CH679076A5

CH679076A5 -

Info

Publication number: CH679076A5
Application number: CH219589A
Authority: CH
Inventors: Oscar Dr Sc Nat Oehler; Herbert Dr Sc Nat Blum; Rolf Pleisch
Original assignee: Oscar Dr Sc Nat Oehler; Herbert Dr Sc Nat Blum
Priority date: 1989-06-13
Filing date: 1989-06-13
Publication date: 1991-12-13
Also published as: DE4018393A1

Description

1 1

CH 679 076 A5 CH 679 076 A5

2 2nd

Beschreibung description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Analyse der von lebenden Pflanzen ausgetauschten Gase. Sie betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Gase CO2 und H2O, die von einer Pflanze oder deren Teile ausgetauscht werden. The invention is in the field of analysis of the gases exchanged by living plants. It relates to a method and a device for measuring the gases CO2 and H2O, which are exchanged by a plant or parts thereof.

Der Austausch von CO2 und H2O durch einen grünen Pflanzenbestandteil, wie ein Blatt, eine Nadel, ein Stengel usw (im folgenden als Blatt bezeichnet), steht in direkter Beziehung zu den fundamentalen Prozessen der Photosynthese und der Blattatmung. Die Messung dieser Gase ist daher eine wohlbekannte und bewährte Methode in der Pflanzenwissenschaft und der Ökologie. The exchange of CO2 and H2O by a green plant component, such as a leaf, a needle, a stem, etc. (hereinafter referred to as leaf), is directly related to the fundamental processes of photosynthesis and leaf respiration. The measurement of these gases is therefore a well-known and proven method in plant science and ecology.

Konventionelle Geräte zur nicht-destruktiven Analyse der Photosynthese-Austauschgase beruhen fast durchwegs auf der Infrarot-Absorptions-spektroskopie. Die Verwendung dieser Methode ist angezeigt, da GOz und auch H2O die Strahlung im mittleren Infrarot sehr stark und selektiv absorbieren. Insbesondere lässt sich CO2 wegen seiner hohen chemischen Stabilität auf andere Weise nicht einfach und kontinuierlich bestimmen. Conventional devices for the non-destructive analysis of photosynthetic exchange gases are based almost entirely on infrared absorption spectroscopy. The use of this method is indicated, since GOz and also H2O absorb the radiation in the middle infrared very strongly and selectively. In particular, because of its high chemical stability, CO2 cannot be determined easily and continuously in any other way.

Zur Durchführung solcher Gaswechsel-Messun-gen wird in der Regel das Blatt in eine gasdichte Kü-vette, die sog. Blattküvette, eingeschlossen. Eine geeignete Dichtung der Küvette erlaubt es, dass das Blatt trotz dessen Einschlusses während der Messung mit der Pflanze in Verbindung steht und somit die Versorgung des Blattes mit Nährstoffen und Wasser gewährleistet ist. Die Messungen werden einerseits unter ständiger Zufuhr von frischer Luft durchgeführt (offenes System), wobei die Gas-wechsel-Aktivitäten aus den stationären Werten der COa-Abreicherung und der Wasserabgabe bestimmt werden können. Andererseits sind diese Aktivitäten aus den Verläufen der entsprechenden Gaskonzentrationen in einer abgeschlossenen Luftmenge, die durch die Blattküvette und den Gasana-lysator zirkuliert, bestimmbar (geschlossenes System). Bei beiden Verfahren ist das Blatt eine Zeitlang (typischerweise während einiger Minuten) in die Blattküvette eingeschlossen. To carry out such gas exchange measurements, the sheet is usually enclosed in a gas-tight cuvette, the so-called sheet cuvette. A suitable seal on the cuvette allows the leaf to remain in contact with the plant despite its inclusion during the measurement, thus ensuring that the leaf is supplied with nutrients and water. The measurements are carried out on the one hand with a constant supply of fresh air (open system), whereby the gas exchange activities can be determined from the stationary values of COa depletion and water release. On the other hand, these activities can be determined from the courses of the corresponding gas concentrations in a closed amount of air, which circulates through the leaf cell and the gas analyzer (closed system). In both methods, the leaf is enclosed in the leaf cuvette for a time (typically a few minutes).

Beim offenen System muss die Einstellung der stationären Konzentrationen im Gassystem abgewartet werden. Diese Zeitdauer ist näherungsweise proportional zum Gasvolumen des Systems, zu dem die Gasanalysatorküvette einen wesentlichen Teil beiträgt. Eine einfache numerische Überlegung soll das veranschaulichen: In kommerziell erhältliche COg-Analysatoren, welche auf dem Prinzip der In-frarotabschwächung (Extinktionsprinzip) beruhen, ist zur Erreichung der erforderlichen Genauigkeit von ca 0.5 ppm eine Länge des optischen Lichtweges von ca. 20 cm erforderlich. Entsprechend des Absorptionskoeffizienten von CO2 bei einer Wellenlänge von 4.25 [tm ergibt das bei einer Gaskonzentrationsänderung von 0.5 ppm im 20 cm langen Lichtweg eine Abweichung der Transmission von 0.4% - ein aus dem Rauschen der Lichtquelle noch abgehobener Wert. Bei einer Querschnittsfläche der Analysatorküvette von 1 cm2 ergibt sich ein Volumen von 20 mi. Unter der Annahme einer zehnmaligen Gasumwälzung im Analysatorvolumen, was zur With the open system, the setting of the stationary concentrations in the gas system must be awaited. This time period is approximately proportional to the gas volume of the system, to which the gas analyzer cell contributes a substantial part. This should be illustrated by a simple numerical consideration: in commercially available COg analyzers, which are based on the principle of infrared attenuation (extinction principle), a length of the optical light path of approx. 20 cm is required to achieve the required accuracy of approx. 0.5 ppm. Corresponding to the absorption coefficient of CO2 at a wavelength of 4.25 [tm, with a gas concentration change of 0.5 ppm in the 20 cm long light path, this results in a deviation of the transmission of 0.4% - a value still raised from the noise of the light source. With a cross-sectional area of the analyzer cuvette of 1 cm2, the volume is 20 mi. Assuming ten times the gas circulation in the analyzer volume, which leads to

Erreichung einer hinreichend stationären Gaskonzentration in der Analysatorküvette erforderlich ist, ergibt sich ein minimal erforderliches Gasvolumen von ca. 200 ml. Unter Berücksichtigung der Spülung der Blattküvette und der Gaszuleitungen kann davon ausgegangen werden, dass ein auf dem Extinktionsprinzip arbeitender Gasanalysator unter Einhaltung einer Messgenauigkeit von 0.5 ppm CO2 eine Spülgasmenge von ca. 300 ml erfordert. Der typische Gasfluss in einer in offenem System arbeitenden Blattküvette beträgt 200 ml/min. Dieser Wert lässt sich nicht beliebig steigern, da ansonst die photosynthese-bedingte C02-Abreicherung der zuströmenden Luft unmessbar klein würde. Somit resultiert für die minimale Spülzeit des Systems ein Wert von ca 1.5 Minuten. If a sufficiently stationary gas concentration is required in the analyzer cuvette, the minimum required gas volume is approx. 200 ml. Taking into account the purging of the leaf cuvette and the gas supply lines, it can be assumed that a gas analyzer operating on the extinction principle while maintaining a measuring accuracy of 0.5 ppm CO2 requires a flushing gas volume of approx. 300 ml. The typical gas flow in a leaf cuvette working in an open system is 200 ml / min. This value cannot be increased arbitrarily, since otherwise the photosynthesis-related C02 depletion of the inflowing air would become immeasurably small. This results in a value of approximately 1.5 minutes for the minimum flushing time of the system.

Da der Wirkungsgrad der Photosynthese klein ist und somit ein grosser Anteil der vom Blatt absorbierten Lichtleistung in Wärme umgesetzt wird, tritt in der Blattküvette unter der Lichteinstrahlung während der erwähnten Messdauer eine beachtliche Wärmeentwicklung auf. Um stabile Verhältnisse zu schaffen, ist diese Wärme wegzuführen. Die das eingeschlossene Blatt umgebende Luftströmung sorgt zu einem Teil für diese Wärmeabfuhr; sie lässt sich aber, vor allem im offenen System aus dem bereits erwähnten Grund der CCfe-Abreiche-rung nicht beliebig steigern. Offene Systeme bedingen daher eine zusätzliche Klimatisierung der Blattküvette, was allerdings einen grossen apparativen Aufwand erfordert, es sei denn, dass eine nichtstabile Temperatur in der Blattküvette und damit eine Erniedrigung der Zuverlässigkeit der Messung in Kauf genommen wird. Nebst des Kostenaufwandes für die Blattküvettenklimatisierung muss dem Umstand Rechnung getragen werden, dass die Klimavorrichtung voluminös und schwer ist, was die Portabilität des Messgerätes und damit dessen Benützung für Feldmessungen erschwert. Since the efficiency of photosynthesis is low and a large proportion of the light output absorbed by the leaf is converted into heat, considerable heat development occurs in the leaf cuvette under the light during the measurement period mentioned. This heat must be removed to create stable conditions. The air flow surrounding the enclosed leaf partly ensures this heat dissipation; however, especially in the open system, it cannot be increased arbitrarily for the reason of the CCfe depletion mentioned above. Open systems therefore require additional air conditioning of the leaf cuvette, which, however, requires a great deal of equipment, unless an unstable temperature in the leaf cuvette and thus a reduction in the reliability of the measurement are accepted. In addition to the cost of the sheet cell air conditioning, the fact that the air conditioning device is bulky and heavy must be taken into account, which makes the measuring device's portability and thus its use for field measurements more difficult.

An sich ist es zwar möglich, ohne eine thermische Stabilisierung der Blattküvette auszukommen - nämlich dann, wenn das Blatt zur Gasentnahme nur für wenige Sekunden in die Blattküvette eingeschlossen wird. Das würde allerdings voraussetzen, dass das gesamte Gasvolumen des Systems klein gehalten werden kann. Die erwähnte Methode der Infrarot-Extinktionsmessung kann in dieser Hinsicht kaum zum Ziele führen, da, wie besprochen, die Länge des Lichtweges im Gasanalysator und demzufolge das Gasanalysatorvolumen nicht beliebig verkleinert werden kann. In itself, it is possible to do without thermal stabilization of the leaf cuvette - namely when the leaf is only enclosed in the leaf cuvette for a few seconds for gas extraction. However, this would require that the total gas volume of the system can be kept small. The aforementioned method of infrared extinction measurement can hardly lead to the goal in this regard, since, as discussed, the length of the light path in the gas analyzer and consequently the gas analyzer volume cannot be reduced arbitrarily.

Die Durchführung einer zuverlässigen Messung erfordert zusätzlich, dass das Blatt in der Blattküvette während dem Gasaustausch homogen durchmischt wird. Carrying out a reliable measurement additionally requires that the sheet in the sheet cell is mixed homogeneously during the gas exchange.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln und eine Vorrichtung zur Nutzung dieses Verfahrens zu schaffen, die es erlauben, die Konzentrationsänderungen von CO2 und gegebenenfalls H2O an einem Blatt zu messen, das nur für kurze Zeit in eine Blattküvette eingeschlossen ist, so dass während der Dauer des Gasaustausches die am Austausch beteiligten Prozesse durch den Blatteinschluss nur unwesentlich beeinflusst werden. It is an object of the invention to develop a method and to provide an apparatus for using this method which make it possible to measure the changes in the concentration of CO2 and, if appropriate, H2O on a leaf which is enclosed in a leaf cell only for a short time, so that the processes involved in the exchange are only marginally influenced by the sheet inclusion during the duration of the gas exchange.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

2 2nd

3 3rd

OH 679 076 A5 OH 679 076 A5

4 4th

Die Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens und einer entsprechenden Vorrichtung, wie sie in den kennzeichnenden Teilen von Anspruch 1, respektive in Anspruch 4, beschrieben sind. The object is achieved by means of a method and a corresponding device as described in the characterizing parts of claim 1 and in claim 4, respectively.

Die photoakustische Methode zur Messung von Gaskonzentrationen ist seit langem bekannt. Sie beruht darauf, dass intensitätsmoduliertes Licht, das in einer verschlossenen Analysatorküvette absorbiert wird, zu Gasdruckschwankungen Anlass gibt. Diese Druckschwankungen können mittels eines Mikrophons gemessen werden. Der photoakustische Effekt stellt die empfindlichste bekannte Methode zur infrarot-spektroskopischen Messung von Gaskonzentrationen dar. Diese Methode besitzt aber gegenüber der erwähnten Extinktionsmethode im vorliegenden Fall einen weiteren grossen Vorteil: Das photoakustische Drucksignal p ist proportional zur Dichte der absorbierten Strahlung, also proportional zur Strahlungsabsorption A dividiert durch das Küvettenvolumen V. The photoacoustic method for measuring gas concentrations has been known for a long time. It is based on the fact that intensity-modulated light, which is absorbed in a closed analyzer cuvette, gives rise to gas pressure fluctuations. These pressure fluctuations can be measured using a microphone. The photoacoustic effect is the most sensitive known method for infrared spectroscopic measurement of gas concentrations. However, this method has another great advantage over the extinction method mentioned in the present case: the photoacoustic pressure signal p is proportional to the density of the absorbed radiation, that is to say proportional to the radiation absorption A. divided by the cuvette volume V.

p aA/V = A/FL p aA / V = A / FL

F bedeutet die Querschnittsfläche der Analysatorküvette und L deren optische Länge. F means the cross-sectional area of the analyzer cuvette and L its optical length.

Bei niedriger Gaskonzentration kann das Beer'sche Gesetz, das die Strahlungsabsorption A beschreibt, linearisiert werden: At low gas concentrations, Beer’s law, which describes radiation absorption A, can be linearized:

A=(1~e-ScL) also A = S c L, A = (1 ~ e-ScL) thus A = S c L,

wo S der über die Wellenlänge integrierte Absorptionskoeffizient und c die Gaskonzentration darstellt. Bei der Berechnung der Dichte der absorbierten Strahlung kürzt sich die Küvettenlänge L heraus. Das bedeutet aber, dass bei kleiner Lichtabsorption das photoakustische Drucksignal unabhängig von der Länge L der Analysatorküvette wird. Es ist damit möglich, dass trotz der Wahl einer sehr kleinen Analysatorküvette mit einem Volumen von typischerweise weniger als 0.5 ml, eine grosse Gasempfindlichkeit erreicht werden kann. where S represents the absorption coefficient integrated over the wavelength and c represents the gas concentration. When calculating the density of the absorbed radiation, the cuvette length L is reduced. However, this means that with low light absorption, the photoacoustic pressure signal becomes independent of the length L of the analyzer cuvette. It is therefore possible that, despite the choice of a very small analyzer cuvette with a volume of typically less than 0.5 ml, a high gas sensitivity can be achieved.

Gegenüber bestehenden Photosynthese-Gas-analysatoren hat das erfinderische Verfahren den Vorteil, dass mit einem mehr als zehnfach kleineren Volumen eine zuverlässige Gasanalyse durchgeführt werden kann. Damit ist einerseits eine kleinere Spülgasmenge und entsprechend eine kürzere Spülzeit erforderlich, andererseits auch die Möglichkeit vorhanden, die Analysatorküvette in unmittelbarer Nähe der Blattküvette anzubringen. Das neue Verfahren zur Analyse von Austauschgasen unterscheidet sich also von demjenigen, das in bestehenden Photosynthese-Messgeräten angewandt wird wesentlich und weist auch eine Anzahl beachtliche Vorteile auf. Compared to existing photosynthetic gas analyzers, the inventive method has the advantage that a reliable gas analysis can be carried out with a volume that is more than ten times smaller. This means that on the one hand a smaller amount of purge gas and a correspondingly shorter purge time is required, on the other hand there is also the possibility of installing the analyzer cell in the immediate vicinity of the leaf cell. The new method for analyzing exchange gases differs significantly from that used in existing photosynthesis measuring devices and also has a number of considerable advantages.

Insbesondere wirkt sich die gedrängte Bauweise des Messsystems sehr günstig aus, da die Gaszuleitungen von der Blattküvette zur Analysatorküvette sehr kurz gehalten werden können. Die wegen der kleinen Spülgasmenge unvermeidlichen Verfälschungen der Gaszusammensetzung durch Adsorption und Desorption von Gaskomponenten an den Rohrwandungen können auf diese Weise niedrig gehalten werden. In particular, the compact design of the measuring system has a very favorable effect, since the gas supply lines from the leaf cell to the analyzer cell can be kept very short. The inevitable adulteration of the gas composition due to adsorption and desorption of gas components on the pipe walls due to the small amount of purge gas can be kept low in this way.

Diese Kleinhaltung des Gasanalysatorvolumens wirkt sich sowohl beim offenen System als auch bei Messungen nach dem geschlossenen System auf die totale Messzeit sehr günstig aus. This small size of the gas analyzer volume has a very favorable effect on the total measuring time both in the open system and in measurements after the closed system.

Allerdings führt das kleine Analysatorvolumen wegen dem grossen Oberflächen/Volumenverhältnis bei gleichzeitiger Venwendung einer kleinen Spülgasmenge auch bei der Analysatorküvette zu Problemen. Auch dort können die Adsorption und die Desorption von Gasen an der Oberfläche der Analysatorküvette stark in Erscheinung treten. Insbesondere kann abgelagertes Wasser zu Verfälschungen der Gaszusammensetzung führen. However, the small analyzer volume also leads to problems with the analyzer cuvette because of the large surface / volume ratio while simultaneously using a small amount of purge gas. Here, too, the adsorption and desorption of gases on the surface of the analyzer cuvette can appear strongly. In particular, deposited water can lead to adulteration of the gas composition.

Die kleine Dimensionierung und das niedrige Gewicht des aus der Analysatorküvette und aus der Blattküvette gebildeten Systems, sowie die kurze Messzeit machen es möglich, dass die Messapparatur während der Messung in der Hand gehalten werden kann. Damit ist das Messgerät einerseits sehr flexibel einsatzfähig, andererseits kann auf diese Weise innert kurzer Zeit eine grosse Stichprobe gemessen werden. Auch in dieser Hinsicht unterscheidet sich die neue Vorrichtung vom Bestehenden. The small dimensions and the low weight of the system formed from the analyzer cuvette and the leaf cuvette, as well as the short measuring time, make it possible for the measuring apparatus to be held in the hand during the measurement. On the one hand, the measuring device can be used very flexibly, on the other hand, a large sample can be measured within a short time. In this respect too, the new device differs from the existing one.

Allerdings kann der Umstand, dass die Vorrichtung während der Messung in der Hand gehalten werden kann, wegen der akustischen Störbarkeit durch Körperschall zu Schwierigkeiten führen. Da das eigentliche Detektorelement ein Mikrophon ist, ist die akustische Beeinflussbarkeit bei dem vorliegenden Gasanalyseverfahren zum vorneherein gegeben, Gravierend kann sich insbesondere das typische Rumpelgeräusch der angespannten Muskulatur auf den in der Hand gehaltenen Gasanalysator auswirken. Wie etwa im Artikel von G. Oster, in Spektrum der Wissenschaft vom Mai 1984 nachzulesen ist, führt der Arm charakteristische Vibrationen mit einem Maximum bei einer Frequenz von ca 25 Hz aus. Diese Vibrationen werden über die Mi-krophonhalterung als Körperschall auf die Mikrophonmembrane übertragen. Sie geben damit zu Störungen Anlass, die im allgemeinen jegliche genaue Messung verunmöglichen. Es müssen daher Massnahmen getroffen werden, um die Auswirkungen dieses Rumpelgeräusches auf die Mikrophonmembrane zu verunmöglichen. Die Lösung dieses Problems, das eine Ähnlichkeit mit derjenigen hat, weiche von P. Poulet und J. Chambron nach einer Veröffentlichung in Journal de Physique-Colloque, supp. No 10, 44, C6-413 (1983) zur Messung des Gasaustausches an der Haut angewandt wurde, beruht auf der Verwendung eines symmetrischen Mikrophons und einer symmetrischen Auslegung der photoakustischen Gasküvette in Form einer Dop-pelküvette. Durch diese Massnahme ist es möglich, dass gleichzeitig die beiden Gase CO2 und H2O alternierend gemessen werden können. However, the fact that the device can be held in the hand during the measurement can lead to difficulties because of the acoustic interference from structure-borne noise. Since the actual detector element is a microphone, the acoustic gas can be influenced beforehand in the present gas analysis method. The typical rumble noise of the tense muscles can have a serious effect on the gas analyzer held in the hand. As can be seen in the article by G. Oster in Spectrum of Science from May 1984, the arm emits characteristic vibrations with a maximum at a frequency of approx. 25 Hz. These vibrations are transmitted as structure-borne noise to the microphone membrane via the microphone holder. This gives rise to disturbances which generally make it impossible to carry out any precise measurements. Measures must therefore be taken to make the effects of this rumble noise on the microphone membrane impossible. The solution to this problem, which is similar to that proposed by P. Poulet and J. Chambron after a publication in Journal de Physique-Colloque, supp. No 10, 44, C6-413 (1983) for measuring the gas exchange on the skin is based on the use of a symmetrical microphone and a symmetrical design of the photoacoustic gas cell in the form of a double cell. This measure makes it possible to measure the two gases CO2 and H2O alternately at the same time.

Beispiele zum Aufbau der Vorrichtung sind anhand der folgenden Darstellungen beschrieben: Examples of the structure of the device are described using the following illustrations:

Fig. 1 zeigt eine Übersichtsdarstellung einer in offenem System arbeitenden Vorrichtung zur Messung des Gasaustausches von Blättern. 1 shows an overview of an apparatus for measuring the gas exchange of leaves working in an open system.

Fig. 2 ist eine Darstellung der Blattküvette mit den Gaszuleitungen. Fig. 2 is an illustration of the leaf cuvette with the gas supply lines.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

5 5

CH 679 076 A5 CH 679 076 A5

6 6

Fig. 3 veranschaulicht den Aufbau des auf dem photoakustischen Prinzip beruhenden Gasanalysa-tors. 3 illustrates the structure of the gas analyzer based on the photoacoustic principle.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der in offenem System arbeitenden Vorrichtung zur Messung des Gaswechsels bei Pflanzen. Die Blattküvette 1 steht mit einem zangenförmigen Halte- und Verschliessmechanis-mus, der sog. Blattzange 2 in Verbindung. Auf dieser Blattzange 2 ist der Gasanalysator 3 unmittelbar neben der Blattküvette 1 befestigt. Das pho-tosynthetisierende Untersuchungsobjekt, im folgenden als Blatt 4 bezeichnet, steht während der Messung mit der Pflanze 5 in Verbindung. Das Licht dringt durch das Fenster 6 in die Blattküvette 1. Messgas, beispielsweise Frischgas aus einem Gasvorratsbehälter 7, gelangt vorzugsweise über eine Befeuchtungsvorrichtung 8, über die Luftströmungsmessvorrichtung 9 und über die Zuleitung 10 in die Blattküvette 1. Die aus der Blattküvette austretende Luft gelangt über die Analysatorzuleitung 11 in die Analysatorküvette 3. Wegen der benachbarten Anordnung von Blattküvette 1 und Analysatorküvette 3 kann die Zuleitung 11 sehr kurz bemessen werden. Dies hat einerseits den Vorteil, dass die total vor der Messung umzuwälzende Gasmenge klein gehalten werden kann, andererseits reduziert die kurze Leitung 11 den Einfluss von adsorp-tions- und desorptionsbedingten Gaskonzentrati-ons-Verfälschungen. Fig. 1 shows the principle of the device operating in an open system for measuring the gas exchange in plants. The leaf cuvette 1 is connected to a forceps-shaped holding and closing mechanism, the so-called leaf forceps 2. The gas analyzer 3 is fastened on this leaf forceps 2 directly next to the leaf cell 1. The phosynthesizing object to be examined, hereinafter referred to as sheet 4, is connected to the plant 5 during the measurement. The light penetrates through the window 6 into the leaf cuvette 1. Measurement gas, for example fresh gas from a gas storage container 7, preferably passes through a humidification device 8, via the air flow measuring device 9 and via the feed line 10 into the leaf cuvette 1. The air emerging from the leaf cuvette passes through the analyzer feed line 11 into the analyzer cuvette 3. Because of the adjacent arrangement of the leaf cuvette 1 and the analyzer cuvette 3, the feed line 11 can be dimensioned very short. On the one hand, this has the advantage that the total amount of gas to be circulated before the measurement can be kept small; on the other hand, the short line 11 reduces the influence of gas concentration falsifications due to adsorption and desorption.

Das den Gasanalysator durch die Gasableitung 11" verlassende Gas wird entweder an die Umgebung abgegeben (offenes System), oder es wird in die Blattküvette 1 zurückgeleitet (geschlossenes System). Im letzteren Fall ist, wie in Fig. 1 in unterbrochenen Linien dargestellt ist, die Gasableitung 11" über eine Gasrückführungsleitung 16, eine Gasumwälzpumpe 17 und ein zusätzliches Ventil 18, beispielsweise ein Dreiwegventil, mit der Blattküvette 1 verbunden. Die Ausführungsform des geschlossenen Systems ist damit zwar möglich, bringt aber im vorliegenden Fall der Anordnung der Analysatorküvette bei der Blattküvette nicht dieselben Vorteile wie beim offenen System, da zur Kleinhal-tung des totalen Messgasvolumens zusätzlich die Gasumwälzpumpe 17 an der Messzange befestigt werden müsste. The gas leaving the gas analyzer through the gas discharge line 11 "is either released into the environment (open system), or it is returned to the leaf cuvette 1 (closed system). In the latter case, as shown in broken lines in FIG. 1, the gas discharge line 11 ″ is connected to the leaf cell 1 via a gas return line 16, a gas circulation pump 17 and an additional valve 18, for example a three-way valve. The embodiment of the closed system is thus possible, but in the present case the arrangement of the analyzer cuvette with the leaf cuvette does not bring the same advantages as with the open system, since in order to keep the total measurement gas volume small, the gas circulation pump 17 would also have to be attached to the measuring clamp.

Die Gasadsorption resp. die Gasdesorption beruht auf einer Imprägnierung der Oberfläche der Küvetten und der Gasleitungen mit dem zu untersuchenden Gas resp. der Abgabe der angelagerten Schicht bei der nachfolgenden Gasspülung oder Messung. Dieser Effekt tritt bei CO2 nicht in dem Masse in Erscheinung wie beim Wasser, da letzteres gegenüber von CO2 nicht nur in einer Mono-lage, sondern mehrschichtig abgelagert wird. Im allgemeinen wird diese Störung durch Wahl eines grossen Analysatorvolumens (günstiges Oberflächen/Volumenverhältnis) und einer grossen Messzeit (Spülung bis die stationäre Gaskonzentrationen erreicht ist) minimalislert. Des weiteren wird darauf geachtet, dass Materialien verwendet werden, deren Adsorptionsvermögen klein ist, wie beispielsweise dasjenige von Glas oder von poliertem Metall. Aus den vorgängig dargelegten Gründen kommt im vorliegenden Fall eine Vergrösserung des Analysatorvolumens nicht in Frage. Hingegen lässt sich die Oberfläche durch eine gedrängte Bauweise klein halten. So bewirkte der Verzicht auf einen mindestens 1 m langen Verbindungsschlauch zwischen Blattküvette und Analysatorküvette, wie er bei bestehenden Austauschgas-Analysatoren üblich ist, eine Reduktion der gesamten massgebenden Innenfläche auf mindestens die Hälfte. The gas adsorption. The gas desorption is based on an impregnation of the surface of the cuvettes and the gas lines with the gas to be examined, respectively. the delivery of the deposited layer in the subsequent gas purging or measurement. This effect does not appear to the same extent with CO2 as with water, since the latter is not only deposited in a monolayer, but in several layers. In general, this disturbance is minimized by choosing a large analyzer volume (favorable surface / volume ratio) and a long measuring time (purging until the steady gas concentration is reached). Furthermore, care is taken to use materials whose adsorptivity is small, such as that of glass or polished metal. For the reasons set out above, increasing the analyzer volume is not an option in the present case. On the other hand, the surface can be kept small thanks to a compact construction. The elimination of an at least 1 m long connecting tube between the leaf cuvette and the analyzer cuvette, as is customary with existing exchange gas analyzers, resulted in a reduction of the entire relevant inner surface to at least half.

Der Einfluss von adsorptions- und desorptionsbedingten Störungen der Gaskonzentration kann weiterhin dadurch reduziert werden, dass die Vorrichtung stets ähnlich zusammengesetzten Gasmischungen ausgesetzt ist. Insbesondere ist bei der Eichung der Vorrichtung darauf zu achten, dass die Gasmischung die beiden Komponenten CO2 und H2O in Konzentrationen enthält, welche den nachfolgenden Gaswechselmessungen In etwa entsprechen. Wird die Eichung mit demselben Messgas vorgenommen, das anschliessend für die Gaswechsel-Untersuchungen verwendet wird, so ist diese Bedingung, was das CO2 betrifft, gewährleistet. Bei typischen Photosynthese-Experimenten wird durch Wahl der Luftströmung dafür gesorgt, dass die C02-Abreicherung ca 10-20 ppm beträgt. The influence of adsorption and desorption-related disturbances in the gas concentration can be further reduced by the fact that the device is always exposed to gas mixtures of similar composition. In particular, when calibrating the device, care must be taken that the gas mixture contains the two components CO2 and H2O in concentrations which roughly correspond to the subsequent gas exchange measurements. If the calibration is carried out with the same sample gas that is subsequently used for the gas exchange tests, this condition regarding the CO2 is guaranteed. In typical photosynthesis experiments, the choice of air flow ensures that the CO 2 depletion is approximately 10-20 ppm.

Falls das Messgas als Frischgas einem Gasvorratsbehälter 7 entnommen wird, ist es gegeben, dasselbe mit Wasser anzureichern. Dazu dient beispielsweise die Befeuchtungsvorrichtung 8. Die Vorbefeuchtung der Luft ist schon deshalb angezeigt, weil in der Regel die Mikrophonempfindlichkeit eine Feuchteabhängigkeit aufweist. If the sample gas is taken as fresh gas from a gas storage container 7, it is necessary to enrich it with water. The humidification device 8 is used for this purpose, for example, because the pre-humidification of the air is indicated simply because the microphone sensitivity is usually moisture-dependent.

Nebst der Bestimmung der Konzentrationen von CO2 und H2O sind noch einige weitere, die Photosynthese charakterisierende Parameter zu messen: Erstens ist es wichtig, die Gasdurchflussmenge zu kennen. Diese wird mittels eines Strömungsmessvorrichtung 9 bestimmt. Des weiteren ist die Kenntnis der photosynthese-aktiven Strahlung wichtig. Diese wird mittels des Lichtdetektors 12 ermittelt. Zusätzlich ist die Temperatur der das Blatt umgebenden Luft, sowie die Temperatur des Blattes selbst zu messen. Dazu dienen die Temperatursensoren 13 und 14. Die Steuerung der des Gasanaly-sators, sowie die Verarbeitung der Signale der erwähnten Sensoren 9,12,13,14 geschieht in der elektronischen Steuer-/Messvorrichtung 15. In addition to determining the concentrations of CO2 and H2O, there are a few other parameters that characterize photosynthesis: First, it is important to know the gas flow rate. This is determined by means of a flow measuring device 9. Knowledge of photosynthesis-active radiation is also important. This is determined by means of the light detector 12. In addition, the temperature of the air surrounding the leaf and the temperature of the leaf itself must be measured. The temperature sensors 13 and 14 are used for this purpose. The control of the gas analyzer and the processing of the signals from the sensors 9, 12, 13, 14 mentioned take place in the electronic control / measuring device 15.

Fig. 2 zeigt die Darstellung der Blattküvette 1 in der Ansicht von oben. Für die Zuverlässigkeit der Photosynthesemessung ist es sehr wesentlich, dass das Gas in der Blattküvette 1 gut durchmischt ist. Die Einhaltung dieser Forderung ist In Anbetracht eines sehr kleinen Gasdurchflusses von weniger als 100 ml/min nicht trivial. Es hat sich gezeigt, dass eine Besprühung des Blattes 4 aus einer Anzahl Düsen 21 zu einer homogenen Gaskonzentration in der Blattküvette 1 führt. Das unter leichtem Überdruck stehende Messgas gelangt über die Zuleitung 10 in eine Gasverteilnut 22 der Blattküvette. Diese Nut umgibt ringförmig den Blattküvettenraum 23 und steht mit letzterem über radial angeordnete Düsen 21 in Verbindung. Das aus diesen Düsen austretende Messgas führt im Blattküvettenraum 23 zu einer starken Gasverwirbelung und damit zu einer homogenen Frischluftverteilung. Versuche Fig. 2 shows the representation of the leaf cell 1 in the view from above. For the reliability of the photosynthesis measurement, it is very important that the gas in the leaf cell 1 is well mixed. In view of a very small gas flow of less than 100 ml / min, compliance with this requirement is not trivial. It has been shown that spraying the sheet 4 from a number of nozzles 21 leads to a homogeneous gas concentration in the sheet cuvette 1. The measuring gas, which is under a slight excess pressure, reaches a gas distribution groove 22 of the leaf cell via the feed line 10. This groove surrounds the leaf cell space 23 in a ring and is connected to the latter via radially arranged nozzles 21. The measurement gas emerging from these nozzles leads to a strong gas swirling in the leaf cell space 23 and thus to a homogeneous fresh air distribution. tries

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

7 7

CH679 076A5 CH679 076A5

8 8th

mit Einzeldüsen 21 und punktweiser Gasentnahme aus dem Blattküvettenraum 23 bestätigten die Funktionstüchtigkeit dieser Anordnung. Aus der Blattküvette gelangt das Gas über die Gasverbindungsleitung 11 zur Analysatorküvette 3. with individual nozzles 21 and point-by-point gas extraction from the leaf cell space 23 confirmed the functionality of this arrangement. From the leaf cell, the gas passes through the gas connection line 11 to the analyzer cell 3.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung des Gasanalysators 3. Derselbe ist, wie bereits erwähnt, zur Verhütung der akustischen Störbarkeit der Gasanalyse durch das Rumpelgeräusch der Muskeln vollständig symmetrisch in Form einer Doppelküvette aufgebaut. Das symmetrisch ausgelegte Mikrophon 31 befindet sich im Zentrum des Gasanalysators. Die Druckeintrittsöffnungen des Mikrophons stehen über die Verbindungsleitungen 32, 32' mit den beiden Gaskü-vetten 33, 33' in Verbindung. Letztere sind mit Fenstern 34, 34' versehen, welche für Licht der geeigneten Wellenlänge durchsichtig sind. Im vorliegenden Fall der CO2 und HzO-Detektion bestehen diese Fenster insbesondere aus Saphir. FIG. 3 shows a representation of the gas analyzer 3. As already mentioned, the same is constructed completely symmetrically in the form of a double cuvette to prevent the acoustic analysis from being disturbed by the rumble of the muscles. The symmetrically designed microphone 31 is located in the center of the gas analyzer. The pressure inlet openings of the microphone are connected to the two gas cuvettes 33, 33 'via the connecting lines 32, 32'. The latter are provided with windows 34, 34 'which are transparent to light of the appropriate wavelength. In the present case of CO2 and HzO detection, these windows consist in particular of sapphire.

Das Licht der Infrarotstrahler 35, 35' gelangt nach dem Durchdringen von optischen Filtern 36, 36', beispielsweise Interferenzfiltern, auf diese Fenster 34, 34'. Die Intensität des Lichtes wird entweder durch Ein- und Ausschalten des Stromes an den Stromzuführungen 37, 37' der Infrarotstrahler 35, 35', oder durch Lichtunterbrecher 38, 38', wie beispielsweise bei konstantem Strom an den Infrarotstrahlern 35, 35' durch gegeneinander bewegte Gitter moduliert. Letztere sind beispielsweise im Lichtstrahl zwischen dem Strahler 35 und dem optischen Filter 36, resp. zwischen 35' und 36', angeordnet. The light from the infrared radiators 35, 35 'reaches these windows 34, 34' after the penetration of optical filters 36, 36 ', for example interference filters. The intensity of the light is either by switching the current on and off at the power supply lines 37, 37 'of the infrared radiators 35, 35', or by light interrupters 38, 38 ', such as, for example, at constant current on the infrared radiators 35, 35' by moving against each other Grid modulated. The latter are, for example, in the light beam between the emitter 35 and the optical filter 36, respectively. between 35 'and 36'.

Das eine optische Filter, 36', ist der Infrarotabsorption von CO2 angepasst, d.h. es ist in jenem spektralen Bereich durchlässig, in welchem CO2 intensiv Strahlung absorbiert. Das andere optische Filter, 36, ist der HzO-Absorption angepasst. Die Modulationsfrequenz des Lichtes beträgt typischerweise 10 bis 50 Hz. Die Wahl dieser relativ niedrigen Frequenz gestattet einerseits eine effiziente thermische Modulation durch Ein- und Ausschalten des Stromes der Infrarotstrahler, andererseits bewirkt der Umstand, dass die Grösse des photoakustischen Signales umgekehrt proportional zur Modulationsfrequenz ist, eine hohe Empfindlichkeit der Gasmessvorrichtung. One optical filter, 36 ', is adapted to the infrared absorption of CO2, i.e. it is permeable in the spectral range in which CO2 intensively absorbs radiation. The other optical filter, 36, is matched to HzO absorption. The modulation frequency of the light is typically 10 to 50 Hz. On the one hand, the selection of this relatively low frequency allows efficient thermal modulation by switching the current of the infrared radiators on and off, on the other hand, the fact that the size of the photoacoustic signal is inversely proportional to the modulation frequency, a high sensitivity of the gas measuring device.

Das zu analysierende Gas gelangt über die Gaszuleitung 11 und das Gaseinlassventil 39 in die durch das optische Filter 36 für H2O sensibilisierte Gasküvette 33. Über das Gasauslassventil 39', die Gasverbindungsleitung 11' und das Gaseinlassven-til 39" gelangt das Gas anschliessend in die zweite, durch das optische Filter 36' auf CO2 sensibilisierte Gasküvette Zelle 33'. Anschliessend kann das Gas die zweite Zelle über das Ventil 39'" und die Gasauslassleitung 11" verlassen. Die Ventile 39, 39', 39", 39'" sind im vorliegenden Fall wegen der niedrigen Modulationsfrequenz notwendig. (Erst bei der Wahl einer sehr hohen Modulationsfrequenz im kHz-Bereich und einem Betrieb der photoakustischen Gasküvetten in akustischer Resonanz könnte gegebenenfalls auf die Ventile verzichtet werden.) The gas to be analyzed passes via the gas supply line 11 and the gas inlet valve 39 into the gas cuvette 33 which is sensitized to H2O by the optical filter 36. The gas then reaches the second via the gas outlet valve 39 ', the gas connection line 11' and the gas inlet valve 39 " , Gas cuvette cell 33 'which is sensitized to CO2 by the optical filter 36'. The gas can then leave the second cell via the valve 39 '"and the gas outlet line 11". The valves 39, 39', 39 ", 39 '" are in the This case is necessary because of the low modulation frequency (the valves could only be omitted if a very high modulation frequency in the kHz range was selected and the photoacoustic gas cuvettes were operated in acoustic resonance).

Das aus dem Ventil 39'" austretende Gas wird entweder an die Umgebung abgegeben, was einer Messung im offenen System entspricht, oder über die Gasverbindungsleitung 16, die Gasumwälzpumpe 17, das Ventil 18 und die Gasrückleitung 16'wieder in die Blattküvette 3 zurückgeführt, entsprechend der Messung im geschlossenen System. The gas emerging from the valve 39 '"is either released into the environment, which corresponds to a measurement in an open system, or is returned via the gas connection line 16, the gas circulation pump 17, the valve 18 and the gas return line 16' to the leaf cuvette 3 accordingly measurement in a closed system.

In beiden Fällen werden vorerst die Blattküvette und die Analysatorküvette eine Zeitlang bei geöffneten Ventilen 39, 39', 39", 39'" gespült und anschliessend während der Messung die Gasströmung durch die photoakustischen Zellen 33, 33' durch Verschluss der Ventile unterbrochen. In both cases, the leaf cuvette and the analyzer cuvette are rinsed for a while with the valves 39, 39 ', 39 ", 39'" open and then the gas flow through the photoacoustic cells 33, 33 'is interrupted during the measurement by closing the valves.

Die Gasanalysen bezüglich H2O und CO2 werden in den Gasküvetten 33, 33' alternierend vorgenommen. Zunächst wird der Infrarotstrahler 35 betrieben. In der Gasküvette 33 baut sich ein der H20-Konzentration entsprechendes Schallsignal auf. Die Gasküvette 33 hat damit die Funktion eines photoakustischen Gasanalysators. Gleichzeitig wirkt der Raum der anderen Gasküvette 33' als ein, die akustischen Störungen reduzierendes, Referenzvolumen. Nach abgeschlossener H20-Ana!y-se wird der andere Infrarotstrahler 35' aktiviert. In der Gasküvette 33' wird nun die C02-Messung durchgeführt — die Gasküvette 33' ist damit photoakustischer Gasanalysator -, während die vorgängig benutzte Gasküvette 33 das Referenzvolumen darstellt. Wegen der wesentlich höheren Adsorp-tions- und Desorptionsfähigkeit von H2O im Vër-glelch zu derjenigen von CO2 an den Wandungen der Gasküvette 33, resp. 33' ist es angezeigt, zunächst die H20-Analyse vorzunehmen und erst anschliessend die C02-Bestimmung durchzuführen. The gas analyzes with regard to H2O and CO2 are carried out alternately in the gas cuvettes 33, 33 '. First, the infrared radiator 35 is operated. A sound signal corresponding to the H20 concentration builds up in the gas cuvette 33. The gas cuvette 33 thus has the function of a photoacoustic gas analyzer. At the same time, the space of the other gas cuvette 33 'acts as a reference volume that reduces acoustic interference. After H20-Ana! Y-se has been completed, the other infrared radiator 35 'is activated. The CO 2 measurement is now carried out in the gas cuvette 33 '- the gas cuvette 33' is thus a photoacoustic gas analyzer - while the gas cuvette 33 previously used represents the reference volume. Because of the significantly higher adsorption and desorption capacity of H2O in the Vër-glelch to that of CO2 on the walls of the gas cuvette 33, respectively. 33 ', it is advisable to first carry out the H20 analysis and only then to carry out the C02 determination.

Das Signal des Mikrophons 31 steht mit der elektronischen Steuer/-Messvorrichtung in Verbindung. In derselben wird eine Signalanalyse nach gängiger phasensensitiver Methode der Lock-in-Verstärkung oder der N-Pfad-Filtrierung vorgenommen. Als Referenzsignal zur Phasenmessung dient das Anregungssignal der intensitätsmodulier-ten Infrarotstrahler 35, 35' oder bei kontinuierlichem Betrieb der Infrarotstrahler dasjenige der Lichtunterbrecher 38,38'. The signal from the microphone 31 is connected to the electronic control / measuring device. In the same, a signal analysis is carried out according to the common phase-sensitive method of lock-in amplification or N-path filtering. The excitation signal of the intensity-modulated infrared emitters 35, 35 'or, in the case of continuous operation of the infrared emitters, that of the light interrupters 38, 38' serves as the reference signal for the phase measurement.

Claims

1. A method for measuring the concentrations of CO2 and / or H2O during the gas exchange of plants or plant components, in particular a leaf, hereinafter referred to as a leaf, characterized in that the leaf, which is wholly or partly enclosed in a leaf cuvette, is supplied with measuring gas, whereby A homogeneous gas mixture is set in the leaf cuvette and that the gas interacting with the leaf is analyzed with regard to the CO2 and possibly the H20 concentration using the photoacoustic gas measuring principle in the gas analyzer and the unit, consisting of the leaf cuvette and gas analyzer, during the gas analysis in the Hand can be held.

2. The method according to claim 1, characterized in that after the exchange of the gas, the two gas components GO2 and H2O are measured alternately.

5

10th

15

20th

25th

30th

35

40

45

50

55

60

65

5

G

CH 679 076 A5

10th

3. The method according to claim 1, characterized in that the measuring gas spraying the sheet is fresh gas, or circulates in a closed system.

4. Device for performing the method according to one of claims 1 to 3, consisting of a, the sheet to be examined (4) wholly or partially including a leaf cuvette (1), which is attached to a leaf tongs (2) provided with a locking mechanism, and a gas analyzer (3), characterized in that the gas analyzer (3) is mounted close to the leaf cuvette (1) on the leaf forceps (2).

5. The device according to claim 4, characterized in that the gas analyzer (3) is a photoacoustic double cuvette and consists of a symmetrically designed microphone (31) and two symmetrically arranged and formed gas cuvettes (33, 33 '), of which at least one with a radiation-permeable window (34, 34 ') is closed and allows intensity-modulated light of at least one infrared radiator (35, 35') after filtering by means of an optical filter (36, 36 ') into at least one of the gas cuvettes (33,33 ') can penetrate.

6. The device according to claim 5, characterized in that one of two infrared radiators (35, 35 ') is operated alternately, so that one of the two gas cuvettes (33, 33') has the function of a photoacoustic gas analyzer and the other represents the reference volume .

7. Device according to one of claims 5 or

6, characterized in that means (15) are provided which allow the light intensity of the infrared emitters (35, 35 ') to be modulated by varying the power supply, or that a first light interrupter (38) in the light beam between the first infrared emitter (35 ) and the first gas cuvette (33) and a second light interrupter (38 ') is arranged between the second infrared radiator (35') and the second gas cuvette (33 '), which modulates the light radiation penetrating into the gas cuvettes (33, 33') allowed.

8. Device according to one of claims 4 to

7, characterized in that the leaf cell

(I) can be supplied with fresh gas via a gas supply line (10), which is removed, for example, from a gas storage container (7) that the leaf cuvette (1) via a first gas connection line

(II) is connected to the gas analyzer (3) and the analyzed gas is released to the environment via a gas discharge line (11 "), or via a second gas connection line (16), a circulation pump (17) and via a valve (18) in the leaf cell (1) can be returned.

9. Device according to one of claims 7 or

8, characterized in that the fresh gas entering the leaf cuvette (1) via a gas supply line (10), respectively. the sample gas recirculated via a gas return line (16 '), via a gas distribution groove (22) and via nozzles (21) reaches the leaf cell space (23).

10. Device according to one of claims 4 to

9, characterized in that the optical filters (36, 36 ') are selected in such a way and that means (15)

for alternating operation of the two infrared radiators (35, 35 ') are present, so that CO2 and H2O can be measured alternately after the gas change.

11. Device according to one of claims 4 to 9, characterized in that an electronic control / measuring device (15) with a flow measuring device (9), with at least one light detector (12) and at least one gas temperature (13), respectively. a biological temperature sensor (14) is connected.

5

10th

15

20th

25th

30th

35

40

45

50

55

60

65