Bygga pyranometer

[MagnusG]

Startar en tråd för mitt pyranometerbygge då jag misstänkter att fler här kan vara intresserade.
Jag saknar en referens till min solanläggning och hade redan en del saker liggande på 'hyllan'.
Den kommer att vara baserad på en fotodiod/transistor, grundtankarna har jag hämtat från detta projekt på ett chilenskt universitet:
Fernando-Guerra-Hidalgo-Sensors-Design.pdf
Här har man lyckats skapa en enkel och billig mätare som korrelerar bra med ett dyrt instrument.
Mer kommer...

[MagnusG]

Jag har valt en sensor från AMS (fd Texas Advanced Optoelectronic Solutions)
Den heter TSL2591 och paketerad på färdig modul från Adafruit: TSL2591
Den behöver ingen anpassningselektronik och kan kopplas direkt till en Arduino/Raspberry PI via I2C buss. Det finns färdiga drivare för bägge.

Den har två fotodioder en 'full range' och en 'ir'. För detta projektet är det främst 'full range' dioden som kommer att användas. Mäter man lux kan man använda ir dioden för att dra bort den osynliga delen från 'full range' dioden och då få det synliga ljuset.
Den har programmerbar förstärkning och integrationstid vilket gör att den går att använda i alla ljusförhållanden. För detta projekt har jag använt den utan förstärkning (solljus!) 1x samt 200ms integrationstid. Se datablad


Sensormodul monterad på locket

[MagnusG]

Färdig låda med kablage


Framsida utan dämpare/diffusor

[MagnusG]

Precis som i det refererade projektet har jag använt teflon som dämpare/diffusor.
Då denna sensor klarar mer ljus har jag endast använt ett lager med 0,076mm teflon (= vanlig gängtejp).
Detta ger en dämpning på ca 70% och bör med 200ms integrations tid ge en bra upplösning.
Ovanpå detta har jag använt en transparent UV beständig utomhustejp.


Framsida med dämpare/diffusor

Kvarstår nu montering på tak och inkoppling till en Raspberry PI, återkommer...


 

[MagnusG]

Färdigmonterad på tak

Samma riktning och vinkel som på solcellerna.

Sensor är inkopplad till en Raspberry Pi som samplar ljusvärdet (råvärden = counts) var 5e sekund.
Ett medelvärde byggs var 5e minut och loggas i en databas.
Jag sparar data från bägge fotodioder, 'fullrange' och 'ir'.
I samma databas och med samma frekvens finns utetemperatur samt Wh genererade från solcellerna.

[MagnusG]

Ett försök till lite teori, jag är ingen expert på området och kommentarer mottages tacksamt:

Detta är då ingen traditionell pyranometer då en sådan mäter instrålning i ett horisontellt plan.
Dessutom har ett professionellt instrument ett betydligt bredare spektrum än en fotodiod, ca 300nm - 3000nm mot en bredbandig fotodiod ca 400nm - 1100nm.
En fotodiod kommer alltså att missa en del instrålning och likt i det refererade projektet behöva kompenseras.
Med den använda fototransistorn PT202C behövde man justera upp värdet med en faktor 1,6 ca.
För TSL2591 kommer faktorn att skilja något då karaktären inte är densamma.

Tanken här är dock att ha en referens till solcellerna. Främst för att se hur värme påverkar uteffekten, men även för att varna för avvikelser.
De tre parametrarna utetemperatur, instrålning och uteffekt borde korrelera hyfsat bra.

Egentligen har jag redan en referens i råvärdet, dvs antalet 'counts' från sensorn, men tänkte att försöka mig på att räkna ut ett W/m2 värde också.
Vid 200ms intergrationstid kommer värdet ut som ett 16-bitars tal, 0 - 65535.

I databladet framgår att man får 6024 'counts' per uW/cm2 (vid 100ms intergrationstid och 9876x förstärkning, vitt ljus från LED).
I mitt fall då: (6024 * 2) / 9876 -> ca 1,22 'counts' per uW/cm2 eller då 122 'counts' per W/m2.
(1x förstärkning och 200ms integrationstid).

Dra av dämpning från teflonöverdrag, i relaterat projekt ser det ut att vara ca 72% från tabellen, egna mätningar visar något lägre ca 63%:

122 * 0,37 -> ca 45 'counts' per W/m2

Detta då utan kompensering för solljuset utanför fotodiodens spektrum, men även då vitt LED ljus bara har en bråkdel av spektrumet jfr. med solljuset i den del där fotodioden kan mäta.
Solljus torde ha ett högre värde än de 6024 'counts' som ett vitt LED ljus avger alltså.
Ovan värde blir alltså för lågt av två anledningar.

Jag har skickat iväg en fråga till tillverkaren om det finns en motsvarande siffra för solljus.
I datablad finns även en kvot mellan fotodioderna för vitt LED ljus, den är ca 0,17.
När jag loggar i solljus är den ca 0,4. Det är alltså en större del infrarött ljus i solljuset jfr. med LED lampan.

Just nu är jag ganska nöjd med att få in råvärden. Återkommer när jag samlat lite mer data.

[MagnusG]

Liten uppdatering:
Det verkar fungerar bra, jag har nu samlat >7000 5-minuters värden där utetemperaturen har varierat mellan 0,4 till 27,8 grader.
Sensorn för synligt ljus har hittills maxat 55% av fullvärde så verkar ha fått till lagom dämpning med ett lager teflon.

Jag leker just nu med att bygga en matematisk modell av alla dessa värden där jag försöker se hur bra dessa parametrar korrelerar med varandra.  Återkommer...  

[MagnusG]

Inget har direkt hänt mer än att jag samlat en massa data...
Tyvärr kunde inte tillverkaren hjälpa mig med data för solljus så fick ingen hjälp där.
Kan tyvärr konstatera att jag har en skugga från en antenn i SV så får ta bort den delen på dagen, tror jag får avgränsa till typ +/- 1 timme från max.
Återkommer när jag hittar lite mer tid....

[MagnusG]

Sensordata från 12/4 -19 som var i stort sett molnfri (5 min intervall).
Min skuggproblematik syns tydligt. Förhållande mellan ir och full range diod är för solljus mellan 0.40 och 0.41. Räknar vidare...