Meteo-Systeem, Licht-Sensoren

Licht is een belangrijk onderdeel van het weer voor welbevinden van mens en dier en voor de planten om ons heen:
wat wij met het oog zien is slechts een deel van wat Licht spectraal omvat.
De opvang door mens, dier en plant is verschillend en met verschillende uitwerking.

De component UV vraagt speciaal aandacht vanwege mogelijk 'slechte' aspecten voor de mens van Zonkracht.

PV-systemen gaan weer anders met het licht om dan mensen, dieren en planten.
PV-panelen hebben (bijv.) een spectrale respons zoals hiernaast aangegeven:
Het element-materiaal bepaalt daarbij waar de piekrespons ligt.
Bij een PV-systeem is extra complicatie dat o.a. door de regelfuncties van de MPPTs van het PV-systeem de signaalrapportages van de meeste PV-systemen niet representatief zijn voor de 'echte' Licht-/IR-waarden:
een PV-systeem is geen lichtmeetsysteem voor meteo!
Omgekeerd kunnen op meteo-manier gemeten Zonkracht-waarden wel redelijk dienen voor schatting van de potentiële PV-Productie:
Meten = Weten
Een bruikbaar overzicht van lokale meteo-info vraagt daarom ook lokaal Goed gemeten waarden van Zichtbaar Licht, UV en IR.

Op deze locatie missen totnutoe daarvoor zowel de PWSen als het PV-systeem de benodigde sensoren.
Behalve dat gevalideerde sensoren ontbreken, is ook daarnaast plaatsing nog een probleem door allerlei obstakels die schaduwgeven afhankelijk van tijd en seizoen.
De consequentie is dat voor een redelijke dekking een netwerk van verspreide sensoren moet worden geplaatst met bijbehorende software die de meetwaarden oppakt en combineert:
data-bewerking algemeen door uit genormeerde metingen in diverse richtingen het plausibele maximum te bepalen.
Sommige PWSen (zoals van het merk Davis) hebben de optie van geïntegreerde, nauwkeurige Licht&UV-sensoren, maar veel andere PWSen missen Kant-en-klare lichtsensoren ter aanvulling van de meteo- of domotica-segmenten, dus daarvoor is DHZ-ontwikkeling en -uitvoering vereist.
Behalve elektronica en software ook voor de behuizingen.
Al experimenterend is een bepaalde opbouw tot stand gekomen met meervoudige sensoren verspreid over de locatie:
per 30 november 2020 ook een kant-en-klare set in de vorm van een Tempest_PWS.
De actuele status van de experimenten & invoering wordt beschreven op deze webpagina.
De beschrijving op deze pagina legt uit hoe een en ander samenhangt:

Bepaling van Lichtniveau's kan op vele manieren.

1. Door Berekening maakt de Domotica-computer nu via modellen voor lichtwaarden als basis een schatting met gebruik van nominale informatie en van gemeten meteo-info, i.c.m. actuele wolkendek-informatie van de nabijgelegen vliegbasis Twenthe:
   dat geeft een hybride, vooral rekenkundige benadering.
   Voor UV-info wordt daaruit een ruw, algemeen benaderde waarde afgeleid.
   Als 2e Referentie wordt gebruik gemaakt van Model-informatie uit DarkSky en uit OpenUV.
2. Voor Quasi-Lichtmeting zit een hulp-functie van de WsWin-software in de PWS-en,
   die vanuit schijnbare temperatuur-meetwaarden een omrekening doet naar quasi-meetwaarden voor zonnestraling:
   'vertaling' van meetwaarden als benadering.
3. Echte Meting is altijd beter, in ieder geval actueler en incl. dynamische verwerking van meer lokale omstandigheden
   Tempest_PWS brengt waarden in, die fabrieksmatig zijn afgeregeld.
   Door zelfbouw zijn de PWSen en het Domotica-segment in de loop van de tijd uitgebreid met een aantal sensoren voor meting van licht.
   De uploads vanuit het Domotica-Systeem zijn hoogfrequenter dan die uit de PWS-servers met WsWin-software.
   Daarom primair toepassing van Domoticz-info, met de Berekeningen plus Quasi-Lichtmetingen in WsWin als backup/support/referentie.

In deze configuratie zijn dit de ingangen voor meetwaarden:

• Quasi-meting door omgebouwde T/H-meters
• Meting door 'echte' licht-sensoren

Lichtmeting met omgebouwde T/H-meters

• voor fotodiodes is een omwonden bekleding in de vorm van zwart of blauw isolatieband effectief en redelijk handig, maar door de vorm is dit niet geschikt voor de LDRs
• voor een LDR werkt afdekken in de vorm van een deodorantrollerkap:
  
  • roze geeft (te) weinig demping
  • donkerblauw geeft zodanige demping dat lichtniveau-verschillen redelijk zichtbaar worden
• als externe bescherming van dit geheel dient een 'kogellamphouder'

Als software-naregelen heeft de software WsWin een instelfunctie waarbij de 'schijnbare' temperatuur van de T/H-sensor wordt ingeschaald tussen een max. en een min. meetwaarde als een solar-waarde, uitgedrukt als temperatuur of als percentage.
Intern in WsWin kun je de vergelijkbare zonkracht uitlezen als W/m²: jammer genoeg nergens in een tabel of grafiek.

Achtergrond-info
WsWin (evenals de vergelijkbare software Weatherdisplay) kent ook een alternatieve functie waarbij zonkracht indirect kan worden bepaald door vergelijking van een 'openlucht' thermometer en een nabijgeplaatste, identieke thermometer opgesloten in een omgekeerde glazen pot: zgn. 'solar_jar'-meting.
Zonnestraling zal (zeker als de bodem of meer van de pot is zwartgeverfd) de temperatuur in de glazen pot opjagen t.o.v. de 'openlucht' thermometer.
Het temperatuurverschil tussen de 2 thermometers is een maat voor de zonkracht.
T.o.v. de LDRs is deze 'solar_jar'-meting trager cq. nog onnauwkeuriger, omdat de opwarming cq afkoeling van de lucht in de glazen pot sterk naijlt.
Omdat bij dit quasi-meetconcept een zinvolle calibratie toch onmogelijk is, is na de reparatie dd 2020 bij de omgebouwde Nexus T&H-meter experimenteel gebruik gemaakt van deze 'solar_jar'-opzet:
- samengebouwd in een glazen lampenbol ~ Solar_Jar, maar lichtdoorlatend
- 1*LDR reageert snel op het lichtniveau = lichtniveau
- 1*NTC reageert op opwarming in de bol door de zon = zonkracht&zonduur
=> de combinatie is een aanduiding voor totale lichtsterkte & lichtduur

De TFA_Nexus-configuratie heeft deze opzet ook onbeschreven ingebouwd in de sensorenset:
- de Windmeter heeft een thermosensor blootgesteld aan het zonlicht, en deze temperatuurmeting volgt redelijk snel opwarming door zonlicht
[en lijkt daarmee een 'slechte' thermometer]
- de data uit deze sensor voor Wind-temperatuur kan worden vergeleken met de basis-thermometer
door bijv. in WsWin bij 'Solar' de DiffTemp-functie te kiezen, waarna automatisch het sommetje voor 'SolarJar' wordt gemaakt.
Voor oplijning is ook hier inschalen nodig zoals voor de eerdergenoemde omgebouwde thermometers wordt beschreven.

1. Tempest lichtmeter - Referentie_sensor ?? voor visueel licht en UV
   Het Tempest_PWS heeft bovenop de kop lichtsensoren voor meting van Licht & UV.
   Nog nader te bepalen welke spectrumbedekking daarmee wordt bereikt, want weinig gedocumenteerd: op zich aan te nemen dat dit beste sensor in de configuratie is, want vóór aflevering fabrieksmatig afgeregeld tegen referenties.
   Voorlopig daarom deze sensor de beste lokale vergelijkingsreferentie voor de andere sensoren:
   specificaties nodig voor validatie als 'echte' referentie.
2. 'WS7000P_19' lichtmeter - Primaire sensor voor visueel licht
   Het WS7000-PWS (meer specifiek het WS2500-PWS) kent een lichtmeter WS7000-19 voor zichtbaar licht.
   Die originele WS7000-19 is echter niet meer leverbaar.
   In de 'WS7000-vervanger' zit een compatibel segment voor lichtmeting, aka WS7000P_19.
   Dat licht-segment gebruikt een MAX44009-sensor die lichtniveau's tot 188kLux kan volgen met 22bit-resolutie, in combinatie met een IR-component:
   goed gedocumenteerd.
   Opstelling van deze sensor met een paar bewuste keuzes:
   • de externe behuizing voor de sensor is zo helder & transparant mogelijk gemaakt voor uitbuiten van zowel min. als max. meetbereik.
   • Geïnstalleerd hoog op een locatie achter in de tuin met redelijk vrij zicht naar oost, zuid en zenith.
   • de MAX44009-sensor eerst onder 45 graden elevatie ongeveer naar zuid gericht voor hoofdmeetrichting naar de middagzon:
     door de interne glazen huls echter teveel reflecties, en door positie dichtbij bomen snel/vroeg schaduw.
   • de MAX44009-sensor nu zonder glazen huls vertikaal kijkend voor minste last van omringende objecten:
     de nieuwe positie is zover mogelijk verwijderd van de westelijke bomen.
   Deze WS7000P_19 heeft hoogste niveau & beste resolutie van alle lichtmeters op deze locatie:
   daarom referentie en primaire/1e-lijn sensor voor zichtbaar licht-meetwaarden.
   De WS7000-13 PC-Interfaces lezen helaas niet het communicatie-protocol van de WS7000P_19
   [de oude PC_interface variant ELV2500PC kan dat wel (samen met alle sensoren die WS7000-13 kan lezen, dus misschien ELV2500PC nog te bemachtigen ten dienste van WsWin!)]
   Domoticz kan met het RFLinkGateway processor&communicatie-systeem wel direct alles meelezen.

3. UVN800 - Primaire sensor voor UV
   De UVN800 van Oregon Scientific is een kant&klaar product bedoeld voor meteo-functies, direct compatible met Domoticz en dus heel eenvoudig op die manier toe te passen voor bepaling van UVI.
   De sensor is zenith-scanning = vertikaal-kijkend.
   Geen beschrijving beschikbaar welke UV-component wordt gemeten en via welke methode, maar
   in principe de beste & primaire/1e-lijn UV-sensor van deze configuratie.
   Het exemplaar in onze configuratie heeft in de praktijk (door leeftijd?) echter een aantal onvoorspelbare manco's:
   daarom is ondersteuning door andere UV-sensors nodig met crosscheck van tendenzen en meetwaarden.
   Dat is de reden van toevoegen in de configuratie van een aantal extra UV-sensoren:
   beschrijving in de navolgende paragraven.
4. 2*BH1750+1*LDR - Hulpsensor voor visueel licht
   Op de zolder achter het raam met zuidelijk uitzicht op de tuin staat de initiële DHZ-test-opstelling met lichtmeting met 2* sensor BH1750 die zijn opgesteld met een zijdelingse offset van + 30 graden resp. -30 graden t.o.v. de zuidelijke kijkrichting.
   In principe daarmee een zijdelings bereik van bijna 180 graden, maar door de opstelling binnenshuis echter weer beperkt zichtveld naar buiten.
   De LDR op het ESP8266-PCB meet het omgevingslicht achter de opstelling als maat voor ongericht lichtniveau.
   Alle 3 sensoren geven numerieke waarden.
   De sensor BH1750 kan met een 16bits-ADC lichtwaarden meten tot ca. 65kLux:
   deze max. lichtwaarde blijkt te laag om zonder demping de hoogste praktische zonlichtwaarden te kunnen verwerken.
   De LDR dient als 2e licht-sensor, echter met nog beperkter meetbereik [ADC met 10bits => 1024 schaaldelen].
   Doel van deze opstelling is/was ervaring verzamelen door experimenteren, en daarna dienen als 'gapfiller'.
5. 1*BH1750+2*TSL2561+1*ML8511 - Secondaire sensor voor visueel licht, IR en UV
   Buiten geplaatst in een DHZ-sensorkop is dit de vervolg-configuratie met 4 sensoren waarvan 1 voor lichtmeting, 2 voor licht&IR-meting en 1 voor UV-meting, die allemaal numeriek waarden leveren.
   
   • Als zenith-scanner & referentie bovenop de sensorkop 1*BH1750 onder een transparant koepeltje in de kop van de behuizing.
     Deze sensor heeft nagenoeg onbeperkte belichting over de dag, in dat opzicht vergelijkbaar met de WS7000P-19
     Door de plaatsing in de dome, wordt door de demping van de dome het lichtniveau op de sensor lager.
     Gevolg: tussen werkelijk lichtniveau en gemeten lichtniveau is een schaalfactor van toepassing.
     => het praktische meetbereik reikt hoger dan de 65kLux-grenswaarde genoemd voor de eerdergenoemde 'kale' sensor BH1750.
     Om van die 'ruimte' gebruik te maken vraagt calibratie (~ bepalen van de schaalfactor) en daarna correctie in de software.
     Praktijk-ervaring met deze opstelling:
     prima opstelling voor zenith-meting, maar lekkage/condensatie op de PCB aan de onderkant in de dome is ongezond voor de electronica
     [dus helaas na verloop van tijd buiten bedrijf; midden 2023 vervangen door eenzelfde sensor, en de dome-randen beter afgedicht]
     
   • Voor gerichte licht- & IR-meting is onderin de sensorkop 2*TSL2561 opgesteld met een zijdelingse offset van + 30 graden resp. -30 graden t.o.v. de zuidelijke kijkrichting, met elevatie is ca. 30 graden t.o.v. horizon.
     Ter bescherming tegen de elementen staan in versie1 deze 3 sensoren opgesteld in 2 montagemodules achter een plastiek folie-venster en achter een plastiek gazen buitenvenster.
     De 2 sensoren type TSL2561 kunnen met een 16bits-ADC lichtwaarden meten tot ca. 100kLux:
     ook uitgifte/berekening van IR-waarden en Breedband-waarden.
     Door de demping van de vensters resulteert dat ook hier in een praktisch hoger meetbereik,
     met bijbehorende schaalfactor na calibratie-testen.
     De lichtdata van de 2 TSL2561-sensoren wordt met de lichtdata van de BH1750-zenithscanner opgelijnd,
     want ze kijken immers vanaf dezelfde locatie alle 3 naar hetzelfde licht.
   • Voor UV-meting kijkt parallel aan de 2*TSL2561 nog 1* sensor type ML8511.
     De ML8511 geeft een analoge spanning af evenredig met het niveau van UV-A & UV-B, volgens grafiek
     Deze sensor staat in een module achter een gaaslaag als directe sensor-afscherming en achter een buitenvenster:
     de 10bits-ADC van de ESP8266 in de sensorkop vangt het signaal van de ML8511 op.
     Door de demping van de vensters is ook hier een schaalfactor van toepassing tussen werkelijk UV-niveau en gemeten UV-niveau.
     De data uit de ML8511 wordt zo mogelijk opgelijnd met UV-data van KNMI/RIVM of een lokale, vergelijkbare, professionele databron.
   • Medio 2023 zijn de gaas- en plastiek-vensters door de zon verteerd, en in versie2 vervangen door een 'uitbouw' bestaande uit een heldere, echt glazen lampenbol (voor uitrichten mechanisch ondersteund door een gerecyclede montagemodule).
     De Licht/IR/UV-sensoren zijn naar buiten verzet op een 'arm' om geen schaduwranden te hebben van de PVC-behuizing,
     en nu met elevatie van ca. 60 graden opgesteld, voor betere zenith-bedekking.
     Bewust de sensoren dicht tegen het glas gemonteerd om reflecties te reduceren.
     Ventilatie binnen de lampbehuizing is echter beperkter en dat kan in midzomer sensor-uitval gaan veroorzaken.
   • De data van alle 4 sensoren gaat naar een ESP8266 die de data doorstuurt naar de Domoticz-computers voor verdere verwerking.
     Deze ESP8266 voert al een eerste stap calibratie & oplijning uit, zodat in Domoticz direct met 'gewogen & gecorrigeeerde' data gewerkt kan worden.
     
   Mindere karakteristieken dan de WS7000P_19 en de UVN800, maar door het nagenoeg onbeperkte zicht naar boven en goed zicht naar de zuidelijke horizon is dit cluster de secondaire sensor voor visueel licht en UV.
6. SI1145 - Tertiaire sensor voor visueel licht, IR en UV
   De sensor SI1145 is in de sensorkop van de Nexus-Lichtmeter gemonteerd (= dichtstbijzijnde 'bolletje').
   Deze sensor dient als 'gapfiller' die gecombineerd waarden bepaalt voor zowel licht, IR als ook UVI.
   De sensor voor lichtniveau heeft een meetbereik tot ca. 128kLux met 22bit-resolutie, effectief gedempt door de behuizing.
   Primair is deze sensor gericht op bepalen van UVIndex rekenkundig afgeleid uit de combinatie van gemeten Licht en IR.
   Door de genoemde manier van generatie van de waarden is de SI1145 beperkt nuttig als sensor per golflengte:
   naast de TSL2561 ook uitgifte van IR-info, waarvan door de gelijktijdige aanwezigheid van Licht en UV de gelijkloop met de andere sensoren enigszins kan worden afgeleid.
   De gecombineerde SI1145-sensor is direct gekoppeld aan een Raspberry-computer met Domoticz:
   deze Domoticz-computer zal de eind-normering uitvoeren van de SI1145-data t.o.v. andere sensordata.
7. GUVA-S12D - Tertiaire sensor voor UV-A
   Als extra, lokale, low-grade UV-sensor is het analoge uitgangssignaal van een UVA-sensor GUVA-S12SD aangesloten op de ADC van een ESP8266-processor:
   vergelijkbaar met de ML8511-sensor, maar eenvoudiger, en dient als aanvulling, cq. opvulling met een andere locatie.
   Was eerste, experimentele UV-sensor voor feasability-onderzoek van UV-meting.
   Gaat naast de 'Nexus-Lichtmeter' verder als 'gapfiller'-sensor (= 'bolletje' aan de dakrand), functioneel gecorreleerd met de Nexus-Lichtmeter/SI1145.

   Voorzover mogelijk correleren de Domoticz-computers de diverse metingen voor Zichtbaar Licht, IR en UV en voeden daarmee de uploads naar de diverse displays, naar eigen databases en naar diverse aangesloten organisaties.
   Bij de signaalnormering en bij sensorkeuze geldt de rangorde zoals hierboven beschreven, met het oog op de effectieve resoluties & prestaties van de diverse sensoren.

   

   ---

   Sitemap/ Jumplist voor deze website, incl. links to english versions of pages

   
   

   Copyright © 2014-2023 T4S
   Samenvatting voor Rechten & Verantwoordelijkheden / Summary for Rights & Liabilities