DE4010210C2

DE4010210C2 -

Info

Publication number: DE4010210C2
Application number: DE4010210A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Detlef Prof. Dr. 8580 Bayreuth De Schulze
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1992-09-10
Also published as: DE9003707U1; DE4010210A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der transportierten Menge an Nährstoffflüssigkeit durch das Xylem in einem Baumstamm gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Erfindung geht von einem bekannten Verfahren zur Messung der transportierten Menge an Nährstoffflüssigkeit durch das Xylem in einem Baumstamm aus, bei dem durch Erhöhung der Stammtemperatur um eine bekannte Temperaturdifferenz in einem Baumsegment gegenüber der natürlichen Stammtemperatur, also der Temperatur in dem nichtbeheizten Stammbereich, die Menge der transportierten Nährstoffflüssigkeit festgestellt wird, wobei die erforderliche Heizleistung, die dem Stamm über Elektroden zugeführt wird, ein proportionales Maß der Flußrate darstellt. Unter Berücksichtigung der Temperaturdifferenz (z. B. 1°C) und der Leistungsaufnahme zur Erzielung dieser Temperaturerhöhung ist die Flußmenge, die z. B. während eines gesamten Tages durch das Xylem des Baumstammes aufsteigt, bestimmbar. Dieses bekannte Verfahren ist in der Zeitschrift "Oecologia" 1985, Seiten 475 bis 483, und 1988, Seiten 519 bis 524, beschrieben. Auf der Seite 520, linke Spalte, 3. Abs., dieser Druckschrift ist weiterhin angegeben, als passive Heizvorrichtung in einem Bausegment im Meßbereich des Baumstammes oder des Baumastes Elektroden einzuschlagen, einen elektronischen Regler vorzusehen und darüber die Spannung an den Elektroden zu variieren. Weiterhin sind Temperatursensoren in dem Meßbereich angeordnet, die elektrische Signale erzeugen, die den Eingängen des Reglers und einer Auswerteschaltung zur Messung des Temperaturgradianten zugeführt sind.

Ferner ist aus dem Fachbuch von Harry L. Helms "ELEKTRONICS APPLICATIONS SOURCEBOOK", 1986 EDITION, Volume 1, McGRAW-HILL BOOK COMPANY, Seiten BB-4, BB-5 ein Proportionalregler für eine Heizvorrichtung bekannt, bei dem mittels Temperatursensoren die Temperaturen an der Heizvorrichtung erfaßt werden. Der Proportionalregler besteht aus einem geregelten Stromgenerator, über den ein den Heizstrom steuernder elektronischer Schalter gesteuert wird. Die Temperatursensoren, ein nachgeschalteter Integrator und ein Pulsbreiten-Modulator sowie die Heizvorrichtung mit dem elektronischen Schalter sind dabei galvanisch miteinander verbunden.

In der gleichen Druckschrift, auf den Seiten BB-47 bis BB-50, ist der Einsatz von optischen Kopplern zur galvanischen Trennung und zur Verhinderung von Störungen in digitalen Systemen angegeben. Solche Optokoppler, insbesondere für Interface-Schaltungen, werden in Computern und Telefonen für die Ankopplung an Netze eingesetzt.

Des weiteren ist aus der US-PS 47 45 805 eine Elektrode mit einer Heizspule bekannt. Zur Erwärmung des Xylems wird diese Elektrode in eine Bohrung in einem Baumstamm eingesetzt. Innerhalb der Elektrode ist zugleich ein Temperaturfühler vorgesehen. Sämtliche Zuleitungen und die Temperaturfühlerleitungen sind direkt mit einem Regel- und Temperaturverlaufsanzeigegerät verbunden.

Ausgehend von dem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung eingangs genannter Art anzugeben, die eine erdstromfreie Messung der Temperaturen und durch eine exakte und stromsparende Regelung der Heizleistung eine genauere Bestimmung der Flußmenge durch kontinuierliche Messung im Freiland ermöglicht als das bekannte Verfahren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie geeignete Ausgestaltungsformen der Heizvorrichtung und deren Regulation sind in den Unteransprüchen im einzelnen angegeben.

Der Massenfluß im Xylem des Baumstammes ist nicht kontinuierlich, sondern weist im allgemeinen eine hohe Zeitkonstante auf (Minuten bis Stunden), die sich aber unter Umständen rasch verkürzen kann (Sekunden bis Minuten). Dies insbesondere dann, wenn plötzlich Wetterveränderungen eintreten, wie Regen oder erhöhte Sonneneinstrahlung. Die durch das Xylem beförderte Nährstoffflüssigkeit dient zum einen zur Ernährung der Pflanze und führt die Stoffe für das Wachstum heran, zum anderen befördert es die Wassermenge, die durch Verdunstung über die Kronen ausgeschieden wird. Der Volumenfluß ist also am Tage wesentlich höher als in der Nacht.

Die eingesetzte Einrichtung nach der Erfindung wird den Anforderungen im Hinblick auf die hohe Zeitkonstante des zu steuernden Meßvorganges und der sich möglicherweise plötzlich verkürzenden Zeitkonstante durch den eingesetzten langsam arbeitenden und überschwingfreien Regler, wie einem PI-Regler, für die Stromversorungsquelle der Heizvorrichtung gerecht. Eine pulsmodulierte Anlegung eines Wechselstromes, entweder an die Elektrodenanordnung bei einer passiven Anordnung oder bei einer aktiven an die Heizspule oder aber auch an die Ultraschallgebereinrichtung, stellt eine stromsparende Art der Leistungsübertragung dar, so daß insbesondere im Feld eine solche Meßanlage auch aus einer Batterie, z. B. aus einem wieder aufladbaren Akkumulator wie er für Kraftfahrzeuge verwendet wird, eingesetzt werden kann. Für diesen Fall ist es notwendig, daß zur Erzeugung des Wechselstromes ein Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler vorgesehen ist, der von dem Regler (PI- oder PID-Regler) derart gesteuert wird, daß die abgegebene Leistung an die die Erwärmung im Stamm erzeugenden Einrichtungen so geändert wird, daß eine gewünschte Differenzsolltemperatur gegenüber der natürlichen Temperatur im Stamm erreicht wird. Die Spannung beträgt ca. 100 V. Die Verwendung eines überschwingungsbefreiten langsam arbeitenden Reglers für die Stromversorungsquelle ist für die Messung unerläßlich, da aus Kompensationsgründen die Sprungantwort des Reglers möglichst von Überschwingungen befreit sein muß.

Die Erwärmung im Meßbereich kann aber auch anstelle durch Pulsmodulation, bei der der Wechselstrom über eine längere oder kürzere Zeit an die die Erwärmung bewirkenden Anordnungen am Baum angelegt wird, durch unmittelbare Frequenzveränderung des Wechselstromes an den Elektroden oder in der Heizspule und/oder durch Erhöhung der Spannung vorgenommen werden. Dasselbe trifft prinzipiell auch bei der Anwendung von Ultraschallwellen zur Erwärmung zu, die von einem Ultraschallwellengeber, z. B. einer kleinen Leistungskapsel, der vorzugsweise in Bohrungen im Baum eingesetzt ist, erzeugt werden. Dann muß jedoch erst die Resonanzfrequenz im Xylem ermittelt werden, was z. B. durch Temperaturbeobachtung beim gleichzeitigen Wobbeln der Ultraschallquelle möglich ist. Wird bei einer bestimmten Frequenz ein Temperaturanstieg festgestellt, so wird diese festgehalten. Es können aber auch die Schallquellen unmittelbar außen auf dem Baum aufgesetzt werden, so daß die durchdringenden Schallwellen ebenfalls zu einer gewünschten geringfügigen Erwärmung in dem Xylem führen. Als Wärmequelle kann auch ein Mikrowellengenerator verwendet werden, wobei die benötigte geringe Leistung zum einen durch Einstellung einer geringen Leistung des Mikrowellengenerators erzielbar ist und zum anderen durch eine pulsbreitengesteuerte Anschaltung der Mikrowellen an die Elektrodenanordnung. Wichtig ist dabei, daß die Messung der Temperatur in dem Xylem zum einen in der beheizten Zone und zum anderen in der unbeheizten Zone, auf die Erde bezogen, rückkopplungsfrei erfolgt, um ein Verfälschen des Meßergebnisses zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist die galvanische Entkopplung der Meßsensoren und der diesen unmittelbar nachfolgenden Verstärker- und Signalumsetzeinheit zum Umsetzen der Thermospannung auf ein äquivalentes frequenzmoduliertes oder digitalisiertes Signal nötig.

Bei der angewandten Meßmethode wird z. B. mit der Einrichtung ein Stammsegment oder Astsegment unterhalb der Baumkrone thermoelektrisch um eine bestimmte vorwählbare Temperatur, z. B. 1°C, über die natürliche Stamm- oder Asttemperatur aufgeheizt. Das wasser- und ionenhaltige Stammxylemgewebe wirkt dabei als variabler Heizwiderstand und führt bei angelegtem Wechselstrom oder pulsmodulierter Spannung zwischen mehreren im Stamm eingeschlagenen Elektroden, z. B. Stahlplattenelektroden, zur Erwärmung des Gewebes, wobei durch den Wechselstrom oder die Pulsmodulation eine Ionenwanderung vermieden wird. Die Heizelektroden erhalten nur passiv über das Gewebe Wärmezufuhr und sind daher nicht wärmer als das sie umgebende Gewebe. Anders verhält sich dies, wenn eine Heizspule eingesetzt wird, bei der im Bereich der Heizspule eine wärmere Zone entsteht, als in entfernteren Bereichen. Aber auch hier ist durch Einbringung mehrerer Heizspulen erreichbar, daß eine angenähert gleiche Temperatur im Xylem im Bereich der Heizspulen erzielt wird. Die Art der Stromzufuhr hat den Vorteil, daß Anlagerungen von Ionen an den Heizelektroden und physiologische Effekte durch Temperaturgradienten auszuschließen sind. Die Heizung des Stamm- oder Astsegmentes erfolgt über mehrere, vorzugsweise fünf, vertikal und parallel in das Holz eingeschlagene Stahlplatten (10×70×1 mm, V4A Stahl), an die ein Wechselstrom (100 bis 1000 Hz variabel) mittels einer regelbaren Stromversorgungsquelle angelegt wird. Die Heizleistung wird dabei getaktet angelegt. Es kann aber auch eine pulsmodulierte Gleichspannung an die Elektroden gelegt werden, deren Pulsbreite geregelt wird. Es ist auch möglich, die Frequenz des Wechselstromes unmittelbar zu verändern, um darüber eine bestimmte Heizleistungsabgabe zu erzielen, die erforderlich ist, um die Temperaturerhöhung von z. B. 1°C zu erreichen. Durch die Pulsmodulation wird die Leistungsaufnahme der Heizvorrichtung sehr gering. Zugleich wird über den PID-Regler erreicht, daß die Temperatur konstant aufrechterhalten wird. Nach Abzug der stets vorhandenen Wärmeverluste im Stammgewebe durch Konduktion entspricht die zugeführte Wärmemenge über die Heizelektroden der Energie, die benötigt wird, um die Nährflüssigkeit im Xylem um die jeweilige Temperaturdifferenz (z. B. 1°C) zu erwärmen. Diese Leistung ist proportional dem augenblicklichen Massenfluß durch das Xylem. Die spezifische Wärmekapazität des Wassers beträgt 4.186.8 J K^-1 kg^-1 bei 15°C, so daß sich hieraus der unmittelbare Zusammenhang zwischen zugeführter Leistung und Massenfluß ergibt.

Die Temperaturdifferenz zwischen dem beheizten Stammgewebe und dem erwärmten Stammsegment wird durch zwei in Serie hintereinandergeschaltete Thermoelementblockanordnungen mit je vier Temperatursensoren gemessen. Die Temperaturelemente sind zweckmäßigerweise so angeordnet, daß eine Temperaturerhöhung an der Oberkante der Heizelektroden, also am wärmsten Punkt, zu einer positiven Thermospannung führt.

Durch die Anordnung der Temperatursensoren werden gleichzeitig horizontal und vertikal am Stamm auftretende natürliche Temperaturgradienten kompensiert.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die Temperatursensoren aus Kupfer-Konstantan (T/C wire, 0,1 mm) zu verwenden. Diese werden z. B. mittels Schrumpfschlauch isoliert oder in Giesharz, z. B. Protolin, in Hohlnadeln, z. B. Spritzennadeln (Durchmesser 1,8 mm, Länge 50 mm), eingegossen. Die Spitzen der Nadeln sind zweckmäßigerweise hartverlötet und konisch angeschliffen, so daß sie in die Baumrinde eingeführt werden können. Die Thermospannung wird am Stamm in einem Verstärker in ein Stromsignal zur störungsfreien Übertragung zum Regler umgewandelt. Die Ankopplung erfolgt galvanisch getrennt, z. B. mittels Optokoppler. Als Meßdaten stehen die die Thermospannung wiedergebenden digitalen oder analogen Werte an sowie die gemessene Heizleistung. Diese können auf einem Mehrkanalpunktschreiber parallel aufgezeichnet und ausgewertet werden. Liegen die erfaßten Daten digitalisiert vor, so können sie von einem Computer nach einem eingegebenen Programm ausgewertet werden. Es ist aber auch möglich, die digitalen Werte, die z. B. mittels eines Daten- Loggers jeweils erfaßt werden, zu speichern und unmittelbar von einem Computer nach einem eingeschriebenen Programm auswerten zu lassen, um durch eine Hochrechnung die Massenflußrate in dem Stamm bestimmen zu können. Die gemessene Massenflußrate der Nährstoffflüssigkeit im Xylem des Baumes Q_rec wird aus dem betrachteten Zeitintervall Z, z. B. während eines Tages, nach Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang, der spezifischen Wärmekapazität von Wasser c_w und der aufgewendeten Heizleistung P zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperaturdifferenz T zwischen den Punkten der Sensoren nach folgender Gleichung berechnet:

Dabei bedeuten:

Q_rec = Aufgezeichneter Xylemwassermassenfluß (kg H₂O s^-1)
P = Heizleistung der Elektroden (J s^-1)
Z = Zeitintervall (s)
c_w = Spez. Wärmekapazität von Wasser (J K^-1 kg^-1)
T = Konstante Temperaturdifferenz (K)

Eine Hochrechnung auf den Massenfluß im Stamm erfolgt über das Verhältnis von beheiztem Sektor S zum Gesamtumfang des Stammes 0 durch die dimensionslose Größe K nach folgender Formel:

K = Umrechnungsfaktor vom Heizsegment auf den Stamm
O = Umfang des Stammes in Höhe der Heizelektroden (mm)
S = Abstand zwischen den beiden äußersten Heizelektroden (mm)

Aus dem gemessenen Wassermassenfluß Q_rec wird durch Subtraktion der dabei stets auftretenden Wärmeverluste an das umliegende Gewebe (Q_fic) der tatsächliche Wasserfluß durch den Stamm Q_tree berechnet:

Q_tree = Q_rec - Q_fic

Der gemessene fiktive Wasserfluß, also der Wärmefluß durch Konduktion im Stammgewebe, ist wegen der konstanten Temperaturdifferenz ebenfalls konstant und wird während der späten Nachtstunden und bei einem Dampfdruckdefizit der Umgebungsluft von 0 Pa kPa^-1, z. B. bei Regen, ermittelt, da dann keine Transpiration und kein Auffüllen des Stammspeichers mehr stattfindet. Die Berechnung von Q_fic erfolgt analog den Gleichungen 1 und 2. All dies kann durch ein eingegebenes Programm im Rechner automatisch berücksichtigt werden.

Es hat sich gezeigt, daß die Zeitkonstante der Meßeinrichtung nach dem Einschwingen des Reglers im Minutenbereich liegt. Grundsätzlich ist es möglich, die Steuerung der Heizvorrichtung und der sie speisenden Stromversorgungsquelle digital vorzunehmen, wenn entsprechende Steuereinrichtungen in der Heizvorrichtung vorhanden sind. Dies ermöglicht die Anwendung eines Zentralcomputers, wenn z. B. mehrere Meßstellen benachbarter Bäume gleichzeitig erfaßt werden sollen. Der Computer kann sodann von den verschiedenen Temperatursensoren die Augenblickswerte zyklisch abfragen, auswerten und die entsprechenden Steuergrößen zur Beeinflussung der Wechselstromgeneratoren ausgeben, damit die gewünschte Temperaturdifferenzerhöhung gegenüber der natürlichen Temperatur im Xylem erzielt wird, um aus der Differenzmeßmethode über die aufzuwendende Heizleistung wiederum unmittelbar vom Computer die augenblickliche Flußrate ermitteln zu können. Daraus abgeleitet errechnet dann der Rechner mittels des eingeschriebenen Programmes die Menge der aufsteigenden Nährflüssigkeit während eines Zeitraumes, z. B. während eines gesamten Tages. In weiterer Ausgestaltung ist es aber auch möglich, die Augenblickswerte der Temperatur und die abgegebene Leistung in einem Speicherbaustein der Einrichtung abzuspeichern und die Werte zyklisch von einem Computer abzufragen oder einmalig nach Beendigung der Messung, z. B. eines Tagesablaufes, auszulesen und auszuwerten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels einer Einrichtung und deren Einsatz näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes,

Fig. 2 eine Anordnung der Elektroden und der Meßstellen,

Fig. 3 einen Zeitablauf einer Meßperiode über einen Tag und

Fig. 4 die Gegenüberstellung der gemessenen Temperatur der elektrischen Heizleistung und der Flußrate in einem Baum, die proportional zur elektrischen Leistung verläuft.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird davon ausgegangen, daß die Aufheizung der beheizten Baumsegmentzonen mittels Elektroden in Form von Stahlplatten erfolgt. Beispielhaft sind nur zwei Elektroden 1a und 1b dargestellt. Diese Elektroden 1a und 1b werden von einem Stromgenerator 2 gespeist, und zwar über einen eine Pulsmodulation bewirkenden Schalter 3, der in die Stromversorgungsleitung geschaltet ist und von einem Regler 4, einem PID-Regler, pulsweise mit einer variablen Frequenz von z. B. 100 Hz bis 1000 Hz leitend geschaltet wird, so daß über die Pulsfrequenz gezielt eine Heizleistung an die Elektroden 1a und 1b abgegeben werden kann, um die gewünschte Temperaturerhöhung in dem Stamm gegenüber der natürlichen Temperatur des Stammes zu erreichen. Die Spannung beträgt z. B. 100 V. Die abgegebene Leistung wird mittels des Leistungsmessers 5 ermittelt und einer Auswerteschaltung 6 zugeführt. Es kann aber auch parallel dazu eine Anzeige der augenblicklichen Leistung erfolgen. Auch können diese Werte auf einen Analog- oder Digitalschreiber bei Anliegen einer digitalisierten Leistungsangabe aufgezeichnet werden. Die Temperatur im Stamm wird mittels der Temperatursensoren 7 und 8 ermittelt. Zum einen sind Temperatursensoren 7 für die Ermittlung der Temperatur im nichtbeheizten Meßbereich und Temperatursensoren 8 zur Ermittlung des beheizten Temperaturbereiches vorgesehen. Die Temperatursensoren bestehen zweckmäßigerweise aus Thermoelementen der im vorherigen Abschnitt beschriebenen Art. Die temperaturabhängige Thermospannung wird mittels der Verstärker 9 und 10 verstärkt. Diese Verstärker weisen zugleich eine Umsetzeinheit auf, die analoge Temperaturspannungen in ein übertragbares Signal umsetzt, z. B. in ein Frequenzsignal oder in ein Digitalwort, das jeweils die Temperatur angibt. Diese digitalisierten Signale oder Frequenzsignale werden moduliert oder unmoduliert über Optokoppler 11 und 12 erdfrei an die Meßeingänge des Reglers 4 übertragen. Zugleich werden sie aber auch an die Meßeingänge der Auswerteschaltung 6 gelegt. Anhand der Temperaturvorgaben ermittelt der PID-Regler eine Stellgröße, mittels der die Schalter der Schalteinrichtung 3 gesteuert werden. Um die Anlage autark betreiben zu können, ist es möglich, den Wechselstromgenerator und die weiterhin nicht dargestellten Stromversorgungsleitungen für den PID-Regler und die Schalteinrichtung und auch für die Auswerteschaltung von einer Batterie 13 zu speisen, z. B. einem Akkumulator, wie er in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Daneben kann aber auch durch entsprechend vorgesehene Zwischenschalter 16 der Generator 2 an ein Wechselstromnetz 14 angeschaltet werden, wenn die entsprechenden Vorrichtungen hierfür vorgesehen sind. Die zwischengeordneten Schalter 15 und 16 werden dabei jeweils wechselweise angeschaltet, so daß die Einrichtung an die jeweilige Stromquelle angeschlossen wird.

Ein Schema der Anordnung der Elektroden und der Meßpunkte ist aus Fig. 2 ersichtlich. Verwendet werden fünf vertikal angeordnete Elektroden mit den Bezugszeichen 21, 22, 23, 24 und 25. Diese sind vertikal und parallel in das Holz eingeschlagen und bestehen z. B. aus Stahlplatten 10×70× 1 mm, z. B. aus V4A Stahl. Die Verbindungsleitungen dieser Elektroden zur Stromversorgungseinheit sind nicht dargestellt. Der Zwischenraum zwischen den Elektroden beträgt z. B. 15 mm. Die zwei Thermoelemente C und E sind oberhalb der Elektroden 22 und 23 angeordnet, so daß eine Temperaturerhöhung an der Oberkante der Heizelektroden, also am wärmsten Punkt, zu einer positiven Thermospannung führt. Der Abstand zwischen den Thermoelementen C und E beträgt ebenfalls 15 mm, der Abstand zwischen den Thermoelementen C und D und E und F hingegen 500 bis 700 mm, während der Abstand zu den Elektroden B und H ca. 100 bis 155 mm beträgt, ebenso wie der Abstand zwischen den Elektroden B und A und H und G. Die Wechselspannung des Wechselspannungsgenerators sollte 100 V nicht überschreiten. Die Thermoelemente sind in Reihe geschaltet. Die Anordnung der Thermoelemente ist so gewählt, daß gleichzeitig horizontal und vertikal im Stamm auftretende natürliche Temperaturgradienten kompensiert werden.

Die Thermoelemente brauchen aber nicht unbedingt in Reihe geschaltet zu werden, sondern können, wie in Fig. 1 dargestellt, aufgeteilt einzeln angeordnet sein, so daß zum einen die Temperatur im beheizten Bereich und die Temperatur im nichtbeheizten Bereich erfaßt wird. Als Heizleistung wird z. B. an das Xylem des Baumstammes 1 Watt und mehr abgegeben, und zwar über einen gesamten Tagesablauf, wie in Fig. 3 beispielhaft konstant angegeben ist. Die Abgabe erfolgt aber nicht konstant, da sonst auf eine Temperaturerhöhung um z. B. 1°C, wie aus der unteren Darstellung in Fig. 3 ersichtlich, nicht hingeregelt werden kann. Vielmehr muß gerade durch den PID-Regler die Heizleistung zeitlich so angelegt werden, daß unter Berücksichtigung des momentanen Massenflusses die gewünschte Solldifferenztemperatur (1°C) erreicht wird. Dies bewirkt der PID-Regler in Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturwerten unter Berücksichtigung der Sollwertvorgabe.

Ein über einen Zeitraum von 7.00 Uhr bis 21.00 Uhr gemessener Temperaturverlauf ist aus Fig. 4, unterer Kurvenverlauf, ersichtlich. Um diese Temperatur konstant zu halten, ist es erforderlich, daß den Elektroden 1a und 1b in Fig. 1 eine Heizleistung gemäß der mittleren Kurve in Fig. 4 zugeführt wird. Es erfolgt somit eine Leistungserhöhung bis auf knapp 3 Watt zu bestimmten Zeiten, um die gewünschte Temperaturdifferenz zu erhalten, da sich mit dem Massefluß auch ständig der spezifische Widerstand in dem Xylem ändert. Proportional zu der Leistung steht die Flußrate gemäß dem oberen Bild in Fig. 4. Diese Kurvenwerte können nun über die Auswerteschaltung 6 in Fig. 1 erfaßt und einzeln oder bereits vorbereitet an einen Computer 15 übertragen werden. Der Computer wertet die anliegenden Informationen nach der im vorhergehenden Abschnitt angegebenen Berechnungsmethode aus. Es versteht sich von selbst, daß für die Auswertung ein geeignetes Computerprogramm mit den dazu gehörenden Algorithmen bereitgestellt werden muß.

Als Endergebnis kann sowohl die geforderte Menge an Nährstoffflüssigkeit des Baumes, die durch das Xylem gefördert wird, festgestellt werden oder aber auch die augenblickliche Flußrate, die merklich wetterumschwungsabhängig beeinträchtigt wird, z. B. durch intensive Sonneneinstrahlung, was zu einer erhöhten Transpiration der Baumkrone führt, aber auch durch plötzlich einsetzenden Regen und Abkühlung. Um die Temperaturgradienten innerhalb des Bereiches der Thermoelemente zu verringern und deren Änderung, z. B. bei kurzfristiger Strahlungsexposition des Stammes, zu verlangsamen, ist es zweckmäßig, die Heizelektroden nach oben und nach unten je ca. 1 m mit Alu-beschichteter Steinwolle zu isolieren und gegen Strahlung und Feuchtigkeit abzudichten. Die Abdichtung gegenüber dem Stamm soll auch das Eindringen von Regenwasser in den Meßbereich verhindern, so daß ein unverfälschtes Meßergebnis erzielt werden kann. Die Heizelektroden werden beispielsweise in einer Höhe von 1,5 bis 2 m über dem Boden mit einem Spezialwerkzeug in einem Abstand von 15 mm bis zur Tiefe des aktiv wasserleitenden Splints, in der Regel bei einem Baum mit einem Stammdurchmesser von 30 cm, ca. 40 mm tief eingeschlagen. Die Löcher für die Thermoelemente können z. B. mit einem Holzbohrer eingebracht werden. Versuche haben gezeigt, daß selbst nach einer Meßperiode von 18 Monaten die Anlage noch voll funktionsfähig ist und keine sichtbaren Nekrosen im Stamm entstehen.

Durch die besondere Art der Ausbildung der Einrichtung gemäß Fig. 1 ist es möglich, die Temperaturen ganz genau zu erfassen und ein besonders langsames Regelverhalten zu erzielen, ohne daß Überschwinger des Reglers gegeben sind. Die Anlage ist besonders leistungsarm, so daß auch der Betrieb mittels eines Akkumulators möglich ist, da bei Messungen im Feld (Wald) nicht überall Wechselstromnetze zur Verfügung stehen.

Claims

1. Einrichtung zur Messung der transportierten Menge an Nährstoffflüssigkeit durch das Xylem in einem Baumstamm mit einer von einer Stromversorgungsquelle gespeisten Heizvorrichtung zur Erhöhung der Temperatur im Meßbereich auf eine konstante Temperatur oberhalb der Temperatur im unbeheizten Baumstamm, mit einem Leistungsmesser zur Erfassung der zugeführten Heizleistung, die ein proportionales Maß der augenblicklichen Flußrate der Nährstoffflüssigkeit ist, mit einem Regler für die Stromversorgungsquelle der Heizvorrichtung und mit mehreren Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur im unbeheizten und beheizten Bereich des Baumstammes, die elektrische Signale erzeugen, die an Eingängen des Reglers als Regelgröße und an Eingängen einer Auswerteschaltung anliegen, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Stromversorgungsquelle einen regelbaren pulsmodulierten Gleich- oder Wechselstrom oder einen Wechselstrom regelbarer Frequenz abgibt,
- daß der Regler (4) ein langsam arbeitender und überschwingungsfreier Regler ist, und
- daß die Temperatursensoren (7, 8) sowohl von den Eingängen des Reglers (4) als auch von den Eingängen der Auswerteschaltung (6) galvanisch entkoppelt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine passive Heizvorrichtung mit in einem Baumsegment im Meßbereich des Baumstammes oder Baumastes eingeschlagenen Elektroden (1a, 1b, 21 bis 25) vorgesehen ist, und daß der Heizstrom in der Frequenz oder die Spannung geregelt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive Heizvorrichtung mit einer oder mehreren mit Wechselstrom gespeisten Heizspulen vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Elektrodenanordnung (1a, 1b, 21 bis 25) oder der Heizspule ein Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 100 und 1000 Hz anliegt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur galvanischen Entkopplung der Signale der Temperatursensoren Optokoppler (11, 12) in den Signalweg geschaltet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursensoren (7, 8) Thermoelemente aus thermoelektrischen Metallkombinationen, wie Kupfer-Konstantan, sind, deren Thermospannung in einem Verstärker (9, 10) verstärkt und in einem Stromsignal zur störungsfreien Übertragung umgewandelt wird, oder ein Thermistor ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Gleichstrom/Wechselstrom- Wandlers (2) mit steuerbarer oder einstellbarer Frequenz, der an eine Batterie oder einen Akkumulator (13) angeschlossen ist, die auch die Versorgungsspannung für den Regler (4) direkt oder über den Gleichstrom/Wechselstrom- Wandler (2) liefern.

8. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1a, 1b, 21 bis 25) Stahlplatten sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß fünf Elektroden (21 bis 25) in ein Baumstammsegment vertikal und parallel eingeschlagen sind, und daß zwei in Serie hintereinander geschaltete Thermoelementenreihen mit je vier Temperatursensoren vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß eine Temperaturerhöhung an der Oberkante der Heizelektroden zu einer positiven Thermospannung führt, wobei gleichzeitig horizontal und vertikal im Stamm auftretende natürliche Temperaturgradienten kompensiert werden.

10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement mit Giesharz in eine Hohlnadel eingegossen ist, und daß die Spitze der Nadel hartverlötet und konisch angeschliffen ist oder aus Hartplastik besteht.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermospannung in einem Verstärker verstärkt und in einem Wandler in ein Wechselspannungs- oder digitalisiertes Signal umgesetzt ist.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich oberhalb und unterhalb der Heizvorrichtung im Stamm thermisch und gegen Eindringen von Regenwasser isoliert ist.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermospannung der Temperatursensoren für dem beheizten und unbeheizten Bereich gemeinsam mit der gemessenen Heizleistung in einer Auswerteschaltung (6) oder einem Computer (15) ausgewertet und die Leistungsabgabe in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur im beheizten Meßbereich gesteuert wird.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Heizleistung und der Temperaturen digitalisiert in einen Computer eingeschrieben nach einem eingeschriebenen Programm ausgewertet werden, wobei die gemessene Menge des Massenflusses sich nach folgender Formel bestimmt: Q_tree = Q_rec - Q_ficwobei Q_tree der tatsächliche Wasserfluß,
Q_rec der gemessene Wasserfluß und
Q_fic der durch Wärme anteilige Wasserflußverlauf ist und dabei bedeuten:P = Heizleistung der Elektroden (J s^-1),
Z = Zeitintervall (s),
c_w = Spez. Wärmekapazität von Wasser (J K^-1 kg^-1),
T = Konstante Temperaturdifferenz (K) und wobei
K = Umrechnungsfaktor vom Heizsegment auf den Stamm,
O = Umfang des Stammes in Höhe der Heizelektroden (mm),
S = Abstand zwischen den beiden äußersten Heizelektroden (mm).

15. Einrichtung zur Messung der transportierten Menge an Nährstoffflüssigkeit durch das Xylem in einem Baumstamm mit einer von einer Stromversorgungsquelle gespeisten Heizvorrichtung zur Erhöhung der Temperatur im Meßbereich auf eine konstante Temperatur oberhalb der Temperatur im unbeheizten Baumstamm, mit einem Leistungsmesser zur Erfassung der zugeführten Heizleistung, die ein proportionales Maß der augenblicklichen Flußrate der Nährstoffflüssigkeit ist, mit einem Regler für die Stromversorgungsquelle der Heizvorrichtung und mit mehreren Temperatursensoren zur Erfassung der Temperatur im unbeheizten und beheizten Bereich des Baumstammes, die elektrische Signale erzeugen, die an Eingängen des Reglers als Regelgröße und an Eingängen einer Auswerteschaltung anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung aus aufgesetzten oder in das Xylem eingesetzten Ultraschallwellengebern oder aus einer Mikrowellenquelle besteht.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer Generator die Ultraschallwellengeber steuert, und daß die Frequenz der Ultraschallwellen der Resonanzfrequenz des Xylems im Meßbereich entspricht.