GRUNDLAGEN

Elektromagnetische Strahlung entsteht als Welle-Teilchen-Dualismus durch Umwandlung von Energie. Strahlungsquanten werden in Atomen oder Molekülen durch Zufuhr von elektrischer, thermischer oder Strahlungsenergie erzeugt, indem Elektronen aus ihrem angestammten Energieniveau in ein höheres angehoben werden. Der neue Zustand ist zumeist instabil und das Elektron fällt zurück. Es entlässt dabei überschüssige Energie als Strahlungsquanten, die sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit c ausbreiten.

Die Energie E und die Frequenz des Strahlungsquantes sind berechenbar:
E = h* m h = 6,626*10-34
h = plancksche Konstante

Ebenso die Ausbreitungsgeschwindigkeit:
L = c / m c = 3*108 ms-1
c = Lichtgeschwindigkeit

Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung erstreckt sich von Wechselstrom bis zur kosmischen Höhenstrahlung und enthält von der langwelligen Strahlung zur kurzwelligen Strahlung die Langwelle, Kurzwelle, Ultrakurzwelle, Mikrowelle, infrarotes Licht, sichtbares Licht, ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlung, Gamma-Strahlung und die Höhenstrahlung ( siehe Abbildung ).

Bestrahlungsstärke
Die Bestrahlungsstärke ist der Quotient aus der auf eine Fläche auftreffende Strahlungsleistung und dieser Fläche , sie wird in W/m² angegeben. In der Meteorologie wird die Bestrahlungsstärke auf einer horizontalen Fläche, die durch Sonne und Himmel erzeugt wird, als globale Bestrahlungsstärke bezeichnet.

Beleuchtungsstärke:
Die Beleuchtungsstärke ist das Pendant zur Bestrahlungsstärke, findet in der Lichttechnik Verwendung und wird in Lux gemessen. Lichttechnische Messtechnik wird nur für den Bereich der sichtbaren Strahlung ( 380 nm - 780 nm) eingesetzt. Sie basiert auf der physiologischen Bewertung der Strahlung durch das menschliche Auge. Der Kurvenverlauf der spektralen Wirksamkeit ist in DIN 5032 (siehe Abbildung) festgelegt. Die Umrechnung in die Bestrahlungsstärke muß relativ kompliziert mit dem Umrechnungsfaktor von 683 lm/W und der relativen spektralen Verteilung nach DIN 5032 durchgeführt werden.

Photosynthetisch aktive Strahlung
Die fotosynthetisch aktive Strahlung, zumeist als PAR (Photosynthetic Active Radiation) bezeichnet, wird in µmols-1m² als pflanzenwirksame Größe gemessen. Sie benutzt den Spektralbereich von 400 nm - 700 nm. Die spektrale Funktion hat die CIE (Commission internationale de l'eclairage) als ideale Quantumstrahlung festgelegt (siehe Abbildung). Die Umrechnung bezieht sich auf die Avogadro'sche Zahl (6.0022*1023 Photonen) indem 1 mole = 1 einstein = 6.002*1023 Photonen sind, und ist ebenso kompliziert mit der spektralen Charakteristik zu vollziehen.

Neben den schon aufgeführten Funktionen für die Augenempfindlichkeit und PAR gibt es weitere Wirkfunktionen, von denen einige recht bedeutend sind.

Auflistung: Karzinom, Vitamin-D-Bildung, Caldwell, Erythem, Hautpigmentierung, PAR, Chlorophyll, u.v.m.

Die Vielzahl der Wirkungsfunktionen soll hier nur angedeutet werden.

Erythemfunktion
Zu den am häufigsten erforschten und in internationalen Konferenzen beurteilten Funktionen gehören verständlicherweise die Funktionen, die für den Menschen Gefahr bei zu hoher Dosierung bedeuten.

Da mehrere Funktionen sich ungünstig auf die menschliche Haut auswirken, wurden diese unter einer einzigen zusammengefasst, von der CIE empfohlen und in der DIN5050 publiziert (siehe Abbildung).

Absorptionsspektrum des Chlorophyll
Im Laufe der internationalen Forschungsarbeiten konnten die tatsächlichen Spektralbereiche ermittelt werden, die von den Pflanzen zur Umwandlung von Energie benötigt werden. Immer mehr drängen Pflanzenforscher auf Sensoren, deren Spektralcharakteristik denen des Pflanzenverbrauches entsprechen (siehe Abbildung).

Wirkungspektrum nach Caldwell
Dieser Spektralbereich ist ein Bereich aus dem ultravioletten Licht, der sich ungünstig auf das Pflanzenwachstum auswirkt.
Alle nicht näher diskutierten Wirkungsfunktionen haben keine internationalen Festlegungen und werden über ihre Spektralverteilung als Bestrahlungsstärke in W/m² gemessen. Entsprechend gibt es keine festgelegten Normen und die sogenannten Urmeter fehlen in der Forschungslandschaft auch in Ermangelung der sehr schwer durch spektrale Empfindlichkeit und Filtersysteme anzupassenden integral messenden Sensoren. Für Dauermessungen sind spektral auflösende Messinstrumente aufgrund ihres hohen technischen Aufwandes zurzeit noch nicht oft durchsetzbar.

Spektrale Verteilung
Die spektrale Empfindlichkeit eines Sensors sollte dem Messzweck entsprechen und angepasst sein, wie von oben z.B. ersichtlich für die Lichttechnik. Dabei heißt - je genauer die Anpassung umso vergleichbarer sind die Messwerte vor unterschiedlichen Strahlungsquellen. Die integralen Fehlergrenzen f1 sind in DIN 5032 angegeben ( Güteklasse L=1,5%; A=3%; B=6%; C=9%).

In der Natur wirkt Strahlung immer auf ebene Flächen, entsprechend sollte die Empfangscharakteristik eines Strahlungsmessempfängers der einer Ebene entsprechen und die Winkel-abhängigkeit des Empfangssignales eine Cos-Funktion haben. Da der fotoelektrische Wandler häufig im Verborgenen geschützt gegen Umwelteinflüsse in einem Gehäuse untergebracht ist, müssen Vorrichtungen die Originalcharakteristik wieder herstellen.

Die älteste und bisher exakteste Methode wurde mit der so genannten ulbrichtschen Kugel erreicht. Sie besteht als Hohlkugel, deren Innenwand gut reflektiert. Ein kleines Lichteintrittsloch dient als Empfängerfläche. Im Inneren streut das Licht fast unendlich und wird an einem Lichtaustrittsloch gemessen. Verfeinert wurde dieses Prinzip durch Lage'.

Neue Materialien z.B. PTFE haben heute gute Streueigenschaften und mit einer geeigneten empirisch ermittelten Form lassen sich extrem gute Cosinuscharakteristiken erreichen. Getestet wird sie, indem der Messempfänger vor einer 4 m entfernten Punktlichtquelle gedreht wird.

Die integrale Soll-Abweichung f2 des Messsignales von der Cosinusfunktion ist ebenfalls in der DIN5032 festgelegt (Güteklasse L=1,5%; A=1,5%; B=3%; C=6%).

Unter den weiteren Fehlern sind, die Linearität, die Ermüdung, der Temperaturkoeffizient, Abgleichfehler und die Unsicherheit der beim Kalibrieren verwendeten Normale eingeschlossen. Im Einzelnen sind sie ebenfalls in der DIN5032 aufgelistet. Alle Fehler sind zu einem Gesamtfehler zusammengerechnet ( Güteklasse L=3%; A=5%; B=10%; C=20%).

Bei Pyranometern zur Messung der Sonnen- und Himmelsstrahlung sind Kategorien in der international anerkannten ISO9060 aufgeschlüsselt. Die hier vorrangigen Fehler sind, die Anstiegszeit des Messwertes bis zum Messzeitpunkt ( secondary standard < 15s; first class < 30s; second class < 60), der Nulloffset (7W/m²; 15W/m²;30W/m²), die prozentuale Jahresschwankung des Messsignales (0,8%; 1,5%; 3%), die Nichtlinearität (0,5%; 1%; 3%), die Winkelabweichung bei direkt eingestrahltem Licht von 1000W/m² (10W/m²; 20W/m²; 30W/m²), der integrale Spektralbereich von 350 nm bis 1,5 µm (2%; 5%; 10%), und der Temperaturfehler (2%; 4%; 8%).

Die Kalibrierung von Messempfängern ist relativ kompliziert und langwierig wenn kein Normal, in allen Einzelheiten absolut gleicher Bauart, zur Verfügung steht. Im Fall des Vorhandenseins reicht eine Lichtquelle die im Spektralbereich des Sensors leuchtet und eine feste Position, an der Normal und zu kalibrierender Empfänger nur ausgetauscht werden. Ebenso einfach ist die Bestimmung des Linearitätsfehlers. Der Abstand der festen Position zur Lichtquelle wird verändert .

Ist kein Normal absolut gleicher Bauart vorhanden, so haben Strahlungslabore Standardnormale (kalibriert vom Physikalisch Technischen Bundesamt oder dem Deutschen Kalibrierdienst) und Monochromatoren zur spektralen Aufspreizung von Licht zur Verfügung.

Die absolute Empfindlichkeit ermittelt man, nachdem die relative spektrale Empfindlichkeit ermittelt wurde. Wenn während bei der Ermittlung der relativen spektralen Empfindlichkeit Gehäuseteile noch keine besondere Rolle spielen, muss hier jeder Streueffekt des kompletten Sensors mit berücksichtigt werden.

Man benötigt eine starke Strahlungsquelle, deren Spektralbereich weit über den Bereich der relativen spektralen Empfindlichkeit des Sensors hinausgeht - einen Linienfilter, dessen Durchlässigkeit nur einen kleinen Ausschnitt aus der rel. spektr. Empf. des Sensors beträgt, und die schon verwendete Eichfotodiode mit exakter Cos-Charakteristik.

Relative Empfindlichkeit

Die Relative Empfindlichkeit eines Sensors wird ermittelt, indem dieser Sensor in der Dunkelkammer eines Monochromatormessplatzes mit dem Normal Nanometer für Nanometer verglichen wird. Der Empfindlichkeitsbereich des Normales muß dabei einen größeren Bereich überstreichen, als der zu vergleichende Sensor (siehe Abbildung). Höchste Genauigkeit erreicht man, wenn die Bandbreite des Messlichtes bei < 1nm liegt und störendes Streulicht z.B. durch einen zweiten Monochromator weit möglichst eliminiert wird.

Eichfotodiode

Die von uns verwendete Eichfotodiode hat ein großflächiges Empfängerchip dessen Gehäuse so aufgebaut ist, dass dessen ideale Richtcharakteristik, da sie eine Fläche ist, nicht verändert ist. Der vorliegende Hintergrund ist die Ermittlung einer Position an der eine absolut exakte Bestrahlungsstärke vorherrscht, die innerhalb der Empfindlichkeit des zu kalibrierenden Sensors liegt. Auf dieser Position kann geeicht werden.