日射計のオフセットとは？

日射計の信号に現れるオフセットは、全球日射量を正確に測定するうえで望ましくありません。そのため、日射計をご使用の方には、ゼロオフセットについて基本的な理解を持っていただくことが重要です。このホワイトペーパーでは、日射計のゼロオフセットに関する次のような疑問にお答えします。オフセットはどこから生じるのか？どのように測定すればよいのか？どれほど重要なのか？ISO 9060 規格ではどのように扱われているのか？

ゼロオフセットの基礎を分かりやすく解説し、より正確な日射測定に役立つ情報を提供します。

はじめに

日射計の信号に現れるゼロオフセットとは、太陽放射がゼロであっても出力に残る値のことです。現代の日射計では、このゼロオフセットは小さく抑えられています。多くの場所では、日中のほとんどの時間において、信号に含まれるオフセットは太陽放射に比べて無視できるほど小さくなります。

しかしながら、特定の低照度条件では、このゼロオフセットが重要になる場合があります。

日射計におけるゼロオフセットには、いくつかの起源があります。その多くは、機器内部の温度差、つまり熱勾配に起因します。これを理解するには、まず日射計の動作原理を見る必要があります[1]。簡単に言えば、日射計は次のように機能します。日射計の黒色受感面は太陽放射を吸収し、それを熱に変換します。この加熱によって、黒色面と日射計本体の間に温度差が生じ、これをサーモパイルで測定します。サーモパイルの出力信号は、基本的には照度（放射照度）に比例します。しかし、ここで明らかなように、太陽放射によるものではない黒色面と本体の温度差が生じると、測定された放射照度にオフセットが発生することになります。

このような温度差を引き起こすメカニズムはいくつか存在します。本ホワイトペーパーでは、その中でも特に一般的な 3 つの要因について説明します。

熱放射
周囲温度の急激な変化
日射計内部の電子回路による発熱および電子回路自体のオフセット

表1には、ISO 9060:2018 に定められた日射計クラスごとの最大許容ゼロオフセットが示されています。オフセットは以下の 3 種類に分類されます。

a：赤外によるオフセット
b：温度変化によるオフセット
c：合計オフセット

熱放射によるオフセット

日射計のドームは、熱放射を遮断する“放射フィルター”として機能します。これにより、日射計はおよそ 0.3〜3 × 10⁻⁶ m の波長範囲の太陽放射に対して感度を持つよう設計されています。

しかし、図1に示すように、より長い波長の熱放射（長波赤外）に対しては、完全に感度をゼロにすることはできません。これは以下の 2 つの熱放射のやり取りによって生じます。

空とドームの間の熱放射の交換
ドームと黒色受感面の間の熱放射の交換

これらの熱放射のやり取りにより、測定された太陽放射量にオフセットが生じることになります。

an illustration of the exchange of thermal radiation between the sky and the dome of a pyranometer and between the dome and the black sensor surface — 図1　日射計のドームと空の間、そしてドームと黒色受感面の間で行われる熱放射のやり取りの概念図

日射計が熱放射に対してどの程度の感度を持つかは、室内のラボ環境で測定する方法と、夜間の屋外データを用いて日射計と長波放射計の測定値を比較する方法のいずれかによって求めることができます。

室内で熱放射に対する感度を測定する場合、日射計を暗い環境に置き、既知の温度を持つ加熱黒体からの熱放射にさらします。日射計の温度と黒体の温度から熱放射の正味交換量を推定することができ、このとき黒体の方が日射計よりも温度が高いため、日射計の信号に現れるオフセットも、熱放射の正味交換量も正の値になります。

一方で、熱放射に対する感度は屋外でも測定することができます。

夜間は太陽放射がゼロであるため、日射計が熱放射などの他の要因に対してどの程度の感度を持つかをより明確に調べることができます。日射計と空の間で生じる熱放射の正味交換量は、長波放射計のデータから推定することができます。屋外での実験では、空の方が日射計よりも温度が低いため、日射計の信号に現れるオフセットも、熱放射の正味交換量も負の値になります。

室内の場合でも屋外の場合でも、日射計の信号を熱放射の正味照度に対してプロットすることができ、図2に示すように、この関係の傾きが日射計の熱放射に対する感度を表します。

a sketch of the pyranometer response to thermal radiation. The slope is the sensitivity to thermal radiation, any offset is attributed to other factors. Note that the slope will also depend on other factors such as wind speed. — 図2　日射計が熱赤外（長波放射）にどのように応答するかを示した概略図です。傾きは熱放射に対する感度を表し、オフセットはその他の要因によるものと考えられます。また、この傾きは風速などの条件によっても変化することに注意が必要です。

ISO 9060:1990 では、ゼロオフセット a を「200 W/m² の正味熱放射に対する応答」として規定しています[2]。ただし、熱放射によるゼロオフセットは固定値ではなく、実際の熱放射のやり取りによって変化します。また、風速などの他のパラメータが強く影響する場合もあります。

熱放射によるオフセットを低減する方法はいくつかあります。一般的な方法として、日射計に第二ドームを追加する手法があり、これはファーストクラスやセカンダリースタンダードの日射計でよく採用されています[3]。別の方法として、ドーム内部の熱勾配を抑えるために熱伝導率の高いドーム材質を使用することが挙げられます。例えば、SR25 日射計で採用されているサファイアドームがその例です。

さらに、ドームと本体の温度差を減らすために換気を利用する方法もあります。従来は外部換気ユニットを用いた外部換気が一般的でしたが、内部換気を用いることでゼロオフセットをさらに効果的に低減できます（図3）。SR30-D1 は内部換気を採用した、スペクトルフラット Class C（セカンダリースタンダード）日射計です。