DE19963029A1 - Verfahren zur Messung des CO¶2¶-Gasstoffwechsels und der Transpiration von intakten Pflanzen mit Messanordnung und einem elektromagnetischen Ventil - Google Patents

Abstract

Zur Messung von Gasstoffwechselvorgängen an intakten Pflanzen wird Umgebungsluft in einem Analysator hinsichtlich ihrer CO¶2¶- und H¶2¶O-Konzentration gemessen und in die Gasstoffwechselkammer geleitet, in der der Gasaustausch stattfindet. Anschließend wird diese Luft in einem zweiten Analysator bezüglich der veränderten CO¶2¶- und H¶2¶O-Konzentration gemessen. In einem Auswertrechner werden die Messwerte beider Analysatoren nach der Differenzmethode ausgewertet. Für den Abgleichvorgang der Analysatoren und den Messvorgang werden u. a. Elektromagnetische 3/2-Wege-Ventile mit geringem Strömungswiderstand eingesetzt, deren Verstellglieder mit Dauermagneten bzw. mit impulserregten Magnetspulen betätigt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des CO₂- Gasstoffwechsels und der Transpiration von intakten Pflanzen sowie auf die Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens und auf ein dazu verwendetes Elektromagnetisches 3/2-Wege Ventil.

Für diesen Zweck sind schon mehrere Messanordnungen bekannt geworden. So zeigt die Zeichnung der DE 42 23 082 C2 auch eine tragbare Messanordnung, die jedoch zahlreiche Bauelemente benötigt und damit als tragbare Anordnung rela­ tiv schwer ausfällt; ferner benötigt diese Anordnung viel Energie und liefert - bedingt durch den Einsatz vieler Bauelemente und somit vieler Fehlerquellen - keine den heutigen Anforderungen entsprechende genauen Messergebnisse. Als Messmedium wird reine Luft mit definierten Gasanteilen verwendet. Für die H₂O- und CO₂-Analyse werden für jede Gasart getrennte Analysatoren verwen­ det, die beide hinter der Gasstoffwechselkammer hintereinander geschaltet sind. Die kontrollierte Durchflussrate der angemischten Luft ist beispielsweise durch die in der Gasstoffwechselkammer erfolgte Transpiration selbst erhöht, was in den hintereinander geschalteten Analysatoren nicht berücksichtigt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Austauschrate der wichtigsten Gase beim Gasaustausch zwischen Pflanze und Umgebungsluft mit großer Genauigkeit ermittelt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit dem Verfahren nach A1. Danach wird zunächst eine Luftmenge von 1 l/min aus der Umgebung der Pflanze verwendet, die die optimale Zufuhr von CO₂ aus der Luftmasse und eine ausreichende Ventilierung der Blattoberfläche in der Küvette für den Abbau anliegender Luftgrenzschich­ ten garantiert, die die Aufnahme von kleinen CO₂-Anteilen behindern könnten.

Für die Messung der Gaskonzentrationen werden nun zwei Analysatoren leich­ ter Bauart verwendet, die im Absolut-Modus arbeiten und in einem Gerät gleichzeitig den CO₂- und Wasserdampfgehalt im Luftstrom messen. Dadurch, dass der Luftstrom vor und hinter der Gasstoffwechselkammer gemessen wird, ergibt sich zunächst durch Überbrückung der Gasstoffwechselkammer die Mög­ lichkeit der Hintereinanderschaltung der Analysatoren, um beim Durchströmen der selben Umgebungsluft eventuell Messabweichungen der Analysatoren zu erfassen und diese bei der Auswertung zu berücksichtigen. Außerdem lässt sich durch Messung des Luftstromes vor und hinter der Gasstoffwechselkammer mittels der beiden Analysatoren die Veränderung des Luftstromes durch Diffe­ renzbildung der von den Analysatoren gelieferten Absolutwerte ohne großen Aufwand und relativ genau ermitteln.

Für eine genaue Messung des Gasaustausches der Pflanze ist es erforderlich, auch in der Gasstoffwechselkammer für das eingeschlossene Blatt die Luftbe­ dingungen des äußeren Umfeldes der Pflanze zu schaffen. Das gilt besonders für den Luftdruck, der sowohl beim Abgleichen der Analysatoren als auch beim Messvorgang durch den Strömungswiderstand der zwischengeschalteten Schalt­ ventile nachteilig beeinflusst werden könnte. Es werden deshalb Ventile mit ge­ ringem Strömungswiderstand eingesetzt.

Um diese Bedingungen zu erfüllen, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Messanordnung anzugeben, mit der sich als tragbare Einheit bei geringem Gewicht und Energieverbrauch der Bauelemente eine genaue Messmethode er­ reichen lässt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit der Messanordnung nach A2. Danach wird zu­ nächst ein batteriegespeister Infrarot-Gas-Analysator leichter Bauart verwendet, der in einem Luftstrom gleichzeitig die CO₂- und H₂O-Konzentration der einge­ pumpten Umgebungsluft misst. Am Ende der Messanordnung misst ein identi­ scher zweiter Gas-Analysator ebenfalls in einem Luftstrom gleichzeitig die aus der Gasstoffwechselkammer kommende Luft mit veränderten CO₂- und H₂O- Konzentrationen. Beide Messergebnisse liefern durch Differenzbildung in einem Auswertrechner den Messbetrag des erfolgten Gasaustausches in der Gasstoff wechselkammer. Damit die Messwertanzeigen beider Analysatoren bei densel­ ben Bedingungen übereinstimmen, können diese Bauelemente durch die Mess­ anordnung einfach und zuverlässig einander abgeglichen werden. Hierfür wer­ den 3/2-Wege Ventile verwendet, mit denen die abzugleichenden Analysatoren durch Umschaltung der Ventile hintereinander geschaltet werden können. Bei der Messung des eingepumpten Luftstromes, der beide Analysatoren durch­ strömt, können eventuelle Abweichungen der Messwertanzeige erfasst bzw. in Übereinstimmung gebracht werden.

Für eine genaue Messung der Gasaustauschrate spielt der Luftdruck eine we­ sentliche Rolle. Es werden daher Ventile mit geringen Strömungsverlusten ein­ gesetzt, der en Druckverluste kleiner als 1 mbar betragen. Darüber hinaus führt auch die Erwärmung der Ventile zu einer Messwertverfälschung.

Durch die europäische Patentanmeldung EP 0779458A2 ist ein elektromagne­ tisch betätigbares 3/2-Wege Ventil bekannt geworden. Es besteht aus einem rohrförmigen Spulenkörper bzw. Ventilkörper aus Kupfer, der für die Bildung einer Strömungsöffnung in der Mitte seiner Länge mit einem von seiner äußeren Rohrwandung weggerichteten Anschlussstutzen versehen ist. An den Enden des rohrförmigen Ventilkörpers befinden sich ebenfalls je ein weiterer Anschluss­ stutzen, dessen Innenseiten Ventilflächen bilden. Auf dem äußeren Mantel des Ventilkörpers sind zwei Magnetspulen angeordnet und in seinem Inneren ist ein als Verschluss dienender Anker axial verschieblich angeordnet, der mittig wal­ zenförmig ausgebildet ist und an seinen Enden jeweils quaderförmige Gleit- und Dichtungsstempel trägt, die mit ihren abgerundeten Ecken an der inneren Wand des Ventilkörpers gleiten und zwischen ihren geraden Seiten und der inneren Wand des Ventilkörpers den Strömungsweg zu den Anschlussstutzen bilden.

Dieses bekannte Magnetventil benötigt für eine satte Haftung seiner Schließkör­ per an den Ventilöffnungen große magnetische Kräfte, die von Ringspulen nur mit einer entsprechend großen Länge aufgebracht werden können. Dadurch er­ geben sich für die Verstellglieder und das Magnetventil insgesamt große Län­ genabmessungen und Gewichte. Die Strömungswege führen deshalb über lange Verstellglieder, wodurch sich der Strömungswiderstand vergrößert. Für die Ver­ stellung und Verschließung der Ventilöffnungen stehen die Magnetspulen alter­ nativ unter Dauerstrom, um den Magnetkreis für die Haftung der Verstellglieder kontinuierlich aufrecht zu erhalten. Dadurch ergibt sich ein hoher Energiever­ brauch und eine entsprechende Erwärmung der Strömungswege. Ein Ventil mit diesen Eigenschaften ist daher für einen Einsatz in einer tragbaren, batteriege­ speisten Messanordnung zum Messen von kleinen Gaskonzentrationen nicht ge­ eignet.

Der Erfindung liegt daher eine weitere Aufgabe zu Grunde, ein Ventil zu schaf­ fen, dessen Strömungswege einen geringen Druckverlust aufweisen, ihre Mate­ rialien keinen Wasserdampf und kein Kohlendioxid aufnehmen und im Be­ triebszustand sich nicht erwärmen und das für Batteriebetrieb geeignet und von leichter Bauart ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das in A3 beschriebene Ventil. Danach bietet es drei Luftanschlüsse für zwei alternativ einschaltbare Strömungswege über Anschlussstutzen, die einenends Ventilflächen besitzen und daher für eine pass­ gerechte und axial ausgerichtete Einsetzung in den Spulenkörper an diesem an­ flanschbar sind. Der Spulenkörper ist aus Gewichtsgründen und wegen der For­ derung kein Wasser aufzunehmen aus Kunststoff gefertigt. Um eine Wärmeent­ wicklung im Spulenkörper durch die Magnetspulen zu vermeiden, werden die Magnetspulen lediglich durch einen Stromimpuls von ca. 1 sec erregt, um das verschieblich angeordnete Verstellglied im Spulenkörper zu einer Schaltstel­ lungsändenmg zu bewegen bzw. von seiner Schließstellung loszureißen. Für den Strömungsöffnungsverschluss sorgt das als Anker ausgebildete Verstellglied. Es setzt sich aus einem mittig angeordneten Dauermagneten mit einer zylindrischen Schutzhülle und stirnseitig angeordneten magnetischen Dichtungsstempeln zu­ sammen. Die Anziehungskraft des Dauermagneten ist so bemessen, dass einer­ seits zwischen dem Dichtungsstempel des Ankers und der Ventilfläche des An­ schlussstutzens eine ausreichende Haftung in der Schließstellung bei einem Gasdruck von 1 bar und einem Luftspalt zwischen der Dichtung von 0,15 mm erreicht wird und dass andererseits das Verstellglied durch die kurzzeitig erregte Magnetspule aus der Schließstellung noch losreißbar ist. Die Magnetspulen werden nur impulsmäßig bestromt, sie brauchen für diesen Zweck nicht für Dauerbetrieb ausgelegt zu werden. Die erforderliche magnetische Kraft ist daher auch mit einer Magnetspule von geringer Länge erreichbar. Der Dauermagnet im Verstellglied besteht aus einem besonderen Sinterwerkstoff, der sich durch seine Entmagnetisierungsfestigkeit und sein starkes Magnetfeld auszeichnet.

Zur Verstärkung der magnetischen Flüsse im System sind die Anschlussstutzen und die Haltewinkel magnetisch leitend ausgebildet, wobei die Verschwenkbar­ keit des Ventilkörpers in den Haltewinkeln die Verschlauchung der Messanord­ nung vereinfacht.

Die Auflageschenkel der Haltewinkel sind beabstandet angeordnet, sie bilden einen Luftspalt und unterbrechen den Eisenrückschluss für die Magnetsysteme. Dieser Luftspalt dient der Einjustierung des Magnetsystems im Zusammenhang mit dem Öffnungsabstand zwischen Dichtungsstempel und Ventilfläche, denn ein zu kleiner Öffnungsabstand im Spulenkörper verringert die Haftkraft des Dauermagneten auf der gegenüberliegenden Seite in der Schließstellung und ein zu großer Öffnungsabstand vergrößert den Gasweg im Ventil.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele zur Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild der Messanordnung,

Fig. 2 ein 3/2-Wege Ventil im Längsschnitt,

Fig. 3 das 3/2-Wege Ventil in einem Querschnitt,

In der Fig. 1 ist mit 1 eine elektronisch geregelte Pumpe bezeichnet, die 1 l/min Luft aus der Umgebung der zu untersuchenden Pflanze über ein Filter 2 in einen ersten Absolut-Analysator 3 pumpt, der gleichzeitig die CO₂- und H₂O- Konzentrationen der eingepumpten Luft misst. Von dort wird die Luft in ein 3/2-Wege Ventil 4 (3 Anschlüsse für 2 Wege) geleitet, das je nach Schaltstel­ lung entweder die Referenzgasleitung 5 oder die Messleitung 6, die noch über die Gasstoffwechselkammer 7 führt, öffnet, um die Luft in die entsprechenden Öffnungen eines zweiten 3/2-Wege Ventils 8 zu leiten, die dann in einem zweiten, dem ersten identischen Absolut-Analysator 9 nochmals gemessen und schließlich ins Freie abgeblasen wird. Die für den Betrieb der Anordnung erfor­ derliche Energiequelle sowie das Elko-Entladungssystem für den Betrieb der Ventile sind nicht dargestellt. Dasselbe gilt für den Auswertrechner, der das Messergebnis liefert.

Bei dem 3/2-Wege Ventil, das gemäß Fig. 2 mit doppelten Abmessungen ver­ größert dargestellt ist, wird mit der Bezugszahl 10 der rohrförmige Spulenkörper aus Kunststoff bezeichnet, an dessen äußerer Mantelfläche mittig und quer zur Spulenkörperachse ein erster Anschlussstutzen 11 angesetzt ist. In den axialen Öffnungen des Spulenkörpers 10 sind jeweils zwei weitere Anschlussstutzen 12 und 13 passgerecht eingesetzt und an Flanschen des Spulenkörpers 10 befestigt. Die eine innere Stirnseite des Anschlussstutzens 12 und 13 ist jeweils als Ven­ tilfläche 14 und 15 bzw. als eben ausgebildete Anlagefläche ausgebildet, auf der Dichtungsringe entweder als O-förmige Ringe in Ausfräsungen versenkt ange­ ordnet oder als Flachringe mit rechteckförmigem Querschnitt zentrisch zu den Durchgangsöffnungen befestigt sind. Sie definieren den Schließ-Luftspalt. Zwi­ schen den Flanschen des Spulenkörpers 10 sind zwei Magnetspulen 16 und 17 angeordnet. Im Inneren des Spulenkörpers ist das Verschlussteil verschieblich angeordnet. Dieses setzt sich zusammen aus einem walzenförmigen Dauerma­ gneten 18, der von einer Schutzhülle 19 aus nichtmagnetischem Edelstahl um­ fasst wird. An seinen beiden Enden sind quaderförmige Gleit- und Dichtungs­ stempel 20 und 21 befestigt, deren abgerundete Ecken an der inneren Wand 22 des Spulenkörpers 10 gleiten. Zwischen seinen geraden Seiten 23 und der Wand 22 wird über den Öffnungsabstand x der Strömungsweg zu den Anschlussstut­ zen 12 und 13 gebildet. Die frei aus dem Spulenkörper 10 herausragenden En­ den der magnetisch leitenden Anschlussstutzen 12 und 13 sind in Bohrungen aus magnetischem Material bestehenden Haltewinkeln 24 und 25 verschwenkbar gelagert, um den magnetischen Kreis des Systems zu verstärken und die Ver­ schlauchung zu vereinfachen. Zur Arretierung des Ventils sind Schrauben 26 und 27 vorgesehen. Der Luftspalt y zwischen den Auflageschenkeln der Halte­ winkel 24 und 25 dient Justierungsmaßnahmen, er beeinflusst den Eisenrück­ schluss und damit die Haftkraft der Magnetelemente.

Claims (5)

1. Verfahren zur Messung von CO₂-Gasstoffwechselvorgängen und der Tran­ spiration von intakten Pflanzen am natürlichen Standort, bei dem gefilterte Luft des Pflanzenstandortes verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass 1 l/min Luft aus der Umgebung der Pflanze in einem ersten Absolut- Analysator (3) gepumpt wird, der die CO₂- und H₂O-Konzentrationen der eingepumpten Luft gleichzeitig misst, die dann über ein erstes Ventil (4) mit sehr geringem Strömungswiderstand über eine Gasstoffwechselkammer (7) und über ein zweites Ventil (8) mit sehr geringem Strömungswiderstand in einen zweiten Absolut-Analysator (9) geleitet wird, der in Bezug auf eventu­ elle Messabweichungen mit dem ersten Absolut-Analysator (3) abgeglichen wird und der die aus der Gasstoffwechselkammer (7) kommende, hinsichtlich der CO₂- und H₂O-Konzentrationen veränderte Luft misst und dass dann die Messergebnisse des ersten (3) und zweiten Absolut-Analysators (9) einem Auswertrechner zugeführt werden, der nach dem Differenzverfahren die CO₂-Austausch- und Transpirationsrate des in der Gasstoffwechselkammer (7) eingeschlossenen Pflanzenteils liefert.

2. Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach A1, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronisch regelbare Pumpe (1) 1 l/min Aussenluft über ein Filter (2) in einen ersten Absolut-Analysator (3) pumpt, der sowohl die CO₂- als auch die H₂O-Konzentration der Aussenluft misst, die anschließend einem ersten 3/2-Wege Ventil (4) zugeführt wird, dessen erster Gasausgang mit ei­ ner Abgleichleitung (5) und dessen zweiter Gasausgang mit einer durch die Gasstoffwechselkammer (7) führenden Messleitung (6) verbunden ist, dass Abgleich- (5) und Messleitung (6) an je einer Gaseingangsöffnung eines zweiten 3/2-Wege Ventils (8) angeschlossen sind und dass der Gasausgang dieses zweiten Ventils (8) mit einem zweiten, dem ersten (3) identischen Absolut-Analysator (9) verbunden ist.

3. Elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wege Ventil für den Einsatz in der An­ ordnung nach A2, bestehend aus einem rohrförmigen Spulenkörper (10) aus nichtmagnetischem Material, der für die Bildung einer Strömungsöffnung in der Mitte seiner Länge mit einem von seiner äußeren Rohrwand weggerichteten ersten An­ schlussstutzen (11) versehen ist und an dessen stirnseitigen Enden sich je­ weils ein weiterer Anschlussstutzen (12, 13) befindet, dessen stirnseitigen Innenseiten als Ventilflächen (14, 15) ausgebildet sind und bei dem ferner auf der äußeren Rohrwand des Spulenkörpers (10) zwei Magnetspulen (16, 17) angeordnet sind und im Inneren des Spulenkörpers (10) ein als Ver­ schlussteil dienender Anker axial verschieblich geführt ist, der mittig walzen­ förmig ausgebildet ist und an seinen Enden jeweils quaderförmige Gleit- und Dichtungsstempel (20, 21) trägt, die mit ihren abgerundeten Ecken an der in­ neren Wand (22) des Spulenkörpers (10) gleiten und zwischen ihren geraden Seiten (23) und der inneren Wand (22) des Spulenkörpers (10) über den Öff­ nungsabstand (x) den Strömungsweg zu den Anschlussstutzen (12, 13) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Enden des aus Kunststoff bestehenden Spulenkörpers (10) flanschartig ausgebildet sind, um einerseits die zwei mit relativ kurzen Längenabmessungen ausgebildeten Magnetspulen (16, 17) einzubetten und andererseits Befestigungsflächen, für die zwei weiteren Anschlussstutzen (12, 13) zu bilden, damit deren ebene Ventilflächen (14, 15) mit ihren Dichtungs­ ringen passgerecht und axial ausgerichtet an den Enden des Spulenkörpers (10) einsetzbar sind, dass lediglich zur Schaltstellungsveränderung des An­ kers die Magnetspulen (16, 17) kurzzeitig durch einen von einem batteriege­ speisten Elko-Entladungssystem kommenden Stromimpuls von 1 sec alter­ nativ erregt werden, dass der walzenförmige Teil des Ankers ein entmagneti­ sierungsfester und aus einem Hochenergie-Magnetwerkstoff bestehender Dauermagnet (18) ist, dessen Mantelfläche von einem nichtmagnetischen Edelstahlrohr (19) umhüllt ist und an dessen beiden Enden je ein Gleit- und Dichtungsstempel (20, 21) aus magnetischem Edelstahl mit ebenen Anlage­ flächen angebracht sind und dass die axial aus dem Spulenkörper (10) frei herausragenden Enden der angeflanschten magnetisch leitenden Anschluss­ stutzen (12, 13) in Bohrungen von aus magnetischem Material bestehenden Haltewinkeln (24, 25) verschwenkbar und feststellbar gelagert sind, die au­ ßerdem über die Anschlussstutzen (12, 13) den Eisenrückschluss für die Ma­ gnetflüsse bilden.

4. Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach A3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ausfräsung der ebenen Ventilfläche (14, 15) ein O-förmiger Dichtungsring versenkt angeordnet ist.

5. Elektromagnetisch betätigbares Ventil nach A3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ebenen Ventilfläche (14, 15) ein Dichtungsring mit rechtecki­ gem Querschnitt angebracht ist, der außerdem den Luftspalt zwischen Dich­ tungsstempel (20, 21) und der Ventilfläche (14, 15) im Schließzustand defi­ niert.