".
    [0008] Bei der dargestellten Schaltung ist das im AD-Schalter 12 enthaltene Halbleiterbauelement, welches das Digitalsignal am Ausgang 18 schaltet, nicht mit dem Steuerstrom belastbar, der nötig wäre, um den Transistor .5 so weit auszusteuern, dass seine Kollektor-Emitter-Strecke C-E den geladenen Ladekondensator 3 in einer Zeit entladet, die vernachlässigbar kurz gegenüber der kürzesten Ladezeit (d.i. die Ladezeit am oberen Ende des Messbereiches des Solarimeters) ist. Deshalb ist ein elektronisches Relais, nämlich ein UND-Glied (oder ODER-Glied) 19 vorgesehen, dessen Eingänge miteinander und mit dem Ausgang 18 und dessen Ausgang über einen Widerstand 20 (2,2 Kiloohm) mit der Basis B des Transistors 5 verbunden ist.
    [0009] Solange die Spannung am Ladekondensator 3 kleiner als die VergleichsSpannung U ist, liefert der Ausgang 18 des AD-Schalters 12 das Signal "Null", damit hat die Basis B des Transistors 5 das Potential Null, übereinstimmend mit dem Potential des Emitters E. Die Kollektor-Emitter-Strecke C-E des Transistors 5 ist nichtleitend. Der Kondensator 3 wird entsprechend der Intensität der auf die Fotodiode 2 fallenden Sonnenstrahlung
    [0010] 2 aufgeladen. Sobald die Spannung des Ladekondensators
    [0011] 3 den Betrag der Vergleichsspannung U überschreitet, liefert der AD-Schalter 12 am Ausgang 18 das Signal "Eins" (+ 6 Volt), der Transistor 5 wird leitend und beginnt, den Kondensator 3 zu entladen. In dem Augenblick, in dem die Spannung am Ladekondensator 3 nun wied kleiner wird als die Vergleichsspannung U, wechselt der Zustand des Ausgangs 18 des AD-Schalters bereits wieder von "Eins" auf "Null", woraufhin der Transistor 5 sperrt. Auf diese Weise kann nur ein sehr kurzer Ausgangsimpuls des AD-Schalters 12 entstehen. Die gleich kurze Zeit, während der die Kollektor-Emitter-Strecke C-E des Transistors 5 in leitfähigem Zustand ist, würde eine vollständige Entladung des Kondensators 3 nicht zuverlässig gewährleisten. Deshalb ist eine Schaltung zur Dehnung des vom AD-Schalter 12 gelieferten, den Transistor 5 steuernden Impulses vorgesehen. Zur Impulsdehnung kann ein Impulsdehner zwischen den Ausgang des UND-Tores 19 und die Basis B des Transistors 5 geschaltet werden (nicht dargestellt).
    [0012] Besonders vorteilhaft ist die dargestellte Schaltung. Bei dieser ist eine vollständige Entladung des Ladekondensators 3 (bis auf die durch den Halbleitereffekt bedingte Restspannung zwischen Kollektor C und Emitter E) dadurch sichergestellt, dass zur Dehnung des Ausgangsimpulses des AD-Schalters 12 der Ausgang des UND-Gliedes 19 über einen Kondensator 21 (20 pF) mit dem AD-Schalter-Eingang 11 verbunden, und zwischen diesen Eingang 11 und den Ladekondensator 3 ein Widerstand 22 (100 Kiloohm) geschaltet ist. Dieser Widerstand 22 und der Kondensator 21 sind so bemessen, dass die Zeitkonstante des CR-Gliedes 21/22 sowohl vernachlässigbar klein gegenüber der kürzesten Ladezeit des Kondensators 3, (d.i. die Ladezeit am oberen Ende des Messbereiches des Solarimeters) als auch kleiner als die Zeitkonstante ist, die sich aus der Kapazität des Ladekondensators 3 und dem Durchlasswiderstand des Transistors 5 ergibt.
    [0013] Während der Ladung des Ladekondensators 3 ist der Kondensator 21 in Reihe mit dem Widerstand 22 parallel zum Ladekondensator 3 geschaltet; denn am Ausgang des ADSchalters 12 und somit auch des UND-Tores 19 ist das Signal "Null". Beide Kondensatoren 3 und 21 werden folglich gemeinsam und wegen der Zeitkonstante des CR-Gliedes 21/22 gleichzeitig aufgeladen. Wenn die Spannung am Ladekondensator 3 so gross wie die Vergleichsspannung U (1,5 Volt) ist, liegt auch am Kondensator 21 eine Spannung gleicher Grosse. Wenn der AD-Schalter 12 nun schaltet und das Signal "Eins" am AD-Schalter-Ausgang 18 und am Ausgang des UND-Gliedes 19 auftritt, herrscht am ersten Eingang 11 des AD-Schalters 12 eine Spannung, die gleich der Summe (7,5 Volt) aus der Spannung am Kondensator 21 (1,5 Volt) und der Signalspannung (6 Volt) am Ausgang des UND-Gliedes 19 ist. Das Ausgangssignal "Eins" am Ausgang des UND-Tores 19, das die Kollektor-EmitterStrecke C-E des Transistors in leitendem Zustand hält, wobei der Ladekondensator 3 entladen wird, bleibt nun so lange bestehen, bis der Kondensator 21 durch den Wider stand 22 von der genannten Summenspannung (7,5 Volt) bis auf 0 entladen und auf eine dieser entgegengesetzte Spannung aufgeladen wurde , deren Betrag (4,5 Volt) gleich der Differenz aus der AusgangsSignalspannung (6 Volt) des UND-Gliedes 19 und der Vergleichsspannung U (1,5 Volt ist. Erst dann schaltet der AD-Schalter 12 wieder zurück, das AusgangsSignal wird wieder "Null", so dass der Transistor 5 wieder gesperrt ist, und der Kondensator 3 wieder geladen wird. Wegen der genannten Bemessung derZeitkonstanten von 21/22 und 3/C-E ist die Entladung des Ladekondensators 3 jeweils vollständig und die damit zusammenhängende Zeit zwischen dem Ende einer Ladung und dem Beginn der nächsten Ladung vernachlässigbar.
    [0014] Der Impulszähler 6, dem ein Zähluntersetzer 23 vorgeschaltet ist, zählt fortlaufend die entsprechend dem Untersetzungsfaktor (N/m) herabgesetzte Anzahl der vom AD-Schalter 12 erzeugten Impulse, die je einem Lade- und Entladevorgang am Kondensator 3 entsprechen. Jeder Ladevorgang entspricht einer bestimmten von der Fotodiode 1 umgesetzten Strahlungsenergie, die u.a. davon abhängt, bei welcher Spannung am Kondensator 3 der Ladevorgang jeweils endet, d.h.die Entladung erfolgt. Diese Spannung ist gleich der Vergleichsspannung U am zweiten Eingang 13 des AD-Schalters 12, die durch Verstellen des Abgriffs des Widerstandes 15 eingestellt werden kann. Sie wird so eingestellt, dass jeder Ladevorgang einem bestimmten, ganzzahligen Bruchteil einer auf eine Flächeneinheit der bestrahlten Fläche der Fotodiode 1 bezogenen Energieeinheit entspricht. Dieser Bruchteil ist so gewählt, dass die digitale, dekadische Anzeigevorrichtung
    [0015] 8 z.B. kWh/m2 anzeigt.
    [0016] Zur Intensitätsmessung, wird fortlaufend die Anzahl der jeweils während einer vorbestimmten Zeitdauer auftretenden Impulse gezählt und dekadisch digital angezeigt. Der dazu dienende Zählratenmesser 7 ist wie ein derart zählender Impulsfrequenzmesser ausgeführt, wobei die Zeitdauer, während der jeweils gezählt wird, unter Berücksichtigung der jedem gezählten Impuls entsprechenden
    [0017] Energie pro Flächeneinheit so gewählt ist, dass die Anzeigevorrichtung 8 z.B. W/m2 anzeigt. Die Anzeigevorrichtung 8 wird mittels eines (nicht dargestellten) Umschalters wahlweise vom Zähler 6 oder Zählratenmesser 7 gesteuert, wobei der Zähler 6 während einer Leistungsmessung (Impulsratenmessung) von dieser unbeeinflusst weiter zählt. Dabei kann der Umschalter mit einem Messbereichschalter kombiniert sein. Der Zählratenmesser 7 ist zweckmässig nur während einer Leistungsmessung aus der Batterie 4 gespeist.
    [0018] Die Polarität der Halbleiterelemente und entsprechend der Batterie kann umgekehrt und die Zuordnung der Binärsignale zu den betreffenden Zuständen bzw. Wirkungen kann vertauscht werden. Ersichtlich notwendig ist jedoch, dass dem Zustand des AD-Schalters, bei dem die Spannugg am Ladekondensator grösser als die Vergleichsspannung ist, der leitende Zustand des Transistors zugeordnet ist, bei dem dieser den Ladekondensator entladet. Beispielsweise könnte der Ausgang des AD-Schalters spannungsführend sein, wenn die Spannung am Ladekondensator die Vergleichsspannung unterschreitet, wobei dann an Stelle des UND-Gliedes ein NICHT-Glied (Negator, Inverter) zu verwenden ist.
    [0019] Dass das UND-Glied (nicht aber das NICHT-Glied der soeben genannten Variante) wegfallen kann, wenn das Binärsignal des AD-Schalters zur Steuerung des Transistors ausreicht, war oben bereits ersichtlich. Dabei ist der Kondensator der Schaltung zur Impulsdehnung statt an den Ausgang des UND-Gliedes an den Ausgang des ADSchalters anzuschliessen.
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Solarimeter, gekennzeichnet durch einen der Sonnenstrahlung (2) auszusetzenden Umsetzer (1), der einen der Strahlungsintensität praktisch proportionalen Strom liefert und in Reihe mit einem Ladekondensator £3) an eine Gleichspannungsquelle (4) angeschlossen ist, einen Analog-Digital-Schalter (12) mit zwei Eingängen (11, 13), deren erster (11) mit dem Ladekondensator (3) und deren zweiter (13) mit einer stabilisierten Gleichspannungsquelle (14 - 17) verbunden ist, eine Schaltung (21, 22) zur Dehnung des Ausgangsimpulses des Analog-Digital-Schalters (12), einen parallel zum Ladekondensator (3) geschalteten, elektronischen, steuerbaren Schalter (5) der vom gedehnten Ausgangssignal des Analog-Digital-Schalters (12) gesteuert ist, wobei dem leitenden Zustand des parallel zum Ladekondensator (3) geschalteten Schalters (5) der Zustand des Analog-Digital-Schalters (12) zugeordnet ist, in dem die Spannung am ersten Eingang (11) grösser als die am zweiten Eingang (13) ist, einen mit dem Ausgang (18) des Analog-Digital-Schalters (12) verbundenen Zähler (6) mit einer Anzeigevorrichtung (8) für die gezählten, je einer bestimmten Energie entsprechenden Impulse und/oder einem Zählratenmesser (7) mit einer Anzeigevorrichtung (8) für die jeweilige, der Strahlungsleistung entsprechende Zählrate.
    2. Solarimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang (18) des Analog-DigitalSchalters (12) und den Steuereingang(B) des elektronischen Schalters (5) ein verstärkendes Glied (19) geschaltet ist.
    3. Solarimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zum Dehnen der Ausgangsimpulse des Analog-Digital-Schalters (12) einen Widerstand (22), der zwischen den Ladekondensator (3) und den ersten Eingang (11) des Analog-Digital-Schalters (12) geschaltet ist, und einen Kondensator (21) aufweist, der zwischen den ersten Eingang (11) des Analog-DigitalSchalters (12) und, dessen Ausgang (18) oder den Ausgang eines auf diesen (12, 18) folgenden, verstärkenden Gliedes (19) geschaltet ist, und dass die Zeitkonstante des aus dem Widerstand (22) und dem Kondensator (21) bestehenden RC-Gliedes vernachlässigbar klein gegenüber der Ladezeit des Ladekondensators (3) am oberen Ende des Messbereiches und die Kapazität des Kondensators (21) vernachlässigbar klein gegenüber der des Ladekondensators (3) ist.
    4. Solarimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang (18) des Analog-Digital-Schalters (12) oder eines auf diesen (12, 18) folgenden, verstärkenden Gliedes (19) und den Zähler (6) und/oder Zählratenmesser (7) ein Zähluntersetzer (23) geschaltet ist.
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    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1980-11-13| AK| Designated states|Designated state(s): AT BR DE GB JP NL US |
    1980-11-13| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): AT CH DE FR GB LU NL SE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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