DE4018393A1

DE4018393A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen von photosynthese-austauschgasen

Info

Publication number: DE4018393A1
Application number: DE19904018393
Authority: DE
Inventors: Oscar Dipl Phys Dr Sc N Oehler; Herbert Dipl Phys Dr Sc N Blum; Rolf Dipl Phys Pleisch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-13
Filing date: 1990-06-08
Publication date: 1990-12-20
Also published as: CH679076A5

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.

Der Austausch von CO₂ und H₂O durch einen grünen Pflanzenbe standteil, wie ein Blatt, eine Nadel, ein Stengel usw. (im folgenden als Blatt bezeichnet), steht in direkter Beziehung zu den fundamen talen Prozessen der Photosynthese und der Blattatmung. Die Messung dieser Gase ist daher eine wohlbekannte und bewährte Methode in der Pflanzenwissenschaft und der Ökologie.

Konventionelle Geräte zur nicht-destruktiven Analyse der Photosyn these-Austauschgase beruhen fast durchwegs auf der Infrarot-Absorp tionsspektroskopie. Die Verwendung dieser Methode ist angezeigt, da CO₂ 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.

Zur Durchführung solcher Gaswechsel-Messungen wird in der Regel das Blatt in eine gasdichte Küvette, die sog. Blattküvette, einge schlossen. Eine geeignete Dichtung der Küvette erlaubt es, daß das Blatt trotz dessen Einschlüsse während der Messung mit der Pflanze in Verbindung steht und somit die Versorgung des Blattes mit Nähr stoffen und Wasser gewährleistet ist. Die Messungen werden einer seits unter ständiger Zufuhr von frischer Luft durchgeführt (offenes System), wobei die Gaswechsel-Aktivitäten aus den stationären Wer ten der CO₂-Abreicherung und der Wasserabgabe bestimmt werden können. Andererseits sind diese Aktivitäten aus den Verläufen der entsprechenden Gaskonzentrationen in einer abgeschlossenen Luft menge, die durch die Blattküvette und den Gasanalysator zirkuliert, bestimmbar (geschlossenes System). Bei beiden Verfahren ist das Blatt eine Zeitlang (typischerweise während einiger Minuten) in die Blattküvette eingeschlossen.

Beim offenen System muß die Einstellung der stationären Konzentra tionen im Gassystem abgewartet werden. Diese Zeitdauer ist nähe rungsweise proportional zum Gasvolumen des Systems, zu dem die Gasanalysatorküvette einen wesentlichen Teil beiträgt. Eine einfache numerische Überlegung soll das veranschaulichen: In kommerziell erhältliche CO₂-Analysatoren, welche auf dem Prinzip der Infrarotab schwächung (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 Absorpti onskoeffizienten von CO₂ bei einer Wellenlänge von 4,65 µm ergibt das bei einer Gaskonzentrationsänderung von 0,5 ppm im 20 cm lan gen 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 ml. Unter der Annahme einer zehnmaligen Gasum wälzung im Analysatorvolumen, was zur 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 Gaszu leitungen kann davon ausgegangen werden, daß ein auf dem Extink tionsprinzip arbeitender Gasanalysator unter Einhaltung einer Meßge nauigkeit von 0,5 ppm CO₂ eine Spülgasmenge von ca. 300 ml erfor dert. 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 CO₂-Abreicherung der zuströmenden Luft unmeßbar klein würde. Somit resultiert für die minimale Spülzeit des Systems ein Wert von ca. 1,5 Minuten.

Da der Wirkungsgrad der Photosynthese klein ist und somit ein gro ßer Anteil der vom Blatt absorbierten Lichtleistung in Wärme umge setzt wird, tritt in der Blattküvette unter der Lichteinstrahlung während der erwähnten Meßdauer eine beachtliche Wärmeentwick lung auf. Um stabile Verhältnisse zu schaffen, ist diese Wärme weg zuführen. 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 CO₂- Abreicherung nicht beliebig steigern. Offene Systeme bedingen daher eine zusätzliche Klimatisierung der Blattküvette, was allerdings einen großen apparativen Aufwand erfordert, es sei denn, daß eine nicht stabile Temperatur in der Blattküvette und damit eine Erniedrigung der Zuverlässigkeit der Messung in Kauf genommen wird. Nebst des Kostenaufwandes für die Blattküvettenklimatisierung muß dem Um stand Rechnung getragen werden, daß die Klimavorrichtung volumi nös und schwer ist, was die Portabilität des Meßgerätes und damit dessen Benützung für Feldmessungen erschwert.

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 einge schlossen 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 Lichtwe ges im Gasanalysator und demzufolge das Gasanalysatorvolumen nicht beliebig verkleinert werden kann.

Die Durchführung einer zuverlässigen Messung erfordert zusätzlich, daß das Blatt in der Blattküvette während dem Gasaustausch homo gen durchmischt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln und eine Vorrichtung zur Nutzung dieses Verfahrens zu schaffen, die es er lauben, die Konzentrationsänderungen von CO₂ und gegebenenfalls H₂O an einem Blatt zu messen, das nur für kurze Zeit in eine Blatt küvette eingeschlossen ist, so daß während der Dauer des Gasaustau sches die am Austausch beteiligten Prozesse durch den Blattein schluß nur unwesentlich beeinflußt werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch intensive Bespülung des Blattes und homogene Durchmischung des Meßgases in der Blattküvette sowie durch Verwendung einer auf dem photoakustischen Gasmeßprinzip arbeitenden kleinen Gasanalysatorküvette, die unmittelbar bei der, das Blatt, oder andere gasreaktive Pflanzenteile, einschließenden Blattküvette angeordnet ist.

Die photoakustische Methode zur Messung von Gaskonzentrationen ist seit langem bekannt. Sie beruht darauf, daß intensitätsmodulier tes Licht, das in einer verschlossenen Analysatorküvette absorbiert wird, zu Gasdruckschwankungen Anlaß gibt. Diese Druckschwankun gen können mittels eines Mikrophons gemessen werden. Der photo akustische Effekt stellt die empfindlichste bekannte Methode zur infrarot-spektroskopischen Messung von Gaskonzentrationen dar. Diese Methode besitzt aber gegenüber der erwähnten Extinktionsme thode im vorliegenden Fall einen weiteren großen Vorteil: Das pho toakustische Drucksignal p ist proportional zur Dichte der absorbier ten Strahlung, also proportional zur Strahlungsabsorption A dividiert durch das Küvettenvolumen V.

p =α A/V = A/F l

F bedeutet die Querschnittsfläche der Analysatorküvette und l deren optische Länge.

Bei niedriger Gaskonzentration kann das Beer'sche Gesetz, das die Strahlungsabsorption A beschreibt, linearisiert werden:

A = (1 - e^{-S c l}) also 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 Analy satorküvette mit einem Volumen von typischerweise weniger als 0,5 ml, eine große Gasempfindlichkeit erreicht werden kann.

Gegenüber bestehenden Photosynthese-Gasanalysatoren hat das erfin derische Verfahren den Vorteil, daß mit einem mehr als zehnfach kleineren Volumen eine zuverlässige Gasanalyse durchgeführt werden kann. Damit ist einerseits eine kleinere Spülgasmenge und entspre chend 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 beste henden Photosynthese-Meßgeräten angewandt wird, wesentlich und weist auch eine Anzahl beachtliche Vorteile auf.

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 Gaszusam mensetzung durch Adsorption und Desorption von Gaskomponenten an den Rohrwandungen können auf diese Weise niedrig gehalten werden.

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.

Allerdings führt das kleine Analysatorvolumen wegen dem großen Oberflächen/Volumenverhältnis bei gleichzeitiger Verwendung 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 Gas zusammensetzung führen.

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 wäh rend 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 wer den. Auch in dieser Hinsicht unterscheidet sich die neue Vorrich tung vom Bestehenden.

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 typi sche 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 Mikrophonhalterung als Körperschall auf die Mikrophonmembrane übertragen. Sie geben damit zu Störungen Anlaß, die im allgemeinen jegliche genaue Messung verunmöglichen. Es müssen daher Maßnah men getroffen werden, um die Auswirkungen dieses Rumpelgeräusches auf die Mikrophonmembrane zu verunmöglichen. Die Lösung dieses Problems, das eine Ähnlichkeit mit derjenigen hat, welche 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 Ver wendung eines symmetrischen Mikrophons und einer symmetrischen Auslegung der photoakustischen Gasküvette in Form einer Doppelkü vette. Durch diese Maßnahme ist es möglich, daß gleichzeitig die beiden Gase CO₂ und H₂O alternierend gemessen werden können.

Beispiele zum Aufbau der Vorrichtung sind anhand der folgenden Darstellungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Übersichtsdarstellung einer in offenem System arbeitenden Vorrichtung zur Messung des Gasaustausches von Blättern.

Fig. 2 ist eine Darstellung der Blattküvette mit den Gaszuleitun gen.

Fig. 3 veranschaulicht den Aufbau des auf dem photoakustischen Prinzip beruhenden Gasanalysators.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der in offenem System arbeitenden Vorrich tung zur Messung des Gaswechsels bei Pflanzen. Die Blattküvette 1 steht mit einem zangenförmigen Halte- und Verschließmechanismus, der sog. Blattzange 2 in Verbindung. Auf dieser Blattzange 2 ist der Gasanalysator 3 unmittelbar neben der Blattküvette 1 befestigt. Das photosynthetisierende Untersuchungsobjekt, im folgenden als Blatt 4 bezeichnet, steht während der Messung mit der Pflanze 5 in Verbin dung. 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 Analysatorkü vette 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 adsorptions- und desorptionsbe dingten Gaskonzentrations-Verfälschungen.

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 Aus führungsform des geschlossenen Systems ist damit zwar möglich, bringt aber im vorliegenden Fall der Anordnung der Analysatorküvet te bei der Blattküvette nicht dieselben Vorteile wie beim offenen System, da zur Kleinhaltung des totalen Meßgasvolumens zusätzlich die Gasumwälzpumpe 17 an der Meßzange befestigt werden müßte.

Die Gasadsorption resp. die Gasdesorption beruht auf einer Imprä gnierung 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 Monolage, 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 Gaskonzentration erreicht ist) minimalisiert. Des weite ren 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 Analysatorvolu mens 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-Analysa toren üblich ist, eine Reduktion der gesamten maßgebenden Innen fläche auf mindestens die Hälfte.

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 Gaswech sel-Untersuchungen verwendet wird, so ist diese Bedingung, was das CO₂ betrifft, gewährleistet. Bei typischen Photosynthese-Experimen ten wird durch Wahl der Luftströmung dafür gesorgt, daß die CO₂- Abreicherung ca. 10-20 ppm beträgt.

Falls das Meßgas als Frischgas einem Gasvorratsbehälter 7 entnom men wird, ist es gegeben, dasselbe mit Wasser anzureichern. Dazu dient beispielsweise die Befeuchtungsvorrichtung 8. Die Vorbefeuch tung der Luft ist schon deshalb angezeigt, weil in der Regel die Mikrophonempfindlichkeit eine Feuchteabhängigkeit aufweist.

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 einer Strömungsmeßvorrichtung 9 bestimmt. Des weiteren ist die Kenntnis der photosynthese-aktiven Strahlung wich tig. 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 des Gasanalysators, sowie die Verarbei tung der Signale der erwähnten Sensoren 9, 12, 13, 14 geschieht in der elektronischen Steuer-/Meßvorrichtung 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 Frischluft verteilung. Versuche mit Einzeldüsen 21 und punktweiser Gasentnah me aus dem Blattküvettenraum 23 bestätigten die Funktionstüchtig keit dieser Anordnung. Aus der Blattküvette gelangt das Gas über die Gasverbindungsleitung 11 zur Analysatorküvette 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 sym metrisch in Form einer Doppelküvette aufgebaut. Das symmetrisch ausgelegte Mikrophon 31 befindet sich im Zentrum des Gasanalysa tors. Die Druckeintrittsöffnungen des Mikrophons stehen über die Verbindungsleitungen 32, 32′ mit den beiden Gasküvetten 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 H₂O-Detektion bestehen diese Fenster insbesondere aus Saphir.

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.

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 H₂O-Absorption angepaßt. Die Modulationsfre quenz 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 Modulati onsfrequenz ist, eine hohe Empfindlichkeit der Gasmeßvorrichtung.

Das zu analysierende Gas gelangt über die Gaszuleitung 11 und das Gaseinlaßventil 39 in die durch das optische Filter 36 für H₂O sen sibilisierte Gasküvette 33. Über das Gasauslaßventil 39′, die Gas verbindungsleitung 11′ und das Gaseinlaßventil 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′′ ver lassen. 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.)

Das aus dem Ventil 39′′′ austretende Gas wird entweder an die Um gebung 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.

In beiden Fällen werden vorerst die Blattküvette und die Analysator küvette eine Zeitlang bei geöffneten Ventilen 39, 39′, 39′′, 39′′′ ge spült und anschließend während der Messung die Gasströmung durch die photoakustischen Zellen 33, 33′ durch Verschluß der Ventile unterbrochen.

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 H₂O-Konzen tration 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 H₂O-Analyse wird der andere Infrarotstrahler 35′ aktiviert. In der Gasküvette 33′ wird nun die CO₂-Messung durchgeführt - die Gaskü vette 33′ ist damit photoakustischer Gasanalysator -, während die vorgängig benutzte Gasküvette 33 das Referenzvolumen darstellt. Wegen der wesentlich höheren Adsorptions- und Desorptionsfähigkeit von H₂O im Vergleich zu derjenigen von CO₂ an den Wandungen der Gasküvette 33, resp. 33′ ist es angezeigt, zunächst die H₂O-Ana lyse vorzunehmen und erst anschließend die CO₂-Bestimmung durch zuführen.

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 intensitätsmodulierten Infrarotstrahler 35, 35′ oder bei kontinuierlichem Betrieb der Infra rotstrahler dasjenige der Lichtunterbrecher 38, 38′.

Bezeichnungen

1 Blattküvette
2 Blattzange mit Verschlußmechanismus
3 Gasanalysator
4 Blatt
5 Pflanze
6 Fenster in Blattküvette
7 Gasvorratsflasche
8 Befeuchtungsvorrichtung
9 Strömungsmeßvorrichtung
10 Gaszuleitung
11, 11′, 11′′ Gasverbindungsleitungen
12 Lichtdetektor
13 Gastemperatursensor
14 Blattemperatursensor
15 Elektronik
16, 16′ Gasrückleitung
17 Gasumwälzpumpe
18 Ventil
21 Düse
22 Gasverteilnut
23 Blattküvettenraum
31 Mikrophon
32, 32′ Verbindungsleitung zur Gasküvette
33, 33′ Gasküvetten
34, 34′ Fenster
35, 35′ Infrarotstrahler
36, 36′ Interferenzfilter
37, 37′ Stromzuführungen
38, 38′ Lichtunterbrecher
39, 39′, 39′′, 39′′′ Ventile der Gasküvette

Claims

1. Verfahren zur Messung der Konzentration von CO₂ und/oder H₂O beim Gaswechsel von Pflanzen oder Pflan zenbestandteilen, insbesondere eines Blattes (im folgenden als Blatt bezeichnet), dadurch gekennzeichnet, daß das in eine Blattküvette ganz oder teilweise eingeschlossene Blatt mit Meßgas versorgt wird, wobei sich in der Blattküvette eine homogene Gasmischung einstellt und daß das mit dem Blatt in Wechselwirkung stehende Gas bezüglich der CO₂- und gegebenenfalls der H₂O-Konzentration mittels des photoakustischen Gasmeßprinzipes im Gasanalysator analy siert wird und die Einheit, bestehend aus Blattküvette und Gasanalysator, während der Gasanalyse in der Hand gehal ten werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Austausch des Gases alternierend die beiden Gaskomponenten CO₂ und H₂O gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das Blatt besprühende Meßgas Frischgas ist, oder in einem abgeschlossenen System zirkuliert.

4. Vorrichtung zur Messung der Konzentrationen von CO₂ und/oder H₂O von Pflanzen oder Pflanzenbestandteilen, insbesondere eines Blattes (im folgenden als Blatt bezeich net), bestehend aus einer, das zu untersuchende Blatt (4) ganz oder teilweise einschließenden Blattküvette (1), die auf einer mit einem Verschlußmechanismus versehenen Blattzange (2) angebracht ist, und einem Gasanalysator (3), dadurch gekennzeichnet, daß der Gasanalysator (3) nahe bei der Blattküvette (1) auf der Blattzange (2) angebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasanalysator (3) eine photoakustische Doppelkü vette ist und aus einem symmetrisch ausgelegten Mikro phon (31) und zwei symmetrisch angeordneten und ausge bildeten Gasküvetten (33, 33′) besteht, von denen minde stens eine mit einem strahlungsdurchlässigen Fenster (34, 34′) abgeschlossen ist und es erlaubt, daß intensitätsmo duliertes Licht mindestens eines Infrarotstrahlers (35, 35′) nach der Filtrierung mittels eines optischen Filters (36, 36′) in mindestens eine der Gasküvetten (33, 33′) eindrin gen kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß alternierend eine der beiden Infrarotstrahler (35, 35′) betrieben werden, so daß eine der beiden Gasküvetten (33, 33′) die Funktion eines photoakustischen Gasanalysa tors hat und die andere das Referenzvolumen darstellt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (15) vorhanden sind, welche es erlauben, die Lichtintensität der Infrarotstrahler (35, 35′) durch Variation der Stromversorgung zu modulie ren, oder daß ein Lichtunterbrecher (38) im Lichtstrahl zwischen dem Infrarotstrahler (35) und der Gasküvette (33) und/oder ein Lichtunterbrecher (38′) zwischen dem Infrarotstrahler (35′) und der Gasküvette (33′) angeordnet ist, welcher die Modulation der in die Gasküvetten (33, 33′) eindringenden Lichtstrahlung erlaubt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattküvette (1) über eine Gaszu leitung (10) mit Frischgas versorgt werden kann, das bei spielsweise dem Gasvorratsbehälter (7) entnommen wird, daß die Blattküvette (1) über die Gasverbindungsleitung (11) mit dem Gasanalysator (3) in Verbindung steht und das analysierte Gas über die Gasableitung (11′′) an die Umwelt abgegeben, oder über die Gasverbindungsleitung (16), eine Umwälzpumpe (17) und über ein Ventil (18) in die Blattküvette (1) zurückgeführt werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Blattküvette (1) über die Gaszuleitung (10) eindringende Frischgas, resp. das über die Gasrückleitung (16′) rückgeführte Meßgas, über die Gasverteilungsnut (22) und über Düsen (21) in den Blatt küvettenraum (23) gelangt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Filter (36, 36′) derart gewählt sind und daß Mittel (15) zum alternierenden Betrieb der Infrarotstrahler (35, 35′) vorhanden sind, so daß nach dem Gaswechsel alternierend CO₂ und H₂O gemessen werden kann.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuer/Meßvorrich tung (15) mit einer Strömungsmeßvorrichtung (9), mit mindestens einem Lichtdetektor (12) und mindestens einem Gastemperatur- (13) resp. einem Blattemperatur-Sensor (14) verbunden ist.