Einleitung
Wer gibt sich schon gern mit dem zufrieden was man hat? Niemand. So ging es uns, als nach einem Jahr Erfahrung im Betrieb unserer Wetterstation WS2000 der Wunsch aufkam, doch die Sonnenscheindauer zu ermitteln. (Auf die Idee kann man ja nur im Sommer kommen!). Klar war - es gibt hierzu nichts Fertiges von ELV (oder Conrad etc.) und der Blick hinüber zum Gartennachbar und Profiwetterfrosch schockte ein wenig, mit welchem (kommerziellen und zeitintensiven) Mittel die Sonnenscheindauer ermittelt wird - für uns Amateure zu teuer und zu kompliziert!
Es musste etwas Einfacheres her, das
kompatibel zur WS2000 war
leicht aufzubauen war (also ohne komplizierten Messaufbau zur Sonnenwinkelkompensation)
billig ist.
Der Blick in den Katalog brachte uns die IDEE nahe, evtl. den Temperatursensor S2001 IA zu modifizieren. Gesagt getan - und bestellt. Preislich noch moderat - ca. 50 DM sind dafür hinzublättern.
Am Anfang war die Überlegung, mittels Differenzmessung der Temperatur die Entscheidung zu gewinnen, ob Sonne scheint oder nicht (ist ja von Wetterfröschen schon so praktiziert worden). Schien mir aber zu ungenau. Und es sollte nur mit einem Sensor gehen...
Das Prinzip der Differenzmessung blieb anfangs dennoch unser Favorit, allerdings auf der Basis der Messung der Lichtstärke (Messung im Schatten und im direkten Licht). Leider gab die Schaltung des Sensors dieses Prinzip nicht her, so dass wir etwas mehr Aufwand mit der Auswertesoftware hatten. Doch dazu später mehr...
Ein wenig Theorie
Zuerst galt es, zu Verstehen, wie denn die Messsignalgewinnung mit dem Original Temperaturmesser vor sich geht. Ein Blick auf die Schaltung (Bild1) verdeutlicht das Prinzip: Es wird ein temperaturabhängiger Widerstand zur Messung benutzt, dessen Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt. Die Größe des Widerstandes liegt bei 25 Grad bei ca. 9..10kOhm.
Dieser Widerstand (R1) bildet nun mit dem Kondensator C1 eine Art Verzögerungsglied für Spannungsimpulse, wie sie der Prozessor am Ausgang Pin26 / Port 3.1 generiert. Bild 3 verdeutlicht schematisch zwei unterschiedlich Kurven d.h. zwei unterschiedliche Temperaturen. Die Zeitkonstante tau lässt sich wie folgt ermitteln:
tau=(R1+R2)*C1 [s] (siehe Ersatzschaltung Bild 2)
Damit ist klar, dass die Ladespannung des Kondensators C1 zum Zeitpunkt T1 (oder T2) einen Interrupt (Eingang 17/P1.0) im Controller auslöst. D.h. der Chip berechnet in der nun auszuführenden Routine aus der gemessenen Zeit T (tau) den entsprechenden Widerstand R1. Dieser hat eine bestimmte Kennlinie R=f (T) die ebenfalls dem Controller bekannt ist und aus der er nun die eigentlich zu messenden Temperatur ermittelt.
Auf Grund dieses Wirkprinzips lässt sich der temperaturabhängige Widerstand leicht durch einen Fotowiderstand ersetzen, die sogar eine ähnliche Charakteristiken aufweisen (Bild 4). Leider lies sich, wie schon angedeutet, das Prinzip der Differenzmesssung nicht aufrechterhalten.
Man kann jedoch die beiden Sensoren nicht 1:1 austauschen, das wäre zu einfach. Der Umfang (oder besser die Dynamik) der Widerstandänderung eines Fotowiderstandes ist bei weitem höher als bei der Temperaturmessung.
Als Beispiel
| Fotowiderstand | Thermistor | ||
|
Dunkelwiderstand |
>1MOhm | +70° | ca. 1kOhm |
| Hellwiderstand | <100Ohm | -30° | ca.100KOhm |
Damit ist klar, das man noch eine kleine Anpassung vornehmen muss, was aber mitnichten schwierig ist...
Schaltung/Anpassung
Zuerst also zur Anpassung der Kennlinie an unsere Bedürfnisse. Das heißt, man muss den Dunkel- und den Hellwiderstand (bei max. Beleuchtung) so verändern, dass Sie den in der Tabelle gezeigt Temperaturenäquivalent entsprechen. Mit anderen Worten, der Widerstand darf sich nur im Bereich 1kOhm< X<100kOhm bewegen - da ist die integrierte Software eigen - Sie würde eine Überschreitung der Werte als nicht plausibel deklarieren. Der Wert ist als nicht OK gemeldet worden.
Schaltungsmässig sieht das ganze dann so aus: Bild 5
Zur Erklärung:
Poti 1 und 2 sind einstellbare Widerstände und haben dabei folgende Funktion
Poti 1: legt weitestgehend den Hellwiderstand fest
Poti 2: legt zusammen mit Poti 1 den Dunkelwiderstand fest
Dunkelwiderstand
(R1 sehr groß -
kann gedanklich
weggelassen werden)
Wirksamer Widerstand: R Poti1 + R Poti2
Praktischer Wert für Poti 1 1kOhm / 10%
Hellwiderstand (R1 sehr klein -
gedanklich ein Kurzschluss)
Wirksamer Widerstand: R Poti1
Praktischer Wert für Poti 2 50kOhm / 10%
Ein weiterer Effekt bei der (Achtung! Fachbegriff!) Parallelschaltung von Poti2 zum Sensor ist eine leichte Linearisierung der Kennlinie des Sensors (nicht 100%!) die zwar in Bild 4 als Gerade dargestellt wurde, in Wahrheit logarithmisch verläuft.
Die eigentliche Einstellung der Potentiometer ist im Grunde unkritisch (je nach dem wie genau man es betreiben will).
So sollte man vorgehen:
bei 100% Sonne bei möglichst hohem Sonnenstand (Mittagssonne) stellt man Poti 1 so ein dass man auf der Wetteranzeige ca 60°C erhält (Nicht wundern- für die Wetterstation bleibt es natürlich eine Temperatur!)
bei Dunkelheit einen Wert mit Poti 2 einstellen der einer Temperatur von -30° entspricht
Hat man die Widerstandswerte ermittelt, kann man auch die Potis durch einen entsprechenden Festwiderstand ersetzen. Hat den Vorteil, dass diese etwas genauer sind.
Man kann natürlich auch einen Beleuchtungsmesser zu Rate ziehen und versuchen, das ganze zu Eichen, was nach meiner Meinung aber überhaupt nicht notwendig ist. Ziel ist es festzustellen, wann Sonne scheint (oder auch welche Bewölkung vorherrscht) und nicht die echte Globalstrahlung oder die Beleuchtungsstärke in Lux abzubilden (möglichst noch mit einer Genauigkeit <1% und völlig linear ;-)).
Zum Aufbau:
Die beiden Einstellwiderstände (unbedingt Spindelpotentiometer verwenden) habe ich auf einer kleiner Leiterkarte aufgelötet, den Fotowiderstand über eine kurze 2Drahtleitung angeschlossen. Der Originalsensor (d.h. dessen Zuleitungskabel) ist einfach vorsichtig abzulöten.
Achtung! Ein Eingriff in den Sensor lässt die Garantie erlöschen!!
Statt dessen lötet man die beiden mit Pfeilen versehenen Punkten nach Bild 5 an die Stellen des Temperaturfühlers. Auf eine Polung der Bauelemente braucht nicht geachtet zu werden.
Bauelemente:
| Poti1
PräzisionsSpindelPoti |
1kOhm / 10% | Conrad-Bestell Nr.
42 50 79-88 |
| Poti2
PräzisionsSpindelPoti |
50kOhm / 10% | Conrad-Bestell Nr.
42 51 25-88 |
| Fotowiderstand
TO18 Gehäuse |
A1060 *) | Conrad-Bestell Nr.
18 35 63-88 |
| Platine Lochraster | Conrad-Bestell Nr.
52 76 29-88 |
|
| Leuchtmelder | leider bei Conrad nichts passendes gefunden | |
| Gehäuse | Feuchtraumverteilerdose aus dem Baumarkt |
Achtung!
Leider kann für den angegebenen Fotowiderstand vom Autor keine Funktionsgarantie übernommen werden, da selbst keine Erfahrungen mit diesem Typ gemacht wurden.
Mechanischer Aufbau
Nicht ganz unwichtig ist der mechanische Aufbau, wie unsere Erfahrungen zeigen. Es reicht nicht, den Sensor einfach in ein durchsichtiges Behältnis zu stecken, sondern, um den Einfluss des Sonnenstandes zu verringern ist es notwendig über den Sensor noch einen Diffuser zu bauen. Wir haben damit die Erfahrung gemacht, dass ab einen Sonnenstandswinkel von ca. 20 Grad die Beleuchtungsstärke nahezu konstant verläuft. Ohne Diffusor verliefe die Beleuchtungsstärke etwa proportional dem Sonnenstand. Dieses Bild verdeutlicht den Zusammenhang.
Kurz zu dessen Erläuterung:
Dargestellt ist der gemessene Beleuchtungswert für drei Tage mit unterschiedlichen Bewölkungszuständen sowie der berechnete Grenzwert für Sonne und der berechnete Sonnenstand.
Der Grenzwert bleibt mit guter Näherung ab einem Sonnenstand von ca. 20 Grad konstant. Für Werte darunter wird der Grenzwert entsprechend des Sonnenstandes korrigiert.
Unseren Aufbau kann man hier sich anschauen!
Noch ein Wort zur blauen Kappe im Bild 4: Diese ist nicht ganz unwichtig. Nach den ersten Tests ohne diese Kappe zeigte sich, dass der Fotosensor zu empfindlich war. D.h. die Widerstandsänderung zwischen "Sonne" und "Schatten" fiel zu klein aus. Es war zu schwierig einen definierten Grenzwert dafür zu finden. Elektrisch betrachtet, haben wir den Arbeitspunkt mit der Kappe ein wenig auf der Sensorkennlinie verschoben. Damit wird es der Auswertelogik einfacher, den Unterschied zwischen Sonne und Schatten zu ermitteln. Einfach aber wirksam!!
Man könnte auch gleich die Diffusorkappe oder den Sensor mit einer geschwärzten Folie entsprechend abdunkeln, ein wenig Experimentieren hilft an dieser Stelle...
Software
Der eigentliche Sensor ist, was das Berechnen von Sonnenscheindauer und weitere Auswertung angeht, nicht gerade intelligent. Alle Funktionen zur Auswertung sind in Date2HTM unserem Programm zur Wetterhomepageerstellung realisiert. Wir lesen hierzu die CSV Exportdatei ein, die uns das Originalprogramm zur WS2000 erstellt.
Folgendes ist hierbei berücksichtigt:
Korrektur der Grenzwertes für "Sonnenschein" bis zu einer bestimmten Sonnenstandshöhe (wird in Abhängigkeit des Sonnenstandes berechnet!). Dies ist notwenig, um kurz nach Sonnenaufgang und kurz vor Untergang sicher die Sonnenscheindauer zu messen.
Berechnung der Bewölkung über den Mittelwert des Bewölkungsindex der letzten Stunde
Berechnung Sonnescheindauer für den aktuellen Tag oder über einen anderen Zeitraum möglich
Eine detaillierte Berechnungsgrundlage zum Sonnenstand und dem Korrekturfaktor erhalten Sie hier!
Erfahrungen
Erste Erfahrungswerte liegen seit Ende Juli 2001 vor, und seit der Korrektur des Grenzwertes erreichen wir Ergebnisse, die sich vergleichen lassen mit denen des Sonnenscheinautographen unseres Wetternachbarn (Gut das man vergleichen kann!!).
Wir werden die Sache weiter beobachten und weitere Ergebnisse hier veröffentlichen.
Ergänzung: Unsere Erfahrungen aus Sommer- und Winterbetrieb und eine genauere Berechnungsgrundlage für die Sonnenstandskorrektur erhalten Sie Hier!
In eigener Sache
Die Reaktionen der Wetterfrösche auf unsere Bastelanleitung ist groß. Sinn und Zweck der Seite sollte es sein, jedem der ein wenig Bastelgeschick hat, sich seinen eigenen Sensor zu bauen.
Leider ist es uns aus Zeitgründen nicht möglich, fertige Sensoren zu liefern oder entsprechend zu modifizieren.
Bitte sehen Sie deshalb von solchen Anfragen ab. Wir sind jedoch gern bereit, über diese Beschreibung hinaus weitere Unterstützung zugeben.
Copyright CaRei 01/2002 V1.1 Für die Richtigkeit der Angaben übernehmen wir keine Garantie.
