Noch ein Sonnensensor!

Entwicklung und Bau von Hardware aller Art, die im HM-Umfeld eingesetzt werden kann

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Matsch
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Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von Matsch » 09.02.2021, 11:16

Schon wieder ein Sonnensensor?
Ja und nein. Da müßte man zunächst mal klären, was ein "Sonnensensor" denn eigentlich detektieren und bewirken soll, denn da wird durchaus verschiedenes verstanden.

Wer eine Beschattung realisieren will, den interessiert allein die Helligkeit, denn die ist im Winter u.U. genauso störend wie im Sommer, also wenig abhängig von den Jahreszeiten und Temperaturen. Da gibt es einige Projekte, z.B. unter Verwendung des HmIP-SLO.
Fast alle solche Helligkeitssensoren haben 2 Nachteile:

- der eigentliche Sensor ist ein flächiges Element, das nur bei Bestrahlung im rechten Winkel den exakten Wert liefert und bei abweichendem Winkel einen immer stärker verfälschten, reduzierten Wert.

- die angebotenen Geräte (insbesondere der SLO) sind eigentlich zum Erfassen von allgemeiner Umgebungshelligkeit gedacht und nicht für direkte Sonnenbestrahlung. Ihr Wertebereich ist dafür zu gering (Begrenzung) und das Gehäuse sorgt schnell für unerwünschte Abschattungen.

Wer einen Wärmeschutz realisieren möchte, dem nützt die Helligkeit nur wenig, sie sagt nichts darüber aus, wie hoch die von der Sonne eingestrahlte Wärmeenergie ist - und die wiederum ist stark jahreszeitenabhängig. Wir wissen, das liegt am maximalen Sonnenhöhenwinkel.

Ich tüftele seit einiger Zeit an einem Projekt, dass alle genannten Nachteile ausschließt und zudem sowohl Helligkeit wie auch Wärmeleistung erfaßt.


1. Die Helligkeitsmessung

Erste Überlegungen waren, einen Lichtsensor-IC (MAX44009) per Servos in 2 Achsen immer der Sonnenposition nachzuführen, so dass der Einfallswinkel immer bei nahezu 90° liegt. Zunächst eine faszinierende Idee, zumal die Ansteuerung eines Servos sehr einfach realisierbar ist. Dazu müßte aber die CCU permanent die Sonnenpositionsdaten an den Sensor übertragen. Zudem hätte eine solche Konstruktion bei Batteriebetrieb einen erhöhten Energiebedarf (wenngleich der nach Überschlagsrechnungen gar nicht so schlimm ist, wie es auf den ersten Blick erscheint, da die Servos ja immer nur für wenige 100 ms Strom benötigen).

Ich wollte aber möglichst einen Sensor haben, der unabhängig von der CCU eine vom Einfallswinkel entkoppelte Helligkeitserfassung umsetzt. So reifte die Idee, statt eines einzelnen Sensor-ICs 6 Stück zu verwenden, die sowohl horizontal wie auch vertikal im Winkel von 60° zueinander angeordnet sind. Damit entfallen auch bewegte mechanische Komponenten.

Warum gerade 60°? Schaut man sich die Empfindlichkeitskurve des MAX44009 an:

Empfindlichkeitskurve.jpg
Diagramm Sensorkennlinie (etwas idealisiert als Sinuskurve)

so würden sich die Kurven zweier benachbarter Sensoren in der Mitte, also bei 30° schneiden. Bei 30° würden wir eine um knapp 20% zu geringe Helligkeit gemeldet bekommen.
Die Grundidee beruht nun darauf, aus dem Werteverhältnis der beiden benachbarten Sensoren über die Empfindlichkeitskurve den Winkel zu bestimmen, um den die Sonne von den idealen Winkeln abweicht. Aus diesem Winkel und den Kurven wiederum kann man herauslesen, um welchen Faktor der Meßwert zu gering ist und diesen um diesen Faktor rechnerisch korrigieren. Da die maximale Korrektur hier 20% nicht überschreiten muß, ist hier kein bedeutender Fehler zu erwarten.

Nun muß man ähnliches auch für die Elevation tun. Die maximale Sonnenhöhe in unseren Breiten liegt rd. zwischen 16 und 65°. Damit ergibt sich, dass dazu 2 Sensoren ausreichen, da die Differenz die 60° nicht überschreiten.

Aus den 60° zwischen den Sensoren ergibt sich, dass 5 Sensoren in der horizontalen Ebene angeordnet werden müssen (was den Gesamtwinkel von 60...300° ergibt) und einem weiteren Sensor, der im Süden vertikal zusätzlich angeordnet wird, um auch den maximalen Sonnenstand sowie die Erfassung dessen Wertes umzusetzen. Die horizontalen Sensoren sind dabei alle um 15° nach oben geneigt. In nördlichen Regionen sind die maximalen Elevationen etwas niedriger, hier könnte man auch 10° verwenden. Die Neigung wird als Parameter in den internen Berechnungen berücksichtigt.

Die maximale Sonnenhöhe ändert sich ja von Tag zu Tag nur gering. So reicht es aus, einmal am Tag im Süden den höchsten Winkel zu erfassen und diesen dann am nächsten Tag als Rechengröße einzusetzen. Aus der maximalen Sonnenhöhe, dem Breitengrad und dem theoretischen Sonnenverlauf kann ich nun für jeden anderen horizontal angeordneten Sensor die dortige tatsächliche Elevation berechnen und bezüglich des mechanisch vorhandenen Sensorwinkels dessen Werte wie oben beschrieben korrigieren.

20210209_101622_bearb.jpg

Auf dem Bild ist der erste Versuchsaufbau zu sehen - und gleich der erste Layoutfehler. Eigentlich sollten die Kabelstecker der Sensoren auf der Oberseite der LP sitzen und dort angesteckt werden. Also mußte ich hier die Kabel bis unter die LP ziehen.

Meine ersten Erfahrungen mit dem Versuchsaufbau ergaben eine überraschend gute Genauigkeit der Azimutsberechnung aus den Sensordifferenzwerten. Sie lagen bisher nicht über 7° Fehler, oft sogar bei 1...5°, das war überraschend (auch angesichts der unvermeidlichen handwerklichen Fertigungstoleranzen im mechanischen Aufbau).
Aber - eben nur bei Sonnenschein! Bei diffusem Licht, also bewölktem Himmel oder trübem Wetter funktioniert das nicht, denn dann unterscheiden sich die Helligkeitswerte unter den Sensoren nicht genug, zu wenig für eine treffsichere Berechnung.
Also mußten noch Algorithmen implementiert werden, die solche Situationen erkennen, damit es nicht zu falschen Schlussfolgerungen kommt.


2. Die Erfassung der Sonnen-Wärmeleistung

Hier greife ich auf eine etwas abgewandelte Konstruktion eines Differenztemperatur-Pyranometers zurück, wie es eQ-3 in seiner Bauanleitung zum HM-WDS30-OT2-SM beschreibt. Zwei Aluminium-Rundkörper, einer schwarz, der andere weiß, sind unter thermischer Trennung nahe beieinander angeordnet und gegen Verfälschung durch Wind und Wetter über ein transparentes Polycarbonatrohr geschützt. Die Anordnung sitzt außen am Gehäuse des Sensors. Die Sonne sollte möglichst im rechten Winkel darauf fallen, deshalb habe ich die Anordnung geneigt angeordnet, so daß zur Tag- und Nachtgleiche der Einfallswinkel nahezu senkrecht zum Rohr ist (ca. 42° aus der Senkrechten geneigt).

Hier die Teile vor dem Zusammenbau:
20210206_135719_bearb.jpg
und hier das fertig montierte Pyranometer:
20210209_100814_bearb.jpg

Das ist natürlich kein Präzisionsmeßgerät, aber das braucht der Homematic-Anwender ohnehin nicht, denn er wird i.d.R. seine Entscheidungswerte anhand von erlebten Werten festlegen. Zwar gebe ich die Meßwerte in W/qm aus, das ist aber doch mehr ein ungefährer quantitativer Wert als ein qualitativer. Nach meinen ersten Versuchen im Hochsommer entstehen in der Mittagssonne hier Temperaturunterschiede zwischen den beiden Thermistoren von bis zu 7 °C!


3. Technische Umsetzung

Ausgangspunkt für die Umsetzung war das Projekt HB-UNI-Sensor1 von TomMajor und papa. Dank deren toller Vorarbeiten habe ich es trotz nicht so perfekter Kenntnisse geschafft, eine eigene Hardware und Firmware daraus zu entwickeln. Ich habe einen auf die Aufgabe angepaßten Stromlaufplan und PCBs erstellt. Es zeichnet sich ab, dass trotz der 6 MAX44009 und 3 bidirektionalen Treiber der Ruhestrom bei etwa 10...12 µA liegt. Damit bin ich sehr zufrieden. Ich hätte auch die Bestromung der o.g. Bauteile schaltbar machen können, müßte dann aber bei jeder Messung die MAX44009 erneut initialisieren. Das war es mir nicht wert und mit den 12 µA kann ich auch im Batteriebetrieb recht gut leben (rd. 0,1 Ah pro Jahr).
Die 2 LPs für Sensoren und für die Elektronik befinden sich in einem IP65-Gehäuse, über der Sensorengruppe ist ein glasklarer Kameradom wasserdicht aufgeklebt.

Hier erste Bilder von den Leiterplatten und dem Aufbau:
20210123_161350_bearb.jpg
20210209_102558_bearb.jpg
20210123_155808_bearb.jpg

Soweit eine erste Vorstellung des Projektes. Es wird sich erst in den folgenden Monaten zeigen, ob die Idee wirklich das hält, was ich mir von ihr erwarte. Zumindest die ersten Meßergebnisse stimmen ermutigend.

Ich werde zu gegebener Zeit berichten.

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Re: Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von werner2000x » 09.02.2021, 16:51

Warum kann man nicht einfach eine Solarzelle (3€) verwenden um die Solarenergie zu messen statt eines (teuren) Pyranometer?

https://www.amazon.de/Fenteer-Solarpane ... 96&sr=8-33
Dateianhänge
AC_SL1024_.jpg

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Re: Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von chianti2000 » 09.02.2021, 17:35

Der Dom gefällt mir. Wo gibts sowas zu kaufen ?
VG Gerd

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Re: Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von Matsch » 09.02.2021, 17:53

werner2000x hat geschrieben:
09.02.2021, 16:51
Warum kann man nicht einfach eine Solarzelle (3€) verwenden um die Solarenergie zu messen statt eines (teuren) Pyranometer?
1. Weil auch das eine Fläche ist und damit stark abhängig vom Einfallswinkel
2. Wie sollte man denn die Leistung der Zelle messen? Im Kurzschlußbetrieb? Dass dafür die Zellenspannung nicht geeignet ist, ist sicher klar?

Zudem ist mir nicht bekannt, ob die Leistung so einer Fotozelle tatsächlich linear zur Sonnenenergie ist. Wohl eher nicht.
Auch möchte ich das Rad nicht neu erfinden und die Differenztemperaturmessung an weißer/schwarzer Fläche ist eine anerkannte Methode.
Zuletzt geändert von Matsch am 09.02.2021, 21:13, insgesamt 2-mal geändert.

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Re: Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von Matsch » 09.02.2021, 17:55

chianti2000 hat geschrieben:
09.02.2021, 17:35
Der Dom gefällt mir. Wo gibts sowas zu kaufen ?
Den habe ich mal aus GB bei ebay gekauft. War aber, wenn ich mich recht entsinne, sehr teuer (16 € ?).

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Re: Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von Akwak » 10.02.2021, 09:15

chianti2000 hat geschrieben:
09.02.2021, 17:35
Der Dom gefällt mir. Wo gibts sowas zu kaufen ?
Beim Chinamann der Wahl nach „ CCTV replacement Acryl clear cover“ suchen 😉

Alternativ gibt bei den 4 Buchstaben Läden Desserts in kleinen Gläsern. So eines hab ich bei meinem verwendet.

Gruss
Afred

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Re: Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von Theees » 10.02.2021, 10:06

Wie groß ist denn der Ausschnitt im Deckel?
Evtl passt sowas: https://www.gluecksfieber.de/glaskuppel ... nt?c=15504

Ich habe an sowas überlegt würde diese aber grossflächig verkleben/vergießen. (VT3402 KK-NV z. B. aber auch nur weil ich da über meine alte Firma dran komme)

Gruß!

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Re: Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von Matsch » 10.02.2021, 10:38

Akwak hat geschrieben:
10.02.2021, 09:15
Alternativ gibt bei den 4 Buchstaben Läden Desserts in kleinen Gläsern. So eines hab ich bei meinem verwendet.
Bei einem Helligkeitssensor? Hier braucht man schon ein homogen gewölbtes, gleichmäßig dickes Material, weil alles andere optische Verwerfungen und inhomogene Lichtverteilung an den Sensoren ergibt. Damit wäre das Grundprinzip der Bestimmung von Winkeln aus den Helligkeitsdifferenzen gar nicht möglich.

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Re: Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von HMSteve » 10.02.2021, 21:44

Matsch hat geschrieben:
10.02.2021, 10:38
Hier braucht man schon ein homogen gewölbtes, gleichmäßig dickes Material, weil alles andere optische Verwerfungen und inhomogene Lichtverteilung an den Sensoren ergibt.
Ja. Habe auch schon probiert, eine Quarzglas-Uhrglasschale als UV-Sensor-Abdeckung zu nutzen, weil kein preislich vertretbares UV-durchlaessiges gewoelbtes optisches Glas zu finden war. Aus genanntem Grund voellig untauglich. Bin schweren Herzens auf eine plane JGS1-Scheibe gewechselt und nehme die unguenstige, aber weil nur reflexionsbedingt zumindest gutartige Verzerrung in Kauf. Die zeigt sich trotz Teflon-Diffusor vor dem VEML6075 bei tiefem Sonnenstand deutlich. Das taugt fuer den hier beschriebenen Sensor natuerlich nicht.
Acryl duerfte im Sonnenlicht jedoch zu rasch altern. Aber optische Borosilikat-Dome hab ich, glaube ich, schon gesehen, wuerde ja fuer Helligkeitssensoren reichen.

Viele Gruesse,
Stephan

Matsch
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Re: Noch ein Sonnensensor!

Beitrag von Matsch » 10.02.2021, 22:18

HMSteve hat geschrieben:
10.02.2021, 21:44
Acryl duerfte im Sonnenlicht jedoch zu rasch altern. Aber optische Borosilikat-Dome hab ich, glaube ich, schon gesehen, wuerde ja fuer Helligkeitssensoren reichen.
Die Gefahr sehe ich natürlich auch. Solltest du - oder irgendjemand anderes - auf ein stabileres Produkt stoßen, bitte gerne.
Ich habe erstmal die größten Bemühungen in die Algorithmen gelegt.
Das Alterungsproblem hat ja auch die Pyranometeranordnung .... Vielleicht finde ich da auch noch ein geeignetes Glasrohr (vielleicht einfacher als einen Dom). Momentan geht es mir vor allem darum zu überprüfen, ob die Grundidee trägt.

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