Entwicklung eines Meßaufbaus zum Biomonitoring mit Hilfe ......A Labview 127 B Fotos 130...

Entwicklung eines Meßaufbauszum Biomonitoring mit Hilfe von

Chlorophyll-Fluoreszenz-Messungen vom Fahrzeug

Diplomarbeit derMathematisch-Naturwissenschaftlichen

Fakultatder Christian-Albrechts-Universitat

zu Kiel

Enno Hammes

14.12.2000

Inhaltsverzeichnis

Verzeichnis haufig verwendeter Abkurzungen und Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . VI

1 Einleitung 1

2 Photosynthese 32.1 Die Licht- und Dunkelreaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Ort der Photosynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Die Photosysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.4 Die Elektronentransportkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Die Fluoreszenz als Meßgroße der Photosynthese 73.1 Entstehung der Fluoreszenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.1.1 Die Photosysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2 Quenching-Mechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.2.1 Das Topfmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3 Fluoreszenzkinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3.1 Yield-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3.2 Die Zeitkonstanten und ihre Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4 Uberblick uber das Vorgehen 154.1 Fluoreszenz-Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.2 Aufnahme einer Kinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.3 Vorgehen beim Meßaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5 Messungen mit Weizen 185.1 Septoria Tritici – Eine Weizenkrankheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5.1.1 Verlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.1.2 Erkennung und Bekampfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.2 Meßaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.2.1 Das PAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.2.2 Die FC-Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.2.3 Meßablauf: Sattigungsblitzmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.3 Auswerteverfahren der Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245.4 Messungen mit gezuchteten Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.4.1 Herkunft der Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.4.2 Ablauf der Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265.4.3 Boniturdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.4.4 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.5 Messungen mit Pflanzen vom Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305.5.1 Ablauf der Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305.5.2 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

INHALTSVERZEICHNIS III

6 Gerateaufbau I: Grundsatzliche Meßtechnik 346.1 Meßlicht: LED-Kopfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.1.1 Wahl des Anregungslichtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346.1.2 Der LED-Kopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376.1.3 Die Ansteuerung der LED-Kopfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.2 Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386.3 Korrelatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.3.1 Grundprinzip eines Korrelators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.4 AD-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.4.1 Gepufferte Meßaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.4.2 Betrieb im PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

7 Statische Messungen 437.1 Messung der Fluoreszenz aus der Hohe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.1.1 Meßaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437.1.2 Messung aus der Hohe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

7.2 Das Abstandsproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447.2.1 Prinzip Reflexionsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447.2.2 Montage der Detektoren nebeneinander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457.2.3 Einsatz eines Strahlteilers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477.2.4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

8 Gerateaufbau II: Gleisanlage 548.1 Die Eisenbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

8.1.1 Der Zug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558.2 Das Meßsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

8.2.1 Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588.2.2 Lichtschranken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598.2.3 Halogenlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618.2.4 Abschirmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

8.3 Testmessungen mit der Anlage und Einstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

9 Software 659.1 Kurze Einfuhrung in Labview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659.2 Simulation von Meßdaten: virtual tractor simulation(vts.vi) . . . . . . . . . . . . 67

9.2.1 Simulation einer Durchfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679.2.2 Simulation einer Induktionskinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 689.2.3 Erzeugung der simulierten Meßdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

9.3 Spurenzuordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729.3.1 Die Kreuzkorrelationsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

9.4 Das Programm und seine Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759.5 Aufnahme der Messung (Messen.vi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

9.5.1 Ablauf einer Messung: Datenerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769.5.2 Ablauf einer Messung: Lichtsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

9.6 Aufbereitung und Weiterleitung der Daten (vt.vi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769.6.1 Aufbereitung der Meßdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769.6.2 Berechnung der Geschwindigkeiten (get speed.vi) . . . . . . . . . . . . . . 779.6.3 Durchfuhrung der Berechnung und Verarbeitung der Ergebnisse . . . . . . 77

9.7 Berechnung der KKF (KKF-Online.vi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789.7.1 Speicherung der Meßdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789.7.2 Berechnung der KKF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 799.7.3 Suche des Maximalwertes der KKF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

INHALTSVERZEICHNIS IV

10 Einsatz der Software und Verbesserungen 8410.1 Testmessung am realen System zur Verschiebungsbestimmung . . . . . . . . . . . 84

10.1.1 Zusammenlegung der Detektorspuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8510.2 Auswirkung der Vergessensfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8610.3 Auswirkung von Storungen: Verbesserung der Maximumssuche . . . . . . . . . . 86

10.3.1 Einfluß der Lichtschranken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8710.3.2 Differenzierung der Meßwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

10.4 Spurenzusammenlegung unter schwierigen Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . 9010.4.1 Zeitliche Analyse der τ -Spuren der (lokalen) Maxima . . . . . . . . . . . . 9010.4.2 Abhilfe durch Mittelung (fitt.vi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9110.4.3 Zusammenfassung der Ergebnisse der Mittelungsverfahren . . . . . . . . . 94

10.5 KKF-Feinanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9510.5.1 Prinzip der Feinanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9510.5.2 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

10.6 Zusammenfassung der Ergebnisse der Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

11 Messungen und Verbesserungen der Anlage 9911.1 Testmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

11.1.1 Testmessungen mit Computerpapier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9911.1.2 Testmessungen mit Maisblattstucken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

11.2 Unterschiedliche Blickwinkel der Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10111.2.1 Zeitkonstanten und Fahrtbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10211.2.2 Unterschiedliche Meßlichtfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10311.2.3 Unterschiedliche Korrelatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10411.2.4 Unterschiedliche Optiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10411.2.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

11.3 Unerwunschte aktinische Wirkung des Meßlichtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10911.3.1 Aktinische Wirkung des Meßlichtes wahrend einer Umfahrt . . . . . . . . 10911.3.2 Reduktion der Meßlichtintensitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10911.3.3 Aktinische Wirkung des Meßlichtes zwischen den Detektoren . . . . . . . 11011.3.4 Reduktion der Intensitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

11.4 Auswirkungen auf die weiteren Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

12 Kinetik-Messungen 11512.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11512.2 Ablauf einer Kinetikmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11512.3 Steuerung des Halogenlichtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11612.4 Eine Durchfahrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11612.5 Aufnahme einer Kinetik-Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

12.5.1 Zusammenbau der Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11712.5.2 Eine Kinetik-Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

12.6 Messung einer Kinetik-Kurve an kranken Pflanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . 11812.6.1 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

13 Fazit und Ausblick 121

14 Zusammenfassung 123

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B Fotos 130

Literaturverzeichnis 133

Verzeichnis haufig verwendeter Abkurzungen und Begriffe V

Verzeichnis haufig verwendeter Abkurzungen und Begriffe

ADP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AdenosindiphosphatATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . AdenosintriphosphatAD-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analog-Digital-WandlerChl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ChlorophyllETC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lineare ElektronentransportketteF0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Grundfluoreszenz bei offenen ReaktionszentrenFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maximalfluoreszenz bei geschlossenen ReaktionszentrenFC-Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Fluoreszenz-Clamp-MaschineGPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Global-Positioning-SystemI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lichtintensitatkf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ratenkonstante der Fluoreszenzkp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ratenkonstante der photochemischen Deaktivierungkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Ratenkonstante der thermischen DeaktivierungKKF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .KreuzkorrelationsfunktionLED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LeuchtdiodeLHC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Light Harvesting ComplexOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .OperationsverstarkerP680,P700 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Reaktionszentrumsmolekul von PS II bzw. PS IPAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Puls-Amplituden-Moduliertes FluorometerPLL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phase Locked LoopPQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PlastoquinonPS I, PS II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Photosystem I bzw. IIQA, QB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Akzeptoren von PS IIqE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energy-QuenchingqN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . nichtphotochemisches QuenchingqI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Photoinhibitions-QuenchingqP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .photochemisches Quenching

Hinweis

In dieser Arbeit sind viele Diagramme zu finden, in denen die Signale der Detektoren dargestelltsind. Die y-Achsen sind in diesen Fallen meistens unbenannt und tragen auch keine Einheiten,da die absolute Hohe der Signale nicht von Bedeutung ist und nur die Spannung am AD-Wandlerdarstellt.

Kapitel 1

Einleitung

In der Landwirtschaft werden zur Bekampfung von Schadlingen viele Gifte in die Umwelt ein-gebracht. Bei vielen Befallsarten geschieht dies quasi blind, es ist nicht oder nur sehr ungenaubekannt, ob und wo ein Befall vorliegt. Man orientiert sich allenfalls an Stichproben und grobenSchatzungen oder berucksichtigt die Witterung und bringt deshalb mehr Gift aus, als notigist. Deshalb ware ein Verfahren wunschenswert, das eine Schadigung erkennen kann, damitnur kranke Stellen gespritzt werden mußten gemaß dem tatsachlichen Befall. Die Folge wareeine Reduktion des Gifteintrags mit Nutzen fur die Umwelt, Verbraucher (weniger belasteteNahrungsmittel) und Erzeuger (finanzielle Entlastung).Aus diesen Uberlegungen kam die Motivation fur ein gemeinsames Projekt der AG Heege (Land-wirtschaftliche Verfahrenstechnik), AG Verreet (Phytopathologie) und der Kieler AG fur Bio-physik.Das angestrebte Verfahren zum Biomonitoring muß uber einen Indikator verfugen, der es nachMoglichkeit erlaubt, von einem fahrenden Traktor online den Zustand der Pflanzen zu erfassenund diese Daten entweder aufzuzeichnen (in Kombination mit GPS-Positionsdaten) oder gleichzur Steuerung von Bekampfungsmaßnahmen einzusetzten. Als Ubertrager zur Ferndiagnosebieten sich Licht und Gase an, wobei letztere die von den Pflanzen bei Befall ausgesandtenWarnstoffe, zum Beispiel Athylen (Heldt, 1999; Boller, 1983), sein konnen. Allerdings ist dieseTechnik noch nicht weit genug erforscht.Deshalb bietet sich Licht als Informationstrager fur Schadigungen an. Dies kann das von denPflanzen reflektierte Licht sein, eine Methode, die zum Beispiel schon zur Bestimmung desStickstoffgehalts verwendet wird (Reusch, 1997). Ein weiteres Lichtsignal der Pflanze ist dieChlorophyll-Fluoreszenz. Messungen dieses Signals liefern vielfaltige Informationen uber denZustand der Pflanze, wie zahlreiche Arbeiten auf diesem Gebiet bereits gezeigt haben (Hansenet al., 1994; Moldaenke und Hansen, 1994; Moldaenke et al., 1995; Schmidt et al., 1988; Schreiberund Bilger, 1987, 1993; Schreiber et al., 1994; Schroter et al., 1991).Fur den geplanten Einsatz vom fahrenden Trecker aus ergibt sich dann das Problem, daß sichdieser bewegt, sich also uber einer Pflanze nur eine sehr kurze Zeit befindet. Die Messungeiner Induktionskurve (durch zusatzliches Licht ausgeloste zeitliche Variation der Chlorophyll-Fluoreszenz) dauert aber einige Sekunden.In dieser Arbeit wird deshalb ein neues Konzept erprobt, namlich die zeitliche Abfolge desSignals durch viele uber die Pflanze hinwegziehende Detektoren zu erfassen. Vorne am Traktorsoll daher eine starke Lichtquelle Induktionskinetiken auslosen, die von mehreren Detektorenin Reihe seitlich am Trecker gemessen werden, denn diese sehen aufgrund der Bewegung desTreckers zeitlich verschiedene Zustande der Pflanze hinsichtlich der Kinetik.Dabei ergeben sich die folgenden Probleme:

• Ist es uberhaupt moglich, aus einer großeren Entfernung (Großenordnung 1 m) Chloro-phyll-Fluoreszenz-Signale zu messen?

• Reicht die Empfindlichkeit verwendbarer Meßtechnik aus?

1 Einleitung 2

• Sich verandernde Abstande, sei es durch Bodenunebenheiten oder durch Wackeln desTraktors, haben einen großen Einfluß auf das Signal, das an den Detektoren ankommt.Wie kann dies erkannt und kompensiert werden?

• Die Signale eines einzelnen Detektors sind fur sich alleine genommen wenig aussagekraftig.Wie gelingt es, viele davon zu verknupfen? Und kann daraus eine Induktionskinetik-Kurvefur eine Pflanze erstellt werden?

• Fuhrt eine Erkrankung der Pflanze durch zum Beispiel eine Infektion mit Pilzen uberhauptzu meßtechnisch signifikanten Veranderungen im Signal?

In der vorliegenden Arbeit werden diese Probleme angesprochen und Losungen dazu vorgestellt.Die beschriebenen Verfahren und Ergebnisse liefern die Grundlagen fur ein noch zu entwickeln-des Gesamtsystem, das alle Schritte bis hin zur Steuerung der Giftausbringung leisten kann. Diegrundsatzlichen Probleme erweisen sich als losbar. Dazu wird am Beispiel einer Weizenkrankheitdie Nachweisbarkeit einer Schadigung durch das hier genannte Prinzip demonstriert. Die vorge-stellten Gerate sind in der Lage, aus großerer Hohe die erforderlichen Signale zu erfassen. Auchdie Ausweitung auf mehrere Detektoren mit bewegten Pflanzen kann erfolgreich durchgefuhrtwerden. Software ubernimmt die Zuordnung der einzelnen Detektorsignale zu Pflanzen. Diedaraus erstellte Kinetik-Kurve zeigt dann tatsachlich Anderungen aufgrund der Erkrankung.

Kapitel 2

Photosynthese

In den folgenden Abschnitten soll eine kurze Einfuhrung in die biologischen und physikalischenHintergrunde des photosynthetischen Systems gegeben werden, das auf Veranderungen durchKrankheiten hin untersucht werden soll. Da dieses System bereits in vielen Vorgangerarbeitenausfuhrlich beschrieben wurde, folgt hier nur ein kurzer Uberblick uber die Grundlagen, diediese Arbeit betreffen.

2.1 Die Licht- und Dunkelreaktion

Die Gesamtgleichung fur die Umwandlungsprozesse in der Photosynthese lautet:

6 CO2 + 6 H2Ohν−→ C6H12O6 + 6 O2 (2.1)

Der Gesamtprozeß laßt sich in zwei Bereiche unterteilen:

• Lichtreaktion: Hier finden hauptsachlich biophysikalische Vorgange statt. Das Licht liefertdie Energie hierzu.

• Dunkelreaktion: Hier spielen im wesentlichen biochemische Vorgange eine Rolle. Die damitverbundenen Prozesse konnen, zumindest fur eine gewisse Zeit, ohne direkten Einfluß vonLicht ablaufen.

Abbildung 2.1: Zusammenwirken von Licht- und Dunkelreaktion in der Photosynthese (Buschmannund Grumbach, 1985)

Wie in der Abbildung 2.1 verdeutlicht, sind Licht- und Dunkelreaktion eng miteinander gekop-pelt. Wahrend der Lichtreaktion wird Energie des absorbierten Lichtes genutzt, um die chemi-schen Substanzen ATP und NADPH/H+ herzustellen. Zusatzlich wird durch die Photolyse des

2.2 Ort der Photosynthese 4

Wassers Sauerstoff freigesetzt. Wahrend der Dunkelreaktion, dem sogenannten Calvin-Zyklus,werden durch die Reduktion von CO2 Kohlenhydrate produziert. Hierfur liefert das vorherproduzierte ATP die Energie, und NADPH/H+ dient als Reduktionsmittel.Da fur diese Arbeit hauptsachlich die Lichtreaktion von Interesse ist, wird sie in den folgendenAbschnitten naher behandelt.

2.2 Ort der Photosynthese

In grunen Pflanzen findet Photosynthese in den Chloroplasten der Pflanzenzelle statt. Jede Zelleenthalt bis zu 400 davon in ellipsioder Form mit einem Volumen von 40 µm3. Abbildung 2.2zeigt einen Schnitt durch einen Chloroplasten.

Abbildung 2.2: Schematische Darstellung eines aufgeschnittenen Chloroplasten nach Libbert (1987)

Im Inneren des Chloroplasten befindet sich eine 7 nm dicke Doppellipidschicht, die als Thy-lakoidmembran bezeichnet wird. Sie kommt in gestapelter und ungestapelter Form vor. Dieungestapelten Schichten werden Stromathylakoide genannt, die gestapelten heißen Granathyla-koide. Die Thylakoidmembran ist in sich geschlossen und teilt den Innenraum des Chloropla-sten in zwei Bereiche auf, das außere Stroma und das innere Lumen. Die Thylakoide enthaltendie Komponenten des Photosyntheseapparates, die fur die Energieumwandlung zustandig sind(Junge, 1975; Renger et al., 1987):

• lichtsammelnde Proteine,

• Photosysteme I und II,

• Elektronentransportkette (ETC),

• Elektroenzym ATPase

Das Stroma enthalt die Komponenten, die fur die Substanzumwandlung verantwortlich sind:

• Enzyme des Calvin-Zyklus

• Enzyme weiterer Stoffwechselprozesse, wie Mehler-Reaktion und Stickstoff-Stoffwechsel.

2.3 Die Photosysteme 5

Die Chloroplasten sind von einer Außenmembran, der Envelope, umgeben und beweglich imCytosol eingelagert, in dem sich auch die Mitochondrien, die ”Kraftwerke“ der Zelle, befinden.

2.3 Die Photosysteme

Das zur Photosynthese notwendige Licht wird in den Photo- bzw. Antennensystemen von PS Iund PS II absorbiert. Die Antennenpigmente werden aus Chlorophyll-Molekulen gebildet, die inder Lage sind, Photonen unterschiedlicher Wellenlangen zu absorbieren. Ein Photosystem be-steht aus ca. 300 Chlorophyllmolekulen a (Chl a), weiteren Photorezeptormolekulen (Chl b undCarotinide) und einem Reaktionszentrum (RZ), in dem die von der Lichtenergie angetriebeneTrennung von Ladungen stattfindet.Das Reaktionszentrumsmolekul ist ein spezielles Chl a, das im Falle von PS I bei 700 nm (P700 )und im Falle von PS II bei 680 nm (P680 ) sein Absorptionsmaximum hat. Zur Ladungstrennungwird die von den Antennenpigmenten absorbierte Energie benotigt.Der genaue Prozeß der Ubertragung des Anregungszustandes (diesen bezeichnet man als Ex-ziton, was dem S1-Zustand des Chlorophyll-Molekuls entspricht) aus der Antenne in das RZist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen mit Hilfe der Picosekunden-Fluoreszenzmeßtechnik(Dau und Sauer, 1996).Beim ”shallow trap“-Modell wird davon ausgegangen, daß sich das Exziton frei im Antennen-komplex bewegt. Dabei kommt es nach Messungen von Leibl et al. (1989) ca. 60 mal am RZvorbei, bevor es dort eine Ladungstrennung bewirken kann. Voraussetzung dafur ist ein ”offe-ner“ Zustand des P680. Bei einem oxidierten P680 (P680+) kann die Anregungsenergie hingegennicht genutzt werden. Entweder verschwindet das Exziton dann durch thermische Deaktivierungoder durch Fluoreszenzabstrahlung. Beim sogenannten ”connected-unit“-Modell (Geacintov undBreton, 1987) kann der Anregungszustand auf einen anderen Antennenkomplex ubertragen unddort von einem reduzierten RZ eingefangen werden.Auch bei offenen Reaktionszentren kann das Exziton uber die genannten alternativen Pro-zesse (thermische Deaktivierung oder Abstrahlung von Fluoreszenz) deaktiviert werden. (DieVerteilung der einzelnen Prozesse wird im Zusammenhang mit dem Topfmodell in Kapitel 3besprochen.)Die Antennenflache wird durch den ”light-harvesting-complex“ (LHC) vergroßert, der den groß-ten Teil des Lichtes absorbiert und auf die beiden Photosysteme ubertragt. Ein Teil diesesAntennenkomplexes ist beweglich und ermoglicht eine Veranderung der relativen Antennen-große von PS I und PS II. Dadurch kann die Pflanze sich an die Umwelt anpassen und dieEnergieubertragung auf die beiden Photosysteme regeln und ausgleichen.

2.4 Die Elektronentransportkette

An dem von der Energie des absorbierten Lichtes angetriebenen Prozeß der Abspaltung vonElektronen aus dem Wasser am wasserspaltenden Enzym (WSE - water splitting enzyme) undder Ubertragung der Elektronen auf die Akzeptorseite von PS I sind viele nacheinander ablau-fende Reaktionen notig. Sie reichen die Elektronen in einer Folge von Redox-Reaktionen voneinem Reaktionspartner zum nachsten. Diese Kette bezeichnet man als Elektronentransport-kette (ETC - electron transfer chain), obwohl hier auch Protonen verschoben werden.Stellt man diese Abfolge von Reaktionen dar und zeichnet diese entsprechend ihrem Redox-Potential ein, so bekommt man eine Darstellung wie in Abbildung 2.3: das sogenannte Z-Schema.Im einzelnen finden die folgenden Reaktionen in der ETC statt:

1. Die ETC beginnt nach Absorption eines Photons mit der Anregung des ReaktionszentrumsP680 von PS II. Das WSE spaltet zwei Molekule H2O aus dem Lumen in Sauerstoff, vierProtonen und vier Elektronen. Die dazu notige Energie liefert das Reaktionszentrum vonP680. Der Akzeptor Pheophytin (Pheo) wird von P680 reduziert.

2.4 Die Elektronentransportkette 6

Abbildung 2.3: Schematische Darstellung der Elektronen-Transport-Kette (ETC) nach Richter (1988).Die Hohe der Komponenten entspricht deren Redoxpotential. (Siehe Text)

2. Das reduzierte Pheophytin reoxidiert durch die Weitergabe des Elektrons an den primarenChinonakzeptor, den Quencher QA. Letzterer gibt das aufgenommene Elektron an densekundaren Chinonakzeptor QB ab.

3. Der Quencher QB kann nun im zweifach negativ geladenen Zustand das PS II verlassen.Nach Aufnahme von zwei Protonen aus dem Stroma tritt er als Plastohydrochinon (PQH2)in den Plastoquinonpool ein (PQ-Pool). Dieser stellt einen Zwischenspeicher zwischenPS II und den nachfolgenden Komponenten der ETC dar.

4. Der PQ-Pool diffundiert durch die Thylakoidmembran zum Lumen, wo er die beidenProtonen abgibt. Die Erhohung der Protonenkonzentration im Lumen, es sind dort nochzusatzlich die 4 Protonen aus der Wasserspaltung vorhanden, fuhrt zum Aufbau einespH-Gradienten uber der Thylakoidmembran. Die daraus resultierende freie Reaktionsen-thalpie ermoglicht uber eine inverse Protonenpume (ATPase) die Synthese des ATP ausADP und Phosphat (Mitchell, 1977; Witt, 1979). Die Reoxidation von PQ erfolgt uber denCytochrom b6/f-Komplex. Das aufgenommene Elektron gelangt in den Plastocyanin-Pool(PC).

5. Das Reaktionszentrum von P700 von PS I ubernimmt die Elektronen und fuhrt eineweitere Ladungstrennung durch. Uber Zwischenschritte (Ax) wird schließlich Ferredoxin(Fd) reduziert.

6. Das Fd gibt seine Ladung an das Enzym Ferredoxin-NADP-Reduktase weiter, es synthe-tisiert NADPH/H+aus NADPH+.

Kapitel 3

Die Fluoreszenz als Meßgroße derPhotosynthese

Zur Untersuchung von Vorgangen in der Photosynthese gibt es mehrere Methoden. Dem Phy-siker bietet sich hier die Moglichkeit, Licht als Signaltrager zu verwenden, da es vergleichsweiseleicht zu handhaben ist und eine Fulle von Informationen liefern kann. Andere physikalischeMeßtechniken sind zum Beispiel die Photoakustik oder die Messung von Sauerstoffentwicklungund CO2-Aufnahme, welche aber nicht Gegenstand dieser Arbeit sind.

Licht

Reabsorption

Energietransfer

Reflexion

Absorption

Transmission

Fluoreszenz/

Lumineszenz

Wärme

Fotosynthese

thermische

DiffusionBlatt

Abbildung 3.1: Darstellung der unterschiedlichen Prozesse, die von der eingestrahlten Lichtenergie imBlatt ausgelost werden konnen (Buschmann und Grumbach, 1985).

Trifft Licht auf ein Blatt, so bestehen mehrere Moglichkeiten, was mit der eingetroffenen Energiegeschieht. Abbildung 3.1 zeigt die unterschiedlichen Prozesse. Fur das Blatt ist die Photosyn-these am wichtigsten, es bezieht hieraus seine Energie zum Leben. Fur Messungen spielen aberdiejenigen Energieformen eine Rolle, die das Blatt verlassen:

• Transmission: Sie enthalt zahlreiche Absorptionssignale, die Aussagen uber die Photosyn-these liefern, z.B. die Thylakoidspannung (Dau et al., 1991) oder den Redoxzustand desReaktionszentrums von PS I (Schreiber et al., 1988; Klughammer und Schreiber, 1994).

• Warme: Die Warmeentwicklung kann photoakustisch gemessen werden und Aufschlußuber die thermische Deaktivierung in der Antenne geben (Dau und Hansen, 1990).

• Reflexion: Sie beinhaltet das bei 535 nm zu messende Scattering-Signal, das mit dempH-Gradienten uber der Thylakoid-Membran zusammenhangt (Krause und Weis, 1984;Hansen et al., 1993).

• Fluoreszenz : Das Fluoreszenz-Singal ist fur die vorliegende Arbeit von besonderem Inter-esse, da auf dessen Messung der zu erstellende Aufbau beruht.

3.1 Entstehung der Fluoreszenz 8

3.1 Entstehung der Fluoreszenz

Beleuchtet man phytosynthetisch aktives Material (grune Blatter, Algen, verschiedene Bakteri-en, aber auch isolierte Chloroplasten), so fuhrt dies zur Emission von Fluoreszenzlicht.Das Licht wird von den Antennen der Photosysteme ausgesandt. Wie im Abschnitt 2.3 darge-stellt, bestehen diese Antennen hauptsachlich aus den Pigmentmolekulen Chl a und Chl b. Inder Abbildung 3.2 findet sich auf der linken Seite das Absorptionsspektrum des Chl a (durch-gezogene Linie). Man erkennt zwei ausgepragte Maxima bei 450 nm (blau) und 680 nm (rot).Diese entstehen durch den Ubergang vom Grundzustand S0 zu hoheren Singulettzustanden SX

(in der Abbildung auf der rechten Seite im ”Jablonski-Diagramm“ dargestellt). Hohere Anre-gungszustande konnen strahlungslos in den S1 ubergehen oder durch einen Energietransfer aufNachbarmolekule deaktivieren.Beim Ubergang vom S1-Zustand nach S0 kann Fluoreszenzlicht ausgesandt werden. Passiertdies nach einer Zeit von mehr als 2 ns, so spricht man von Lumineszenz (delayed fluorescence),letztere kommt allerdings viel seltener vor, das Intensitatsverhaltnis von Lumineszenz zur Flu-oreszenz liegt bei 100 bis 1000 (Blohm, 1994; Ramm, 1991; Bilger und Schreiber, 1990).

Abbildung 3.2: Darstellung des Absorptions- und Emissionsspektrums von Chl a (links). Die entspre-chenden atomaren Zustande sind im Jablonski-Diagramm auf der rechten Seite aufge-tragen (Haken und Wolf, 1987)

Fur ein Exziton gibt es die folgenden Moglichkeiten, von dem S1- in den S0-Zustand zu gelangen,wie dies in der Abbildung eingezeichnet ist:

• durch Fluoreszenz uber die Abstrahlung eines einzelnen Lichtquants,

• uber die sogenannte thermische Deaktivierung durch Abgabe der Energie als Warme,

• durch die Ubertragung der Anregungsenergie auf ein benachbartes Pigmentmolekul,

3.2 Quenching-Mechanismen 9

• durch Abgabe der Energie an das Reaktionszentrum des Photosystems

• indirekt als Phosphoreszenz uber einen Triplettzustand.

Phosphoreszenz tritt sehr selten auf und ist unter normalen physiologischen Bedingungen kaumnachweisbar. Der Prozentsatz des uber die Fluoreszenz abgegebenen Lichtes liegt zwischen 3 und7 % bei intakten, photosynthetisch aktiven Blattern und bei 30 % bei isoliertem Chlorophyll.Dieser Anteil hat eine hohe meßtechnische Bedeutung, weil er ein Maß fur den physiologischenZustand und die Photosyntheseaktivitat der jeweiligen Probe ist.

3.1.1 Die Photosysteme

Die beiden Photosysteme I und II unterscheiden sich sowohl in ihren Absorptions- als auchihren Fluoreszenzspektren. PS I absorbiert maximal bei einer Wellenlange von 700 nm, beiPS II sind es hingegen 680 nm. Mit fernrotem Licht (λ > 700 nm) kann man diese Tatsacheausnutzen, da hiermit hauptsachlich das Photosystem I angeregt wird und damit dessen Einflußauf physiologische Prozesse eingeschatzt werden kann.Die Emission von Fluoreszenzlicht findet bei PS I hauptsachlich bei 735 nm statt, bei PS IIsind es 683 nm. Bei Zimmer-(Labor-)Temperatur kann man davon ausgehen, daß die variableFluoreszenz ausschließlich vom PS II stammt (Baker und Webber, 1987).In der Abbildung 3.2 sind deshalb nur die Absorptions- und Fluoreszenzspektren von PS IIeingzeichnet. Diese sind auch fur diese Arbeit von Bedeutung (u. a. Kapitel 6).

3.2 Quenching-Mechanismen

Alle Mechanismen, die, wie im vorigen Abschnitt behandelt, Moglichkeiten zur Deaktivierungvon S1-Zustanden des Chlorophylls darstellen und zur Verringerung der dazu proportionalenFluoreszenz fuhren, bezeichnet man als Quenching-Mechanismen (to quench = loschen). ZurVeranschaulichung verwendet man das Topfmodell.

3.2.1 Das Topfmodell

Man betrachtet fur dieses Modell einen Topf, den sogenannten Exzitonensee (siehe Abbildung3.3). Die Hohe des Seespiegels ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen eingestrahlter Licht-energie und Exzitonenflussen aus der Antenne heraus. Die Spiegelhohe ist aber nur als statisti-sches Mittel zu betrachten, da bei einer Absorptionsrate von 10 bis 100 Photonen pro Sekundeund einer maximalen Lebensdauer der Exzitonen von 9 µs (Rogers und Bates, 1980) die Pho-tosysteme die meiste Zeit uber leer sind. Der Topf in der Abbildung stellt die Gesamtheit derPhotosysteme II dar.Die Exzitonenenergie kann uber mehrere Wege abgebaut werden: thermische und photochemi-sche Deaktivierung und uber Fluoreszenz-Abstrahlung, wie Abbildung 3.3 darstellt. Die Raten-konstanten kt, kp und kf reprasentieren die zugehorigen Vorgange.Man kann nun annehmen, daß die Ratenkonstante kf der Fluoreszenz konstant ist. Dann spiegeltdie Intensitat des Fluoreszenzsignals den Pegelstand im Exzitonensee wieder und liefert so einewichtige Meßgroße.Fur den Energietransfer zwischen den einzelnen Photosystemen gibt es verschiedene Modelle.Beim Matrix-Modell geht man von einer starken Koppelung der Photosysteme untereinanderaus. Dann ergibt sich der folgende Zusammenhang zwischen den Großen des Topfmodells (Dau,1989, 1994):

3.2 Quenching-Mechanismen 10

E =a I

kf + kt + kp[QA](3.1)

mit E: Hohe des Exzitonenseesa: mittlerer Absorptionsquerschnitt der Photosysteme III: Intensitat des Anregungslichteskf: Ratenkonstante der Fluoreszenzkt: Ratenkonstante der thermischen Deaktivierungkp: Ratenkonstante der photochemischen Deaktivierung[QA]: Konzentration an nichtreduziertem Quencher QA

Daraus ergibt sich die Fluoreszenz F zu:

F = kf E =a I kf

kf + kt + kp[QA](3.2)

Abbildung 3.3: Das Topfmodell. Durch eingestrahltes Licht der Intensitat I bildet sich in denPS II-Antennen ein ”Exzitonensee“. Die Deaktivierung der Exzitonenenergie kannthermisch(kt), photochemisch (kp) oder uber die Abstrahlung von Fluoreszenz (kf) er-folgen.

An dieser Formel lassen sich verschiedene Quenching-Mechanismen gut erlautern: Eine Ver-ringerung der Fluoreszenz F kann bei konstantem kf und konstanter Lichtintensitat I durcheine Verminderung des Absorptionsquerschnitts a der Photosysteme oder eine Erhohung derthermischen oder photochemischen Deaktivierung kt bzw. kp auftreten.Die ersten beiden Punkte bezeichnet man als nichtphotochemisches Quenching qN, die Erhohungvon kp als photochemisches Quenching qp. Mit Hilfe der nichtphotochemischen Prozesse ist diePflanze in der Lage, sich vor zu hohen Lichtintensitaten zu schutzen. Dabei werden verschiedeneArten unterschieden:

• Das Energy-Quenching qE wird auch pH-abhangiges Quenching genannt, weil es zusam-men mit dem Aufbau des pH-Gradienten uber der Thylakoid-Membran auftritt. Es machtsich in einem Anstieg von kt im Zeitraum von 5 bis 20 Sekunden bemerkbar. Die genau-en Prozesse, die zu dieser thermischen Deaktivierung fuhren, sind noch nicht vollstandiggeklart (Dau und Hansen, 1990; Schreiber und Neubauer, 1990; Schreiber et al., 1991;Ramm und Hansen, 1993).

• Beim State-Transition-Quenching qT werden die beweglichen LHCs zwischen den Photo-systemen II und I umverteilt, um eine bessere photochemische Ausnutzung der Anregungs-energie zu ereichen. Dies außert sich in einer Verringerung des Absorptionsquerschnitts a

3.3 Fluoreszenzkinetik 11

und tritt nach 3 bis 10 Minuten auf (Dau und Hansen, 1988; Dau, 1989; Dau und Canaani,1990).

• das Photoinhibitions-Quenching qI wird durch sehr hohe Lichtintensitaten ausgelost. Da-bei werden Einheiten von PS II geschadigt und damit wird die Fluoreszenzausbeute ver-mindert. Dieser Prozeß lauft mit einer Zeitkonstanten von 30 Minuten relativ langsam abund macht sich ebenfalls in einer Verringerung des Absorptionsquerschnitts a bemerkbar(Powles und Bjorkman, 1982; Krause und Laasch, 1987).

3.3 Fluoreszenzkinetik

Wird ein dunkeladaptiertes Blatt mit Licht mittlerer Intensitat bestrahlt, so zeigt das Fluores-zenzsignal einen charakteristischen Verlauf, der in Abbildung 3.4 zu sehen ist. Dieses Phanomenwurde zum ersten Mal von Kautsky und Hirsch (1931) entdeckt und wird haufig als ”Kautsky-Induktionskurve“ bezeichnet. Aus dem Kurvenverlauf kann auf einzelne Prozesse geschlossenwerden. Die in der Grafik eingezeichneten Nummern werden im Abschnitt 3.3.2 genauer be-sprochen.

Abbildung 3.4: Charakteristische Fluoreszenzantwort auf einen Sprung in der Lichtintensitat von IAauf IB. Die eingezeichneten Nummern bezeichnen die zugehorigen Zeitkonstanten, sie-he Text (Hansen et al., 1993)


3.3.1 Yield-Messung

Die Fluoreszenzmessung ist eine sogenannte Yield-Messung. Man unterscheidet dabei zwischenzwei Lichtarten:

• das aktinische Licht (AL) stellt den Zustand des Blattes ein, das heißt die Großen kf, kt

und kp aus der Abbildung 3.3 durch Veranderung der Redoxzustande der ETC und derQuenching-Mechanismen,

• das modulierte Meßlicht (ML) detektiert den vom aktinschen Licht eingestellten Zustand.

Bei einer Messung unterscheidet man zwischen dem integralen Fluoreszenzyield

Y =F

I(3.3)

und dem differentiellen Fluoreszenzyield

y =dF

dI(3.4)

Die Unterschiede sieht man, wenn man Gleichung 3.2 betrachtet: Dort ist der differentielle Yielddann:

y =dF

dI=

kf

kf + kt + kp[QA]a (3.5)

Die Differentiation wird durch das Meßlicht dI bewirkt und ist damit die Antwort dF auf einehochfrequente Anderung dI des Meßlichtes. Hierbei werden QA und kt am Arbeitspunkt genom-men. Diesen Punkt stellt das aktinische Licht ein, das aus dem Licht der hierfur vorgesehenenLichtquelle (meist eine Halogenlampe) und dem Mittelwert des Meßlichtes besteht.Der integrale Yield ist das Verhaltnis zwischen der Fluoreszenzintensitat F und der des ein-gestrahlten Lichtes I. Das Verhaltnis F/I kann zwar auch formal durch den Quotienten ausGleichung 3.5 beschrieben werden, er ist aber nicht unabhangig von I, da QA und kt sich mitI andern.Nun kann man aber die Frequenz des Meßlichtes so hoch wahlen, daß sich die Parameter derGleichung 3.5 wahrend einer Meßlichtperiode nicht andern. Dann ist der mit diesem Meßlichtgemessene differentielle Fluoreszenz-Yield mit dem integralen identisch:

y =F

I=

dF

dI(3.6)

Durch das niederfrequente aktinische Licht werden die Parameter der Photosynthese, wie obenbeschrieben, verandert, aber auch das Meßlicht wirkt aktinisch. Da die Yieldmessung aber nurProzesse detektiert, die langsamer als die Meßlichtperiode ablaufen, wirkt das Meßlicht alsaktinischer Gleichanteil.


Abtrennung unerwunschter Signale durch die Yield-Messung

Den Sinn einer Yield-Messung kann man sich auch anhand der folgenden Rechnung klar machen:Fur die verwendeten Lichter, das Meßlicht IM und das aktinische Licht Iact, und die Reaktionf der Pflanze darauf gilt:

IM = IM0 + ∆IM (3.7)Iact = Iact0 + ∆Iact

f = f0 + ∆f

mit IM Intensitat des MeßlichtesIM0 konstanter Anteil des Meßlichtes∆IM variabler Anteil des Meßlichtes mit der Frequenz fM

Iact Intensitat des aktinischen LichtesIact0 konstanter Anteil des aktinischen Lichtes∆Iact variabler Anteil des aktinischen Lichtes mit der Frequenz fA

f Fluoreszenzf0 konstanter Anteil der Fluoreszenz∆f variabler Anteil der Fluoreszenz mit der Frequenz fA

Die von der Pflanze ausgesandte Fluoreszenz setzt sich dann aus den Anteilen zusammen, diedurch das aktinische Licht und das Meßlicht erzeugt werden:

f = (f0 + ∆f) IM + (f0 + ∆f) Iact (3.8)

Mit den Gleichungen 3.7 eingesetzt und ausmultipliziert folgt:

f = f0IM0 + f0∆IM + ∆fIM0 + ∆f∆IM (3.9)+ f0Iact0 + f0∆Iact + ∆fIact0 + ∆f∆Iact

Wird nun ein Korrelator mit der Meßlichtfrequenz (siehe Abschnitt 6.3) nachgeschaltet, sotrennt dieser alle Signalanteile ab, die nicht die Meßlichtfrequenz haben:

• f0IM0 und f0Iact0 sind konstant und entfallen.

• Alle Terme ohne ein ∆IM haben nicht die Meßlichtfrequenz und fallen damit auch weg;dies betrifft die ganze zweite Halfte der Summe und ∆f IM0.

Dann bleibt ubrig:f = f0∆IM + ∆f∆IM (3.10)

Der erste Summand liefert einen konstanten Betrag, da ∆I eine konstante Amplitude hat.Der zweite Term jedoch enthalt die niederfrequenten Anderungen von ∆f , die die gesuchtenInformationen tragen.Wurde man kein Meßlicht verwenden, so entfielen in der Gleichung 3.9 die erste Zeile derSummanden, und es bliebe nach dem Korrelator, der nun mit der Frequenz des aktinischenLichtes laufen wurde:

f = f0∆Iact + ∆fIact0 (3.11)

Der Term ∆f0∆Iact entfallt hier, weil dieser die doppelte Frequenz besitzt (die Frequenz vonf liegt nun im Bereich des aktinischen Lichtes). Der gewunschte informationstragende Termist ∆fIact0, aber dieser wird durch einen sehr großen Term f0∆Iact gestort. Wenn man einsinusformiges aktinisches Licht benutzt, haben ∆f und ∆Iact die gleiche Frequenz, sind alsonicht unterscheidbar, im Gegensatz zu f0 ∆IM und ∆f ∆IM in Gleichung 3.10. Dort hat nur∆f die aktinische Frequenz. Deshalb ist die Verwendung der Yield-Messung sinnvoll, weil sonichtinformationstragende Signalanteile ausgeblendet werden. Diese Herleitung gilt zwar nurfur sinusformige Signale, aber nach Fourrier laßt sich jedes Signal in solche zerlegen und damitgilt die Argumentation auch allgemein.


3.3.2 Die Zeitkonstanten und ihre Bedeutung

Unter linearisierenden Meßbedingungen (Hansen et al., 1991) laßt sich die Fluoreszenzantwortauf einen Sprung aus der Abbildung 3.4 durch die Summe von Exponentialfunktionen nahern:

f(t) =n∑

i=1

Ai

(1− e

− tτi

)(3.12)

Jede Zeitkonstante τi entspricht dabei naherungsweise einem Prozeß wahrend der Photosynthe-se. Die Amplitudenfaktoren Ai spiegeln die Auspragung der jeweiligen Prozesse wider. FolgendeProzesse liegen den in der Abbildung 3.4 dargestellten Zeitkonstanten zugrunde:

τ1 < 1 s Das Anwachsen der Fluoreszenzausbeute wird hauptsachlich durch die Zu-nehmende Reduktion des Quenchers QA verursacht.

1 < τ2 < 10 s Das leichte Absinken der Fluoreszenz spiegelt die Redoxzustandsanderungim PQ-Pool wieder aufgrund der Saugwirkung von PS I. In dieser Phasewird QA verstarkt vom PQ reoxidiert. Damit ist eine Zunahme des Elektro-nenflusses verbunden, der sich in der Verringerung der Fluoreszenzausbeuteaußert.

2 < τ3 < 20 s Die zunehmende Reduktion der Akzeptoren von PS I bewirkt eine Abnahmeder Reoxidation von PQ. Dies fuhrt zu einem Mangel an Akzeptoren furPS II, was einen Anstieg der Fluoreszenz auf den Maximalwert P mit sichbringt (Vanselow, 1993).

3 < τ4 < 30 s Der steile Abfall der Fluoreszenz ist zum einen auf verstarktes Energy-Quenching durch den Aufbau des pH-Gradienten uber der Thylakoid- Mem-bran zuruckzufuhren (Hansen et al., 1987, 1993; Dau und Hansen, 1989,1990). Außerdem verursacht das mit dem Aufbau des pH-Gradienten zu-sammenhangende Anlaufen des Calvin-Zyklusses und die damit verbun-denen Sogwirkung auf die ETC auch einen Anstieg des photochemischenQuenchings.

10 < τ5a < 100 s Diese Zeitkonstante, die mit einer Zunahme der Fluoreszenz auf das Neben-maximum M einhergeht, hangt mit der lichtinduzierten Ca2+-Aufnahme indie Chloroplasten (Plieth und Hansen, 1992, 1998; Vanselow et al., 1989)zusammen.

50 < τ5b < 250 s Der genaue Ursprung dieses Prozesses ist zur Zeit noch nicht bekannt. Eswird ein Zusammenhang mit der verstarkten Umwandlung von ATP zuADP ermutet (Dau, 1994).

200 < τ6 < 1000 s Diese Phase verschwindet nach Zugabe von NaF, das den Austausch derbeweglichen LHC zwischen den Photosystemen hemmt. Aus diesem Grundewird τ6 dem Lichtverteilungsregler zugeordnet (Dau und Canaani, 1990,1992).

Die Sekundenangaben der Zeitkonstanten sind Orientierungswerte. Sie hangen stark von der Artder Pflanze, ihrem jeweiligen physiologischen Zustand sowie der eingestrahlten Lichtintensitatab.

Kapitel 4

Uberblick uber das Vorgehen

4.1 Fluoreszenz-Messungen

Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Verfahren, mit denen es moglich sein sollte,vom fahrenden Fahrzeug Schadigungen und Erkrankungen von Pflanzen zu bestimmen. Da diesaber nach Moglichkeit beruhrungslos geschehen sollte, weil sonst die Pflanzen beschadigt werdenkonnten und der zeitliche Aufwand fur das Auswahlen von Stichproben zu groß ware, bietetsich die bereits beschriebene Chlorophyll-Fluoreszenz an, weil diese beruhrungslos nur mit Lichterfolgt.Dieses Meßverfahren ist zu einem Standard-Werkzeug geworden, das, wie in der Einleitungbeschrieben, sehr haufig eingesetzt wird. In den meisten Fallen handelt es sich hier allerdingsum massive Veranderungen, zum Beispiel volliges Ein- oder Ausschalten der Photosynthese vonFlechten bei Trockenstreß (Schroter et al., 1991), oder Nachweis von Algenbluten in Gewassern(Moldaenke und Hansen, 1994; Moldaenke et al., 1995). Bei geringer Streßbelastung muß damitgerechnet werden, daß die Photosynthese wenig beeinflußt wird. Die Pflanze nimmt ihre zentraleEnergieversorgung so wichtig, daß dieser Prozeß mit allen Mitteln aufrechterhalten wird. Sofindet man bei den sehr lichtempfindlichen, herbizid-resistenten Unkrautern bei Lichtstreß biszum Tode kaum eine Veranderung der Photosynthese. Die beschadigten Photosysteme werdensofort repariert, aber die metabolischen Kosten dafur fuhren schließlich zum Zusammenbruchdes Systems (Sundby et al., 1993). Aus diesem Grunde muß fur jede neue Fragestellung dieEignung der Photosynthese als Biomonitor in Vorversuchen geklart werden.Dazu reicht im allgemeinen die Messung eines einzelnen Datenpunktes nicht aus, man mußvielmehr einen mehr oder minder großen Teil einer Induktionskinetik aufnehmen, was bei einemFahrzeug wesentlich schwieriger ist als bei einem Meßstand im Labor.

4.2 Aufnahme einer Kinetik

Um eine Kinetik-Kurve wie in der Abbildung 4.1 aufnehmen zu konnen (die Kurve wurdemit einer Pflanze gemessen und entspricht bis auf die Achsenskalierung der bereits gezeigtenKautsky-Induktionskurve aus Abbildung 3.4), muß das zu messende Blatt aktinischem Lichtausgesetzt und mussen die Fluoreszenzsignale uber einen langeren Zeitraum erfaßt werden. ImLabor kann dies sehr einfach erfolgen, indem uber langere Zeit kontinuierlich Daten aufgenom-men werden. Vom Fahrzeug aus geht dies nicht, da nach kurzer Zeit das zu beobachtende Blattden Bereich des Detektors bereits verlassen hat. Abhilfe schafft hier die folgende Vorgehensweise:Montiert man an das Fahrzeug, wie in der Abbildung 4.1 unten rechts gezeigt, vorne eineHalogenlampe, die aktinisch wirkt und die Kinetik auslost, und dahinter mehrere Detektoren,so kommen diese zu unterschiedlichen Zeiten nach der Beleuchtung an dem entsprechendenBlatt vorbei und konnen dabei viele Punkte der Kurve aufnehmen, wie in der Grafik zu sehen.Die verschiedenen Punkte mussen spater nur einander zugeordnet werden.

4.3 Vorgehen beim Meßaufbau 16

Abbildung 4.1: Messung einer Kinetikkurve durch einen fahrenden Traktor: Verschiedene Punkte aufder Induktionskurve werden durch jeweils einen Detektor gemessen, der zu der Zeitdaruber ist.

4.3 Vorgehen beim Meßaufbau

Der zu entwickelnde Meßaufbau hat dann mehrere Forderungen zu erfullen:

• Beruhrungsloses Messen: Die bisher zur Fluoreszenzmessung verwendeten Aufbauten mus-sen auf großere Entfernungen (Großenordnung 1 m) erweitert werden. Auch kann eine Ab-schirmung vor Lichtes von außen hier nicht mehr einfach geschehen, also muß das Systemauf Hintergrundlicht tolerant reagieren.

• Messen einer Kinetik-Kurve: Wie im letzten Abschnitt dargelegt, muß die Messung ei-ner Induktionskinetik-Kurve hier durchgefuhrt werden, indem statt einer kontinuierlichenMessung viele Detektoren hintereinander weg uber das Blatt gefahren werden und da-mit geeignete Punkte auf der Kurve ermitteln. Da jeder dieser Detektoren eine eigeneSpur von Meßdaten erzeugt, mussen aus diesen Daten die Meßpunkte zusammengesuchtwerden, die zum selben Blatt gehoren.

• Erkennen einer Krankheit : Aus den ermittelten Kinetik-Kurven mussen dann geeigneteParameter gefunden werden, die daraus eine Einschatzung des Zustandes der Pflanzeerlauben. Dazu mussen charakteristische Symptome bekannt sein.

Bei der Losung dieser beschriebenen Probleme wird in dieser Arbeit wie folgt vorgegangen:Im Kapitel 5: ”Messungen mit Weizen“ wird versucht, durch eine ausgewahlte Weizenkrank-heit verursachte Veranderungen der Pflanzen mit Standardmethoden zu messen, um darausParameter fur die automatische Suche ableiten zu konnen.In den Kapiteln 6: ”Gerateaufbau I: Grundsatzliche Meßtechnik“ und 7: ”Statische Messungen“wird ein Meßaufbau entwickelt und getestet, der in der Lage ist, aus großerer Hohe Chlorophyll-Fluoreszenz zu messen.Die Erweiterung auf fahrbare Messungen muß dabei einen besonderen Weg gehen: Da im Labordas Fahren eines Meßaufbaus nicht praktikabel ist, wird hier anders verfahren: Der Aufbau wirdfest montiert, die Pflanzen werden mit Hilfe einer elektrischen Eisenbahn unter den Detektorenhindurchgefahren. Dieser Aufbau wird im Kapitel 8: ”Gerateaufbau II: Gleisanlage“ vorgestellt.

4.3 Vorgehen beim Meßaufbau 17

Zum Zusammensuchen der Meßwerte eines Blattes werden dann im Kapitel 9: ”Software“ diedazu notigen Programme vorgestellt, und im Kapitel 10: ”Einsatz der Software und Verbesse-rungen“ folgen Tests und Verbesserungen.Das Kapitel 11: ”Messungen und Verbesserungen der Anlage“ bringt dann Messungen mitfahrendem Zug und notige Veranderung der Anlage.Da fur eine Arbeit wie diese die eigentlich notige Zahl von Detektoren nicht erreicht werden kann,aber trotzdem eine Kinetikkurve gemessen werden soll, ist in Kapitel 12: ”Kinetik-Messungen“eine Simulation mit etwas anderen Mitteln zu sehen. Hier folgt auch ein direkter Vergleich vonKinetik-Messungen von gesunden und von kranken Pflanzen.

Kapitel 5

Messungen mit Weizen

Im ersten Teil dieser Arbeit sollte untersucht werden, inwieweit es moglich ist, mit Hilfe derMessung von Chlorophyll-Fluoreszenz durch Pilzbefall erkrankte Pflanzen von gesunden zuunterscheiden.Da Untersuchungen einer großeren Anzahl von schadlingsinduzierten Erkrankungen im Rahmendieser Diplomarbeit viel zu aufwendig gewesen waren, wurde eine einzelne Krankheit mit in-teressanten Eigenschaften als Beispiel ausgewahlt: Es handelt sich dabei um einen Pilz namensSeptoria Tritici oder auch Blattdurre, welcher nicht nur ein großes Schadpotential hat, son-dern vor allem auch in Norddeutschland weit verbreitet und schwer zu erkennen ist. GenauereAngaben dazu folgen im nachsten Abschnitt.Die im folgenden ermittelten Parameter zur Erkennung der ausgewahlten Krankheit sind zwarspeziell auf diese zugeschnitten, dies gilt aber nicht fur die verwendeten Verfahren, welche sichauch bei anderen Schadigungsarten verwenden lassen. Deshalb wird diese Arbeit durch dieBeschrankung auf eine Befallsart nicht zu speziell.Nach der Beschreibung von Septoria Tritici finden sich in diesem Kapitel eine Darstellung desMeßaufbaus und die Ergebnisse der Messungen mit eigens im Labor gezogenen Pflanzen undsolchen vom Feld.

5.1 Septoria Tritici – Eine Weizenkrankheit

Septoria Tritici, auch Blattdurre genannt, ist ein Pilz und befallt ausschließlich Weizenpflanzen.Er tritt besonders in maritimen Klimaregionen auf (Verreet, 1995) und damit auch sehr haufigin den Marschgebieten Norddeutschlands. Wird ein Weizenfeld befallen, so kann dies bis zu30 % Ertragseinbußen verursachen.Die Infektion mit Septoria Tritici findet uber windverbreitete Sporen statt, wobei zwei ver-schiedene Stadien unterschieden werden:

• Hauptfruchtform oder sexuelles Stadium. In diesem kann der Pilz die Zeit ohne Bewuchsauf den Feldern uberdauern und wird dann bei Beginn der Wachstumsperiode mit Windund Wasser auf den Feldern verteilt. Dadurch entsteht die Primarinfektion des Bestandes,die fast gleichmaßig uber das Feld erfolgt.

• Nebenfruchtform oder asexuelles Stadium. Dieses entsteht aus der Primarinfektion undbewirkt die fast epidemische Verbreitung auf dem Feld. Die Verbreitung erfolgt durchSporen von einer Blattetage zur nachsten.

Da fur die Schadigung der befallenen Pflanzen, weitere Infektionen wahrend der Wachstumspe-riode und die Bekampfung fast ausschließlich die Nebenfruchtform von Interesse ist, wird nurdiese im folgenden betrachtet.

5.1 Septoria Tritici – Eine Weizenkrankheit 19

Abbildung 5.1: Stuck eines Weizenblattes, das von Septoria Tritici befallen ist. Die helle Stelle in derMitte ist eine Lasion, darin die schwarzen Pyknidien (Fruchtkorper).(Dieses Photo findet sich im Anhang als Abbildung B.1 in Farbe.)

5.1.1 Verlauf

Gelangt eine Spore auf ein Blatt, so sucht sich ein ausgetriebener Keimschlauch eine Spaltoff-nung. Innerhalb der nachsten neun Tage bildet der Pilz dann in allen Richtungen des Wirts-gewebes Hyphen aus, die sich aber nicht durch makroskopisch sichtbare Veranderungen desBlattgewebes bemerkbar machen.Erst nach einer langeren Inkubationszeit von bis zu 30 Tagen werden im Blatt durch das nunerfolgende Absterben von Zellen braune Lasionen sichtbar, in denen sich nach und nach schwarzePyknidien (Fruchtkorper) bilden. Sind diese reif, so offnen sie sich und geben die Sporen frei.Ein Bild einer Befallsstelle findet sich in der Abbildung 5.1.Die Sporenverbreitung wird dann durch Niederschlage bewerkstelligt. Die kinetische Energieder auftreffenden Regentropfen schleudert die Sporen auf die nachste Blattetage. Auch dort istFeuchtigkeit notig, damit die Keimhyphe eine Offnung des Blattes suchen kann. Die Infektionkann sich innerhalb der Pflanze durch Wachstum alleine nicht uber ein erkranktes Blatt hin-aus ausbreiten. Fehlt die notige Feuchtigkeit, so kann kann der Pilz das befallene Blatt nichtverlassen.Im weiteren sorgt das sich ausbreitende Mycel des Pilzes dafur, daß immer mehr Teile der Blattesabsterben und damit auch die Photosynthese als Energielieferant ausfallt, worunter schließlichdie Versorgung der ganzen Pflanze und vor allem der Frucht leidet. Auf diese Weise kommendie hohen Ernteeinbußen zustande.

5.1.2 Erkennung und Bekampfung

Wie oben gesagt, ist eine Fruherkennung von Septoria Tritici nur schwer moglich, da die Pflanzein der langen Zeit zwischen Infektion und Auftreten von Lasionen keinerlei außere Anzeichenzeigt.Der bisher in der Landwirtschaft verfolgte Ansatz arbeitet mit einer indirekten Erkennung. Wirdim Bestand ein Krankheitsausbruch erkannt, so ist es nicht mehr moglich, die Krankheit selbstzu bekampfen, da die verfugbaren Fungizide bis maximal 14 Tage nach der Infektion wirksamsind. Allerdings kann ein Befall der nachsten Blattetagen verhindert werden. Hierzu beobachtetman die Witterung. Stellt man dabei einen genugend starken Niederschlag und in der Folge eine

5.2 Meßaufbau 20

hinreichend langen Phase der Blattnasse fest, so hat hochstwahrscheinlich ein Infektionsereignisstattgefunden. Nun kann einige Tage spater der Einsatz von Fungiziden stattfinden, die dannnoch eine Wirkung haben.Auf diese Weise ist eine relativ sichere Bekampfung von Septoria Tritici moglich. Allerdingshat dieses Verfahren zwei entscheidende Nachteile:

• Es kann erst dann eine Bekampfung der Weiterverbreitung stattfinden, wenn sich bereitsauf einigen Blattern Lasionen gezeigt haben, also bereits eine Schadigung vorliegt.

• Der Fungizid-Einsatz erfolgt vorbeugend, man nimmt nur an, daß eine Infektion statt-gefunden hat, kann dies aber nicht sicher feststellen. Es wird also vermutlich zuviel Giftgekauft und in die Umwelt gebracht.

Das Ziel ist also in diesem Fall, eine Infektion bereits dann zu erkennen, wenn dies von außennoch nicht moglich ist, und so fruh, daß ein wirksamer Fungizid-Einsatz noch erfolgen kann.

5.2 Meßaufbau

Im ersten Teil dieser Arbeit geht es darum Krankheitssymptome bei Weizenpflanzen mit Hilfeder Chlorophyll-Fluoreszenz zu erkennen, um dann in den folgenden Teilen eine Meßtechnik zuentwickeln, die in der Lage ist, vom fahrenden Traktor aus diese Symptome zu entdecken. Daes inzwischen vielfach eingesetzte Meßsysteme gibt, die unter Laborbedingungen die Fluores-zenz messen konnen, wurde in dieser Phase auf bestehende Gerate zuruckgegriffen, da die dortverwendeten Meßverfahren zum Teil auch in die spateren Entwicklungen eingehen sollen undsie nicht eigens gebaut werden mußten.Verwendet wurden zwei Gerate mit verschiedenen Meßverfahren, welche in den nachsten Ab-schnitten beschrieben werden. Dies ist zum einen das von Schreiber et al. (1986) entworfenePAM-Gerat und zum anderen die in den Diplomarbeiten von Giannikos (1995) und Schinner(1997) entwickelte FC-Maschine. Da das PAM in vielen Vorgangerarbeiten genugend beschrie-ben wurde und die FC-Maschine in den beiden Diplomarbeiten behandelt wird, soll im folgendennur kurz auf diese beiden Maschinen eingegangen werden.

5.2.1 Das PAM

Das Puls-Amplituden-Modulierte Fluorometer (PAM ) wird von der Firma Walz gebaut undgeht auf eine Entwicklung von Schreiber et al. (1986) zuruck. Es hat sich inzwischen zu eineminternationalen Standardgerat entwickelt.Eine Prinzip-Skizze des Meßaufbaus zeigt Abbildung 5.2. Dieses Gerat benutzt fur die Mes-sung der Fluoreszenz des Chlorophylls getrenntes aktinisches Licht und Meßlicht. Das gepulsteMeßlicht kommt uber einen Lichtleiter aus einer LED auf das Blatt, und das zuruckgestrahlteLicht wird mit einer Photodiode aufgefangen. Ein Korrelator (siehe 6.3.1) trennt dann darausdas Yield -Signal ab (siehe Abschnitt 3.3.1: ”Yield-Messung“).Das rote Anregungslicht, das vom PAM gesteuerte LEDs erzeugen, wird uber einen Lichtleiterzum Blatt gefuhrt. Ebenso wird mit dem Licht einer Halogenlampe verfahren (der Shutter dientzum schnelleren Hoch- und Herunterfahren der Lampe), das je nach Starke als sattigender Blitzoder als aktinisches Licht wirkt. Dieses durchlauft allerdings vorher noch ein Warmefilter. Dievom Blatt zuruckgestrahlte Fluoreszenz wird wieder mit einem Lichtleiter zum Detektor geleitet,dessen Signal das PAM empfangt. Ein angeschlossener Rechner steuert das aktinische Licht undnimmt die Meßdaten vom PAM auf.Das PAM halt die Meßlichtintensitat konstant und mißt mit Hilfe der Fluoreszenz die Hohe desExzitonenseespiegels (siehe 3.2.1: ”Das Topfmodell“).

5.2 Meßaufbau 21

LED-Ansteuerung

Takt-Geber

SelektiverVerstärker

LED-Emitter

Photodioden-Detektor

Impuls-Verstärker

Daten-Aufzeichnung

Strom-Impulse

Impuls-Signale

Filterl < 680 nm

Filterl > 700 nm

zu untersuchendes Blatt

A B

Abbildung 5.2: Prinzip des PAM: A: Aufbau einer PAM-Messung: Uber einen Lichtleiter wird dasAnregungslicht von LEDs und das Licht von einer Halogenlampe zum Blatt gefuhrt.Das Detektorsignal wird dann wieder an das PAM ubergeben. Ein Rechner steuert denAblauf und nimmt die Meßwerte auf.B: Schematischer Aufbau des PAM: Rote Meßlichtimpulse werden von LEDs ausge-sandt. Das Blatt sendet Fluoreszenzlicht zuruck. Dieses, aber nicht das Meßlicht, wirdvom zweiten Filter zum Detektor durchgelassen. Der selektive Verstarker macht darausdas Signal.

5.2.2 Die FC-Maschine

Der Ansatz bei dieser Maschine ist ein anderer (Schinner et al., 2000): Im Gegensatz zum PAMwird hier die Meßlichtintensitat so geregelt, daß die Fluoreszenz konstant bleibt. Dadurch wirdnicht die Seehohe gemessen, sondern uber den Photonenfluß des Meßlichtes der Fluß aus demExzitonensee.Eine Ubersicht uber den Aufbau der FC-Maschine gibt Abbildung 5.3. In einer Meßkammerbefinden sich wieder Meßlicht-LEDs und ein Photodetektor. Wie beim PAM wird auch hier ubereinen Lichtleiter Halogenlicht zugefuhrt. Ein Regler sorgt dafur, daß das vom Photodetektorgemessene Fluoreszenz-Signal des Blattes einem festen Sollwert entspricht, indem die Intensitatder Meßlicht-LEDs entsprechend eingestellt wird. Das vom Computer aufgezeichnete Meßsignalist in diesem Falle der Leuchtdiodenstrom.

5.2.3 Meßablauf: Sattigungsblitzmethode

Bei der Messung von Fluoreszenz ist es ublich, jeweils zwei ausgezeichnete Zustande der Photo-systeme zu bestimmen: die Werte der Fluoreszenz bei vollstandig oxidiertem bzw. reduziertemQuencher QA (Abbildung 2.3). Diese werden mit F0 (minimale Fluoreszenz) bzw. FM (maximaleFluoreszenz) bezeichnet, wenn die Messung nach langerer Dunkeladaption erfolgt. Im helladap-tierten Zustand heißen die entsprechenden Großen F ′

0 bzw. F ′M. Hat man diese Werte bestimmt,

so kann man daraus das photochemische und nichtphotochemische Quenching berechnen.Fur die FC-Maschine gilt dies im Prinzip auch, nur daß hier die gemessene Große nicht dieFluoreszenz, sondern der Elektronenfluß ist. Deshalb bezeichnet man die Großen an den ausge-

5.2 Meßaufbau 22

Abbildung 5.3: Prinzip der FC-Maschine: Ein Regler stellt die LEDs so ein, daß das vom Photodetektorgemessene Signal konstant ist. Die Halogenlampe dient als aktinisches Licht. Der LED-Strom ist das zu messende Signal und wird aufgezeichnet.

zeichneten Meßpunkten auch mit φ0 bzw. φM. Die Indizes bezeichnen dabei wieder den Zustandvon QA, aber die Werte drehen sich um, da zwischen den Großen der PAM- und FC-Messungenein reziproker Zusammenhang besteht (Schinner et al., 2000):

maximale Fluoreszenz FM ↔ minimaler Exzitonenfluß φM

minimale Fluoreszenz F0 ↔ maximaler Exzitonenfluß φ0

Als standardisierte Meßmethode fur diese Großen gilt die sogenannte Sattigungsblitzmethodenach Schreiber et al. (1986), die mit dem von Schreiber entwickelten PAM-Gerates oder derFC-Maschine durchgefuhrt wird.Fur die Messungen mit beiden Geraten findet ein standardisiertes Lichtprotokoll Verwendungwie es Abbildung 5.4 zeigt. Es wird hierbei zwischen zwei Lichtern, dem Meßlicht (ML) unddem aktinischen Licht (AL), unterschieden. Das aktinische Licht stellt den Zustand des pho-tosynthetischen Apparates ein (wie bereits in Abschnitt 3.3.1 beschrieben), das Meßlicht solldiesen Zustand messen.Den Ablauf der Messung aus der Abbildung beschreibt der folgende Abschnitt, wobei das dortgesagte direkt nur fur PAM-Messungen gilt. Das Meßprotokoll wird aber genauso bei FC-Messungen verwendet, nur daß hier die Fluoreszenz immer konstant ist, dafur sich aber dieElektronenflusse andern, fur die das Gesagte dann analog gilt.

1. Zur Messung der Grundfluoreszenz F0 bzw. φ0 muß das Blatt vorher dunkeladaptiertworden sein; das Meßlicht (ML) darf keine zu große Intensitat besitzen. In diesem Fall sindalle Reaktionszentren von PS II geoffnet, das heißt QA ist vollstandig oxidiert, was QA = 1in Gleichung 3.2 entspricht. Aus diesem Grund kann eine maximale Anzahl von Elektronenin die ETC fließen, die Fluoreszenz ist minimal. Deshalb tritt maximales photochemischesQuenching auf (qP = 1; qN = 0), wobei hier qN die thermische Deaktivierung ist, die uberdem immer vorhandenen minimalen kt liegt.

5.2 Meßaufbau 23

Abbildung 5.4: Schematische Darstellung der durch die Sattigungsblitzmethode ermittelten Fluores-zenzniveaus: F0, FM Fluoreszenz bei geoffneten bzw. geschlossenen Reaktionszentrennach Dunkeladaption; F ′

0, F ′M im helladaptierten Zustand.

Es wird zwischen verschiedenen Lichtarten unterschieden: ML = Meßlicht (λ =660 nm), SB = sattigender Blitz (Halogenlicht, 0,5 - 2 s), AL = aktinisches Licht

2. Durch einen sattigenden Blitz (SB) von 0,5 s bis 2 s Dauer und mit einer Intensitat vonca. 1000 W/m2 wird QAvollstandig reduziert. Das entspricht QA= 0 in Gleichung 3.2 undaußert sich bei einem dunkeladaptierten Blatt in einer maximalen Fluoreszenzantwort.Da der Akzeptor QAvollig reduziert ist, kann er bei zusatzlichem Meßlicht keine Elektro-nen mehr aufnehmen. Es tritt deshalb weder photochemisches noch nichtphotochemischesQuenching auf (qP = 0 ; qN = 0).

3. Um die Kautsky-Induktionskurve zu erhalten, wird aktinsches Licht (AL) mittlerer In-tensitat eingeschaltet. Die Fluoreszenz zeigt einen schnellen Anstieg, dem ein langsamerAbfall mit eventuell mehreren Nebenmaxima auf einen Gleichgewichtszustand F folgt.

4. Werden wahrend der Induktionskurve in bestimmten zeitlichen Abstanden erneut satti-gende Blitze auf das Blatt gegeben, so wird die maximale Fluoreszenz F ′

M im helladaptier-ten Zustand gemessen, die im Vergleich zu FM durch anwachsendes nichtphotochemischesQuenching verringert ist (qP = 0 ; 0 < qN < 1).

5. Nach Ausschalten des aktinischen Lichtes wird die Grundfluoreszenz F ′0 im helladaptierten

Zustand erreicht. F ′0 kann wegen des inzwischen angewachsenen nichtphotochemischen

Quenchings tiefer als F ′0 liegen (qP = 1 ; 0 < qN < 1).

5.3 Auswerteverfahren der Messungen 24

Aus den gemessenen Großen F , F0, F ′0 FM, F ′

M lassen sich die Quenching-Parameter wie folgtberechnen (Schreiber et al., 1986; van Kooten und Snel, 1990):Photochemisches Quenching: qP = F ′

M−F

F ′M−F ′

0

bzw.Nichtphotochemisches Quenching: qN = 1− F ′

M−F ′0

FM−F0

Außerdem liefert das FM-F0-Verhaltnis Aussagen uber den physiologischen Zustand des Blattes,bei einem gesunden ist es 4 - 5, ein krankes Blatt hat meist niedrigere Werte (2-4).

Lichtprogramme

Um einen Meßverlauf wie in Abbildung 5.4 zu bekommen, mussen die verschiedenen Lichterentsprechend ein- und ausgeschaltet werden. Dazu diente ein Lichtprogramm, durch das derComputer uber entsprechende Ausgange die Steuerung ubernahm.Fur die folgenden Messungen wurde ein Standardprogramm verwendet, das fur eine Meßdauervon 620 Sekunden ausgelegt ist:

- ML: Das Meßlicht ist die ganze Messung uber eingeschaltet.- AL: Aktinisches Licht wird nach 60 Sekunden eingeschaltet und bleibt bis 360 s an.- SB : Der erste sattigende Blitz erfolgt nach 30 s, dann ab der 70. Sekunde alle 20 s.

Die sattigenden Blitze wurden immer von einer Halogenlampe geliefert, das aktinische Licht hat-te bei der FC-Messungen eine Intensitat von 300 µmol cm−2 s−2 und wurde von roten Leucht-dioden geliefert. Bei den PAM-Messungen wurde das aktinische Licht auch von der Halogen-lampe erzeugt, deren Helligkeit reduziert wurde, die eine Intensitat von 700 µmol cm−2 s−2 und1000 µmol cm−2 s−2 hatte.

5.3 Auswerteverfahren der Messungen

Mit den Pflanzen wurde eine ganze Reihe von Messungen mit dem PAM und der FC-Maschinedurchgefuhrt, dabei ergab sich fur jede Messung eine Kurve, wie sie in Abbildung 5.5 zu sehenist. Daraus wurden zur Auswertung die eingezeichneten Parameter wie folgt ermittelt:

• PAM : Hier sollen die unter 5.2.3 genannten Quenching-Parameter und das FM-F0-Verhalt-nis berechnet werden. Dazu werden aus den Meßgrafiken die Werte F0, FM, F ′

M, F ′0 und

F ermittelt, wie sie in Abbildung 5.5 eingezeichnet sind.

• FC : Fur FC-Messungen spielen Quenching-Parameter eine geringe Rolle. Sie konnen auchberechnet werden (Gleichungen siehe Schinner et al. (2000)), aber die FC-Maschine liefertdie interessanten Großen direkt, namlich die Flusse in Thermik und Photochemie. DieQuenching-Paramter sind im Grunde nicht vollkommen ”rein“, sondern enthalten nochAnteile des jeweils anderen Prozesses (Havaux et al., 1991). Erfaßt werden im ”SteadyState“ bei Beleuchtung und Dunkelheit jeweils der Fluß in die Thermik und der Gesamt-fluß, aus dem mit

El-Fluß = Gesamtfluß – Termik

der Elektronenfluß errechnet werden kann, und die analogen Großen zur PAM-Messungφ0und φM. Außerdem wurden die beiden Extrempunkte nach dem Ein- und Ausschal-ten des aktinischen Lichtes (Minimum bzw. Maximum des Flusses) abgelesen und derGesamtfluß und die Thermik beim jeweils ersten Blitz nach diesen Stellen.

Die Auswirkungen einer Infektion mit Septoria Tritici auf die Prozesse der Photosynthese sindaus der Literatur nicht bekannt, noch gibt es hierzu Messungen. Deshalb sind hier Pilotmessun-gen durchgefuhrt worden, um mit einer Auswertung nur durch Darstellung und Betrachtungder ermittelten Parameter Veranderungen feststellen zu konnen. Dazu wurden die Daten jeweils

5.3 Auswerteverfahren der Messungen 25

in Diagramme gezeichnet und versucht, Grenzwerte zwischen den kranke und mitgemessenen,nicht infizierten Kontrollpflanzen zu ermitteln.

Abbildung 5.5: Zwei Beispiele einer Messung mit dem Lichtprogramm und ermittelte Parameter furdie Auswertung. A: Messung mit dem PAM, F , F ′

M und F ′0 werden im ”Steady State“

gemessen.B: Messung mit der FC-Maschine, Index ”L“ fur ”Licht“ und ”D“ fur ”dunkel“. Nebenden Blitzen (z.B. bei 30 s) sind das Ein- und Ausschalten des aktinischen Lichtes (60bzw. 360 s) sowie der reziproke Zusammenhang zwischen PAM und FC sichtbar.

5.4 Messungen mit gezuchteten Pflanzen 26

5.4 Messungen mit gezuchteten Pflanzen

Die folgenden Messungen sollten eigentlich die Motivation liefern fur die Entwicklung eines Ver-fahrens, Chlorophyll-Fluoreszenz vom fahrenden Trecker zu messen. Das heißt, es sollte gezeigtwerden, daß infizierte Pflanzen eine charakteristisch veranderte Induktionskurve gegenuber ge-sunden zeigen. Dies schlug bei den folgenden Messungen fehl, weil sich spater herausstellte, daßtrotz erfolgter Infektion mit Septoria Tritici der Befall nicht auftrat. Die Pflanzen hatten sichoffenbar ihrer ungebetenen Gaste entledigen konnen.Dennoch werden die Messungen hier beschrieben, zum einen, um das Meßverfahren darzustellen,zum anderen, weil das Gewicht spaterer Messungen, bei denen wirklich ein Befall vorlag und inder Chlorophyll-Fluoreszenzkinetik angezeigt wurde, dadurch erhoht wird, daß die Messung ver-meintlich kranker, tatsachlich gesunder Pflanzen eine anfanglich versuchte Hineininterpretationeines Effektes nicht zuließ.Die Messungen fanden mit eigens fur diesen Versuch gezogenen Weizenpflanzen statt, die mitSeptoria Tritici infiziert wurden. Da ein großes Anliegen, wie oben beschrieben, die Erkennungder Erkrankung ohne außere Symptome ist, wurden an den selben Pflanzen und moglichst auchan den selben Blattern, falls diese nicht zwischen den Messungen abfielen, mehrere Messungenim Abstand von drei bis vier Tagen gemacht. Begonnen wurde mit den Messungen ungefahr eineWoche nach Infektion, so daß Veranderungen durch die (anfangs noch unsichtbare) erwarteteErkrankung uberwacht werden konnten.

5.4.1 Herkunft der Pflanzen

Die Weizenpflanzen wurden vom Institut fur Phytopathologie an der CAU aufgezogen und dortmit Septoria Tritici infiziert. Bis zum Beginn der Messung wurden die Weizenpflanzen auch dortversorgt. Nach Beginn der Meßreihen wurden diese im Labor mit entsprechender Beleuchtungund Wasserversorgung aufbewahrt. Da, wie oben beschrieben, eine Infektion mit Septoria Triticisich ohne die Hilfe von Wasser nicht uber die ganze Pflanze ausbreiten kann, wurde das jungsteBlatt bei der Infektion mit einem Ring markiert, um bei den Messungen nicht eventuell einneueres, nicht infiziertes Blatt zu erwischen.Da die Blatter bei der visuellen Bonitur unter dem Mikroskop zerstort werden, konnte dieErkrankung nicht vor den Messungen festgestellt werden. Die Bonitur erfolgt deshalb hinterher(siehe Abschnitt 5.4.3).Allgemein war der Zustand der Pflanzen, besonders der ersten Meßreihe, eher schlecht, dieBlatter waren sehr dunn und die Pflanzen nicht sehr kraftig. Ob dies an der Jahreszeit lag (dieerste Messung startete im Dezember) oder an der falschen Pflege wahrend der Aufzucht, konntenicht geklart werden.

5.4.2 Ablauf der Messungen

Es wurden insgesamt drei Meßreihen mit jeweils verschiedenen Pflanzen durchgefuhrt. Der Ver-suchsablauf ist in der Tabelle 5.1 dargestellt. Jede Serie bestand aus 6 bis 8 Meßterminen. Voneiner großeren Anzahl gezogener Pflanzen wurde pro Serie 2 bis 3 infizierte Pflanzen und 2 nichtinfizierte Kontrollpflanzen ausgewahlt. An jedem Meßtermin wurden an den selben Pflanzen amselben Blatt jeweils eine FC-Messung und zwei PAM-Messungen (I = 700 µmol cm−2 s−2 und1000 µmol cm−2 s−2) mit dem im Abschnitt 5.2.3 genannten Meßprotokoll durchgefuhrt.Die Anzahl der Messungen war beschrankt durch die geringe Zahl der zur Verfugung stehendenPflanzen und durch den Zeitbedarf fur eine Messung. Eine Zeitbegrenzung ergab sich auch ausder Forderung nach Streßminimierung fur die Pflanzen, da noch ein anderes Projekt Messungenan diesen durchfuhren wollte.Es war wahrend der Meßreihen nicht immer moglich, mit dem selben Blatt zu messen, weil diesvertrocknet oder abgefallen war. Dann wurde versucht, ein alteres auszusuchen, da bei diesemeine Infektion ebenfalls stattgefunden haben konnte.


Tabelle 5.1: Ablauf der Meßreihe mit den Weizenpflanzen

Nummer der Datum der Datum des Datum des Zahl der Zahl der PflanzenMeßreihe Infektion Meßbeginns Meßendes Meßtage scheinb. inf. Kontrolle

1 13.12.1999 20.12.1999 13.1.2000 8 2 22 10.1.2000 17.1.2000 10.2.2000 8 3 23 8.2.2000 14.2.2000 6.3.2000 6 3 2

5.4.3 Boniturdaten

Um wenigstens nach Abschluß der Meßreihen feststellen zu konnen, in welchen Pflanzen dieInfektion mit Septoria Tritici nun wirklich erfolgreich gewesen und es zum Wachstum des Pilzesgekommen war, auch wenn dies von außen noch nicht zu sehen war, wurden die Blatter einzelneiner Bonitur unter dem Mikroskop unterzogen. Auf diese Weise laßt sich die Krankheit sichererkennen.Es zeigte sich aber, daß leider alle in den Meßreihen untersuchten Blatter keinerlei Krank-heitssymptome aufwiesen. Diese Pflanzen waren zufallig aus den drei Anzuchtreihen ausgesuchtworden. Bei anderen Topfen zeigte die Bonitur durchaus Krankheitszeichen. Aber da wegender Dauer der Messungen nicht alle Pflanzen verwendet werden konnten, mußte eine Auswahlgetroffen werden, die leider unglucklich war. So war kein erkranktes Blatt in der Meßserie ent-halten.

5.4.4 Auswertung

Mit den im Abschnitt 5.3 gezeigten Verfahren wurden die beschriebenen Parameter (siehe Ab-bildung 5.5) bestimmt und die Ergebnisse in die Grafiken 5.6 und 5.7 eingezeichnet. Dabei giltfur die folgenden Diagramme:

• Die verschiedenen Messung sind sortiert, so daß auf der linken Seite immer die gesundenPflanzen stehen, auf der rechten Seite des Strichs die infizierten (die aber nicht krankwurden).

• Auf der x-Achse ist die Nummer der Messung aufgetragen, aus der sich die Grenze gesund -infiziert bei 20 ergibt. Die Nummern der wiederholten Meßtermine an der selben Pflanzesind gegenuber dem Vorganger immer um 1 erhoht.

• Die PAM-Messungen erfolgten mit zwei verschiedenen Intensitaten des aktinischen Lich-tes. Die Ergebnisse sind jeweils in ein Diagramm eingetragen (5.6), die Unterscheidungergibt sich aus der Form der Datenpunkte (geschlossen fur geringere Intensitat oder offenfur großere).

• Die gestrichelten Linien kennzeichnen den Mittelwert der Punkte (gesund oder infiziert),beim PAM sind dies zwei: hohe Intensitat immer unten.

Ergebnisse PAM-Messungen

Bei den Messungen mit dem PAM wurden die folgenden Parameter dargestellt:

• FMF0

: Das Verhaltnis in der dunkeladaptierten Phase ist in der Abbildung 5.6 A dargestellt.

• qP: Das photochemische Quenching findet sich in Abbildung 5.6 B.

• F − F0: Betrachtet man Abbildung 5.5 A, so erkennt man, daß gilt F > F0, dies waraber nicht bei allen Messung der Fall. Es drangte sich der Verdacht auf, daß dies einUnterscheidungskriterium sein konnte. Deshalb wurde die Differenz gebildet und in 5.6 Cdargestellt.


Abbildung 5.6: Ergebnisse der Messungen mit dem PAM, die gestrichelten Linien markieren den jewei-ligen Mittelwert (untere fur hohe Intenstitat). A: FM

F0-Verhaltnis B: qP photochemisches

Quenching C: F − F0


Bei alle anderen Parametern zeigten sich noch viel weniger Unterschiede, weshalb diese nichtgezeigt wurden.Betrachtet man die Grafiken, so sollte irgendein Unterscheidungskriterium auffallen. Eine Un-terscheidung von gesund und infiziert zu treffen, ist bei diesen Bildern jedoch nicht moglich.

Ergebnisse FC-Messungen

Bei den Messungen mit der FC-Maschine (Abbildung 5.7) wurden die folgenden Parameterdargestellt:

• φ0

φM: Diese Verhaltnis wird analog zum FM

F0-Verhaltnis der PAM-Messung genommen, nur

gilt hier der reziproke Zusammenhang. Siehe Abbildung 5.7 A.

• φ0 − φ: Auch hier analog zur PAM-Messung, durch den inversen Zusammenhang drehensich die Vorzeichen um. Siehe Abbildung 5.7 B.

Abbildung 5.7: Ergebnisse der Messungen mit der FC-Maschine, die gestrichelten Linien markierenden jeweiligen Mittelwert. A: φ0

φM-Verhaltnis B: φ0 − φ

5.5 Messungen mit Pflanzen vom Feld 30

Bewertung

Die Messungen mit den drei Pflanzenserien brachte keine Daten, die eine Unterscheidung zwi-schen gesunden und erkrankten Pflanzen ermoglicht hatte. Schaut man sich aber die Boniturda-ten (5.4.3) an, so war dieses Ergebnis zu erwarten, weil zwischen den gemessenen Blattern keineUnterschiede durch Septoria Tritici zu erwarten waren, da die Krankheit nicht ausgebrochenwar und damit keine Beeinflussung stattfinden konnte.Insofern ist dieses Ergebnis sehr gut, weil man in den Messungen den Unterschied nicht sieht, derauch gar nicht vorhanden war. Im nachsten Abschnitt wird gezeigt, daß bei wirklich infiziertenPflanzen Unterschiede auftreten.

5.5 Messungen mit Pflanzen vom Feld

Um nach Moglichkeit mit wirklich erkrankten Pflanzen messen zu konnen, wurden in diesemAbschnitt Pflanzen direkt vom Feld genommen. Inzwischen war es Ende April, so daß diese jetztzur Verfugung standen. Dieses Mal wurden neben optisch gesunden Kontrollpflanzen nur solcheausgesucht, die erkennbar an Septoria Tritici erkrankt waren. Da sich bei diesen der Befalloptisch nur auf einen Teil des jeweiligen Blattes beschrankte, man aber von einer Ausbreitungin das ganze Blatt ausgehen kann, standen so zumindest auch unsichtbar erkrankte Pflanzenteilezum Messen bereit, dafur konnte bei diesen Messungen allerdings kein Verlauf der Krankheitaufgenommen werden.

5.5.1 Ablauf der Messung

Die mit diesen Pflanzen durchgefuhrten Messungen entsprachen dem im Abschnitt 5.4.2 gesag-ten, wobei pro Pflanze nur ein Meßtag angesetzt war.Die zu messenden Blattstellen wurden wie folgt ausgesucht und klassifiziert:

- Gesunde Blatter wiesen keinerlei optisch erkennbare Schadigungen auf. Eine latente In-fektion konnte naturlich nicht ausgeschlossen werden.

- Kranke Blatter waren als krank zu erkennen, die Messung fand an Stellen mit einer sicht-baren Schadigung statt.

- Gesunde Stellen an kranken Blattern waren grune Bereiche auf Blattern, die am anderenEnde sichtbare Krankheitssymptome zeigten.

Von den ausgesuchten Pflanzen wurden, falls diese Krankheitssymptome zeigten, pro Blatt zweiMessungen, eine ”kranke Stelle“ und eine ”gesunde Stelle“, durchgefuhrt, bei gesunden Pflanzeneinmal ”gesunde Blatter“. Pro Blatt fanden wieder, wie oben beschrieben, eine FC-Messung undzwei PAM-Messungen statt.

5.5.2 Auswertung

Mit den Verfahren, die unter 5.4.4 mit den gezuchteten Pflanzen durchgefuhrt wurden, solltennun auch die Messungen mit den Pflanzen vom Feld ausgewertet werden.Die Ergebnisse finden sich in den Grafiken 5.8 fur das PAM und in 5.9 fur die FC-Messungen.

Bewertung

Betrachtet man diese Messungen, so ist hier im Gegensatz zu den gezuchteten Pflanzen eineUnterscheidung moglich. Sowohl bei den PAM- als auch bei den FC-Messungen konnen Grenz-werte festgelegt werden, die eine Unterscheidung gesund – krank bringen. Diese sind in denAbbildungen als graue Balken eingezeichnet, im einzelnen:

5.6 Zusammenfassung 31

• PAM-A: Fur FMF0

> 3, 0 finden sich gesunde Pflanzen, fur die Werte darunter fast nurkranke. Die grunen Stellen auf erkrankten Blattern finden sich eher in der Mitte, so daßeine klare Zuordnung nicht unbedingt moglich ist.

• PAM-B : Fur das photochemische Quenching gilt der Grenzwert qP > 0, 5 fur gesundeBlatter. Hier sind die grunen Stellen auf kranken Blattern den kranken Bereichen zuzu-ordnen und als solche zu erkennen.

• PAM-C : Fur die Differenz mußte gelten: F − F0 > −50, aber diese Grenze ist ein wenigwillkurlich, eine klare Abgrenzung zwischen ”gesund“ und ”krank“ ist hier schwer moglich,allerdings gehoren die kranken Blatter, ob nun erkennbar oder noch grun, zum selbenBereich.

• FC-A: Eine deutlichere Abgrenzung ergibt hier φ0

φM> 2, 3 fur gesunde Blatter. Die grunen

Stellen auf kranken Blattern gehoren auch eher zur kranken Seite.

• FC-B : Und schließlich erlaubt φ0 − φ > 0 eine Erkennung von gesunden Pflanzen, hierliegen die grunen Stellen aber eher im Mittelbereich.

5.6 Zusammenfassung

Die in diesem Kapitel an Weizenpflanzen durchgefuhrten Messungen legen den Schluß nahe,daß es mit den verwendeten Meßsystemen, dem PAM und der FC-Maschine, moglich ist, Er-krankungen der Pflanzen durch Septoria Tritici zu erkennen, sowohl sichtbare als auch latentvorhandene.Die sehr starke Streuung in Abbildung 5.8 und Abbildung 5.9 wird im Feld kein großes Problemsein, da der weite Blickwinkel des Sensors eine Mittelung uber mindestens genauso viele Blatterbewirkt, wie Punkte in Abbildung 5.8 und Abbildung 5.9 sind.Die Ergebnisse der eigens fur diese Versuchsreihe gezogenen und infizierten Pflanzen konntenzwar nicht zu einer effektiven Erkennung beitragen, aber dies lag daran, daß sie selbst hochst-wahrscheinlich nicht infiziert waren.


Abbildung 5.8: Ergebnisse der Messungen mit dem PAM mit den Pflanzen vom Feld; die gestrichel-ten Linien markieren den jeweiligen Mittelwert (untere fur hohe Intenstitat). A: FM

F0-

Verhaltnis B: qP photochemisches Quenching C: F −F0. Die grauen Balken markierendie Grenzwerte fur die Unterscheidung gesund – krank aus Abschnitt 5.5.2.


Abbildung 5.9: Ergebnisse der Messungen mit der FC-Maschine mit den Pflanzen vom Feld; die ge-strichelten Linien markieren den jeweiligen Mittelwert. A: φ0

φM-Verhaltnis B: φ0 − φ.

Die grauen Balken markieren die Grenzwerte fur die Unterscheidung gesund –krankaus Abschnitt 5.5.2.

Kapitel 6

Gerateaufbau I: Grundsatzliche Meßtechnik

Zur Erfassung von Chlorophyll-Fluoreszenz im Labor oder auf dem Feld gibt es bereits hinrei-chend gute Gerate, um Messungen durchfuhren zu konnen. Bei der Messung vom Trecker gehtes darum, Daten aus großerer Hohe aufzunehmen. Bei den vorhandenen Geraten erfolgte dieMessung mit Abstanden unter ca. 5 cm oder mit Lichtleitern, aber ohne großere Luftstrecken.In diesem Kapitel wird die Meßtechnik vorgestellt, die in der Lage ist, aus der Hohe Fluoreszenzzu messen, die Erweiterung auf veranderliche Hohen folgt im Kapitel 7, und bewegte Pflanzenoder Detektoren kommen dann im Kapitel 8 hinzu.Das entwickelte Meßverfahren baut auf dem Prinzip des PAM auf (siehe 5.2.1). Hierzu werdendie folgenden Komponenten benotigt:

• Meßlicht zur Anregung des Chlorophylls,

• Detektor zur Registrierung des Fluoreszenzlichtes,

• Korrelator zur Abtrennung des variablen Anteils des Lichtes,

• AD-Wandler fur die Wandlung und Weiterleitung der Daten an den Computer.

Diese Komponenten werden in den folgenden Abschnitten beschrieben. Der Zusammenbau unddie Anordnung im einzelnen werden an den entsprechenden Stellen der nachsten Kapitel be-sprochen.

6.1 Meßlicht: LED-Kopfe

Das Meßlicht wird von LEDs erzeugt. Die Ansteuerung ubernimmt eine Schaltung, die imAbschnitt 6.1.3 erlautert wird.

6.1.1 Wahl des Anregungslichtes

Als Anregungslicht verwendet man am besten Leuchtdioden, da sich diese sehr schnell ein- undwieder ausschalten lassen. Gluhlampen erreichen maximal 10 Hz.Die bisherige Vorgehensweise war es, rote LEDs zu verwenden. Die folgende Uberlegung wirdzeigen, daß sich blaue Leuchtdioden wesentlich besser eignen.Betrachtet man das Absorptionsspektrum von Chlorophyll (in Abbildung 6.1 B, durchgezogeneLinie), bereits im Abschnitt 3.2 gezeigt, so fallen dort zwei Maxima bei 430 nm und bei 680nm auf. Oben in der Abbildung sind zwei Spektren von Leuchtdioden eingezeichnet (diesewurden von Andreas Ruser mit einem Shimadzu-Spektrometer gemessen), links eine blaue,recht eine rote. Die bisherige Verwendung einer roten LED erscheint so sinnvoll, weil derenWellenlangenbereich in ein Absorptionsmaximum des Chlorophylls fallt.Man muß nun aber berucksichtigen, daß es bei diesen Messungen nicht nur um eine gute Ab-sorption geht, sondern die vom Chlorophyll zuruckgesandte Fluoreszenz soll detektiert werden.Dazu ist es notig, mit einem Filter das Anregungslicht auszublenden. In der Abbildung 6.1 C

6.1 Meßlicht: LED-Kopfe 35

sind drei Transmissionsspektren von gebrauchlichen Glasfiltern der Firma Schott eingezeichnet.Bei roten LEDs als Meßlicht verwendet man das Filter RG 9, weil dieses das LED-Licht gutabblockt (rechte senkrechte gestrichelte Linie). Leider fallt auch ein großer Teil der Fluoreszenzin diesen Sperrbereich, so daß das Nutzsignal klein ausfallt.Diese Probleme umgeht man, wenn man blaue Leuchtdioden als Anregungslicht verwendet, dennin deren Emissionsbereich liegt ein weiteres Absorptionsmaximum des Chlorophylls. Jetzt liegtzwischen diesen beiden Bereichen eine Zone von uber 100 nm. Man kann den Filter so wahlen,zum Beispiel den in der Grafik eingezeichneten RG 630, daß er weder etwas vom Anregungslichtdurchlaßt noch von der Fluoreszenz etwas abschneidet.Das ebenfalls in der Abbildung eingezeichnete Filter vom Typ BG 18 dampft einen etwaigen

”roten Schwanz“ der blauen LED nochmals um mindesten den Faktor 10 und laßt damit nurdas gewunschte Anregungslicht passieren. Dieser Filter wird spater zur Abstandsmessung inAbschnitt 7.2.1 benotigt.Das bisherige Problem bei der Verwendung von blauen LEDs war, daß diese im Vergleich zuroten eine viel zu geringe Lichtintensitat lieferten. Dies hat sich aber glucklicherweise in denletzten Jahren geandert. Seit deren Erfindung 1995 durch die japanische Firma Nichia (Schult,1995) sind inzwischen bezahlbare, sehr helle, blaue Leuchtdioden zu bekommen. Deshalb fiel dieWahl auf blaue LEDs vom Typ ”NSBP500“ von eben dieser Firma Nichia (Europa-Vertretungin Nurnberg). Diese haben das in Abbildung 6.1 A gezeigte Spektrum, bieten eine Helligkeitvon

ILED = 47 µmol cm−2s−2

(gemessen mit Photometer der Firma Licor in 20 mm Abstand, Herstellerangabe: 3,0 cd) undliefern damit mehr als die Produkte anderer Hersteller. Die Lichtstarke der blauen LEDs istzwar nicht so hoch wie die von roten, aber dafur wird mehr von der Fluoreszenz detektiert, wieAbbildung 6.1 illustriert.


Abbildung 6.1: Spektren: A: Emissionsspektren einer blauen (links) und einer roten (rechts) LED; B:Chlorophyll: Absorptions- (durchgezogene Linie) und Fluoreszenzspektrum (gestrichelt)(Haken und Wolf, 1987); C: Transmissionspektren dreier Glasfilter. Siehe Text.


6.1.2 Der LED-Kopf

Da die Intensitat einer einzelnen Leuchtdiode nicht ausreicht, um aus der Hohe messen zukonnen, mußten mehrere zusammen verwendet werden. Die Wahl fiel hier auf 30 Stuck, weil soeine ausreichende Helligkeit erreicht, der finanzielle Aufwand aber nicht zu hoch wurde.

Abbildung 6.2: LED-Kopf: links Schnitt durch die LED-Halterung, rechts Photo von oben auf die ein-geschalteten LEDs (Im Anhang als Abbildung B.1 in Farbe)

Diese wurden in eine Aluminium-Halterung eingesetzt, wie sie in Abbildung 6.2 auf der linkenSeite zu finden ist. In einer kreisrunden Halteplatte aus Aluminium befinden sich insgesamt50 Bohrungen fur je eine Leuchtdiode; diese werden von einer Andruckscheibe aus Kunststofffixiert. Diese beiden Teile werden auf einem Trager festgeschraubt, der seinerseits in eine Hal-terung eingeschoben werden kann. Letztere wird am Versuchsaufbau befestigt und ermoglichteine Bewegung und Herausnahme der LED-Einheit. Einen Blick von oben auf das zusammenge-baute und mit 30 LEDs bestuckte System zeigt Abbildung 6.2 auf der rechten Seite. Die weißenPunkte stammen von den eingeschalteten Leuchtdioden.

6.1.3 Die Ansteuerung der LED-Kopfe

Die Leuchtdioden sollen, wie oben beschrieben, gepulstes statt konstantes Licht aussenden.Hierzu wurden Frequenzgeneratoren verwendet, die Rechteckpulse von 700 Hz bzw. 1000 Hzerzeugten. Mit diesem Signal konnten die LEDs jedoch nicht direkt angesteuert werden, dennhierzu war eine Leistungsstufe notig.Je sechs Leuchtdioden wurden in Serie geschaltet und mit der Steuerplatine verbunden. Daraufbefindet sich fur jede dieser 6er-Gruppen eine Schaltung, wie in Abbildung 6.3 gezeigt: DasSignal des Generators wird uber den Widerstand

R1 = 100 Ω

an die Basis des Transistors T gelegt. Dieser schaltet dann die LEDs. Der Widerstand

R2 = 10 kΩ

sorgt bei offener Basis fur ein sicheres Schließen des Transistors. Der Emitterwiderstand berech-net sich aus

R3 =UB − 0, 6 V

IDioden(6.1)

Dabei ist UB die Spannung, die der Frequenzgenerator liefert (in diesem Fall 5 V), und 0,6 Vder Spannungsabfall uber der Basis-Emitter-Diode. Aus dieser Formel ergibt sich dann mit dem

6.2 Detektoren 38

Nennstrom der DiodenIDioden = 20 mA

ein Widerstand vonR3 = 220 Ω

Die Schalter S erlauben es, jeden einzelnen der LED-Blocke ein- oder auszuschalten, um dieMeßlichtintensitat regeln zu konnen (dies wird im Abschnitt 11.3 wichtig).

Abbildung 6.3: Leistungsansteuerung der LED-Kopfe: Ein Transistor steuert je 6 LEDs in Serie an.Pro LED-Kopf mit 30 Leuchtdioden sind sechs der gezeigten Einheiten vorhanden.

6.2 Detektoren

Zur Aufnahme der Fluoreszenz wurde ein Detektor benotigt. Hierfur eignet sich besonders gutdie Photodiode vom Typ Hamamatsu S1723-04, da diese eine große Aufnahmeflache (1 cm2)hat und uber acht Zehnerpotenzen einen Strom proportional zur aufgenommenen Lichtmengeliefert.Es wurden zwei Detektoreinheiten aus der Diplomarbeit von Ramm (1991) verwendet. DieSchaltung (in der Abbildung 6.4 ersichtlich) wurde in ein Metallgehause eingebaut, das einenAnschluß fur Filterhalter aufweist. Dies zeigt das Photo in Abbildung 7.1 B.Hier sollen nur kurz einige Teile dieses Verstarkers erwahnt werden, Genaueres findet sich beiRamm (1991). Ursprunglich war die Schaltung dafur da, Lumineszenz zu messen, die sehrschwach ist. Hierzu dient eine von außen steuerbare Empfindlichkeitsumschaltung (”200 Hz“im Schaltplan). Da diese Funktion nicht benotigt wurde, lag der Steuereingang auf Masse undstorte so nicht weiter.Den Kern der Schaltung bildet dann ein zweistufiger Verstarker, wobei die erste Stufe OP 1 auseinem Operationsverstarker vom Typ Burr Brown OPA 602 CM besteht, der sich durch einenniedrigen Bias-Strom und Rauscharmut auszeichnet. Die Verstarkung ist durch den SchalterRL wahlbar. Der OP 3 bildet die zweite Verstarkerstufe, die das Signal noch einmal erhoht undderen Starke auch durch einen Schalter wahlbar ist.

6.3 Korrelatoren 39

Abbildung 6.4: Schaltung des Detektors mit Verstarkereinheit aus der Arbeit Ramm (1991): Die Photo-diode unten links liefert einen Strom proportional der Lichtintensitat. Dieser wird in ei-ne Spannung umgewandelt und vom OP 1 verstarkt. OP 3 bildet die zweite Verstarker-stufe. Der dritte OP und der Takteingang oben rechts (”200 Hz“) dienten ursprunglichder Empfindlichkeitsumschaltung, wurden hier aber nicht verwendet.

Im folgenden bezeichnet ”Detektor“ immer die Einheit von Photodiode zusammen mit derVerstarkerschaltung und dem zugehorigen Gehause.

6.3 Korrelatoren

Ein Korrelator hat die Aufgabe, aus gestorten oder verrauschten Signalen diejenigen herauszu-filtern, die mit einem Referenzsignal korreliert sind. In diesem Fall soll die Fluoreszenz aus demDetektorsignal erkannt werden, die aufgrund der Anregung mit gepulsten LEDs entstanden ist.Das Grundprinzip ist in einer Funktionsskizze in Abbildung 6.5 gezeigt: Das Eingangssignaldes Detektors wird verstarkt und einem Demodulator zugefuhrt. Ein Rechteckgenerator liefertein Referenzsignal, das auch die LEDs ansteuert. Mit Hilfe dieses Signals isoliert der Korrela-tor den aufmodulierten Teil der Fluoreszenz und leitet ihn einem Tiefpaßfilter zu, der darauseine Gleichspannung macht. Die genaueren mathematischen Zusammenhange finden sich imnachsten Abschnitt.Die folgenden Aufbauten bestanden jeweils aus zwei Detektoren, also waren auch zwei Korre-latoren notig. Das eine war ein Gerat vom Typ Ortholoc 9502 der Firma Orthec Brookdeal.Dieses arbeitet als Analog-Gerat nach dem Schema in Abbildung 6.5. Das zweite Gerat war einKorrelator vom Typ SR830 der Firma Stanford Research Systems. Hierbei handelt es sich umeinen digitalen Korrelator. Dieser erzeugt das Ausgangssignal nicht mit Analogtechnik, sondernwandelt das Eingangssignal in digitale Daten um und vollzieht dann die notigen Schritte miteinem Signalprozessor. Ein Funktionsdiagramm ist in Abbildung 6.6 zu sehen.Grund fur die Wahl dieser beiden Gerate war die Verfugbarkeit im Labor. Eigentlich schien derdigitale Korrelator vor allem aufgrund seiner vielfaltigeren Einstellmoglichkeiten (Eingangs-verstarkung, Filter, Phasenlage) das bessere Gerat zu sein, doch bei den Rausch- und Kinetik-messungen im Abschnitt 11.3.2 konnte das analoge Gerat Vorteile fur sich verbuchen.

6.4 AD-Wandler 40

Abbildung 6.5: Grundprinzip eines Korrelators: Das Nutzsignal von der Photodiode wird angemessenverstarkt und einem phasenrichtigen Gleichrichter (Demodulator) zugefuhrt. Diesererhalt sein Referenzsignal aus der Ansteuerung der Meßlicht-LEDs.

6.3.1 Grundprinzip eines Korrelators

Das Prinzip eines Korrelators funktioniert wie folgt: Der Frequenzgenerator, der die LED-Platine versorgt, ist auf die Frequenz fRef eingestellt. Vom Detektor wird das mit dieser Frequenzmodulierte Licht aufgefangen und dem Korrelator zugefuhrt. Dieser erhalt dann an seinem Ein-gang:

UEingang = USignal · sin (fRef t + ϕSignal) (6.2)

mit USignal: Amplitude des SignalsφSignal: Phase des Signals

Der Korrelator erhalt vom Frequenzgenerator ein Referenzsignal, das mit der Wechselspannungmultipliziert wird. Daraus ergibt sich die Spannung:

UM = USignal · URef · sin (fRef t + ϕSignal) · sin (fRef t) (6.3)

Nun folgt ein Tiefpaß, der aus UM alle hochfrequenten Wechselspannungsanteile entfernt. Esergibt sich eine Spannung von

U∗M =

12

USignal · URef · cos (ϕSignal) (6.4)

Durch entsprechende Phaseneinstellung mit einer Phase-locked-loop-Schaltung (PLL) wird diePhase zwischen Referenz- und Meßsignal ϕSignal = 0 gehalten. Damit wird die Ausgangsspan-nung des Korrelators

U∗M =

12

USignal · URef (6.5)

zu einem Gleichspannungssignal, das proportional zur Amplitude des Signals des Detektors istund das nur noch Informationen aus der Anderung des niederfrequenten modulierten Meßlichtesenthalt.

6.4 AD-Wandler

Die Aufnahme der Daten in den Computer wurde von einer AD-Wandlerkarte der Firma Na-tional Instruments vom Typ Lab-PC-1200 durchgefuhrt. Diese Karte bot den Vorteil, daß sie

6.4 AD-Wandler 41

Abbildung 6.6: Prinzip des digitalen Korrelators: Das Eingangssignal wird gefiltert und verstarkt ei-nem phasengesteuerten Detektor zugefuhrt, der sein Referenzsignal von einem externgesteuerten Oszillator erhalt. Das Ausgangssignal ergibt sich nach Tiefpaßfilterung. Diegrau umlegten Bereiche werden von einem digitalen Signalprozessor geleistet. Auf denLeitungen dorthin liegen dann AD-Wandler.

neben den gunstigen elektronischen Daten sich sehr gut in die verwendete Programmierumge-bung Labview (siehe Abschnitt 9.1) einfugen ließ und von dieser von Haus aus gut unterstutztwurde.Die Karte verfugt uber 8 analoge Eingange, die je nach Verstarkung bis zu ±5 V vertragen.Da sich auf der Karte nur ein AD-Wandler befindet, werden die Kanale mit einem Multiplexerweitergegeben, so daß die maximale Sample-Rate von 100 kSamples / Sekunde nur fur alleverwendeten Kanale zusammen gilt. Dies kann aber auch einer alleine sein, dem dann die volleRate zur Verfugung steht. Sowohl fur die Zahl der fur die Messungen benotigen Kanale (2xDetektor, 3x Lichtschranke) als auch deren Sample-Rate (100kS/s/5Kanale = 20kS/s) erscheintdie Meßkarte fur die folgenden Untersuchungen ausreichend ausgestattet zu sein.Des weiteren bietet die Meßkarte neben 24 digitalen Ein- oder Ausgangen auch zwei analogeAusgange, die Spannungen bis zu ±5 V abgeben konnen. Diese dienen zur Ansteuerung desTriggers und der Halogenlampen fur das aktinische Licht (siehe 8.2.3).

6.4.1 Gepufferte Meßaufnahme

Die Karte verfugt neben den Wandlern auch uber einen Pufferspeicher. Dieser ermoglicht es, un-abhangig vom Timing des Computers Daten aufzunehmen, was insbesondere bei nicht echtzeit-fahigen Betriebssystemen wie Windows von Vorteil ist. Der Meßkarte wird hierzu die Zahlder Kanale, die Scan-Rate und die Lange der Messung mitgeteilt. Der Meßstart erfolgt dannmit einem extern gelieferten Triggersignal. Danach wird die gesamte Meßwertaufnahme vonder Karte erledigt, der Computer muß nur noch die Daten abholen. Allerdings ist in diesemAufnahmemodus die Lange der Messung durch die Große des Puffers begrenzt, da

notige Puffergroße = Scan-Rate ·Kanalzahl ·Meßdauer ≤ 65536

sein muß. Dieses Limit stellte allerdings in den folgenden Messungen kein Hindernis dar, damit der gewahlten Rate von 100 Samples/s pro Kanal bei 5 Kanalen eine Gesamtmeßdauer von

6.4 AD-Wandler 42

130 s moglich war.

6.4.2 Betrieb im PC

Die Meßkarte wurde in einen PC vom Typ 486 eingebaut, der mit 16 MB Hauptspeicher ausge-stattet war. Auf diesem Rechner fand nur die eigentliche Meßaufnahme statt, alle weiteren Pro-gramme liefen auf einem Rechner mit Pentium-II-350. Die Ubertragung der Daten ermoglichteein Programm namens RDA-Server (Remote-Data-Acquisition-Server). Dieses gehort zu Lab-view und lauft auf dem Rechner, in dem die Meßkarte steckt (hier also der 486er). Fur denanderen Rechner sorgt eine spezielle Treibersoftware dafur, daß dieser sich so steuern laßt,als ware die Meßkarte selbst in dem Rechner eingebaut. Der Treiber kommuniziert mit demRDA-Server auf dem anderen Rechner uber das Netzwerk (TCP/IP -Protokoll) und ubermit-telt Daten und Befehle. Auf diese Weise kann ein relativ langsamer Rechner die Aufnahme derDaten durchfuhren, die dann von einem schnellen Computer gesteuert und ausgewertet werden.

Kapitel 7

Statische Messungen

Mit den in Kapitel 6 vorgestellten Komponenten soll nun ein Meßaufbau entwickelt werden,welcher in der Lage sein soll, aus einem großeren Abstand Chlorophyll-Fluoreszenz zu messen.Dieses Kapitel bezieht sich auf statische Messungen, das heißt, das zu messende Objekt be-wegt sich wahrend der Messung nicht. Im Kapitel 8 wird diese Technik dann auf horizontaleBewegungen erweitert.Außerdem beschaftigt sich dieses Kapitel mit dem Abstandsproblem, da die Strecke zwischenBlatt und Detektor nicht von vornherein konstant ist und sich zwischen den Sensoren verandernkann (Wackeln des Traktors). Dies zahlt auch zu den statischen Messungen, weil auch hier dieObjekte wahrend der Messung nicht bewegt werden, sondern nur davor oder danach.

7.1 Messung der Fluoreszenz aus der Hohe

Bisherige Chlorophyll-Fluoreszenz-Messungen (z.B. mit PAM oder FC-Maschine) verwendetenimmer sehr kurze Abstande zwischen Anregungslicht, dem Detektor und dem Blatt, oder dieAnkoppelung fand mittels Lichtleiter statt, so daß man auch hier von kurzen Abstanden spre-chen kann. Fur den Einsatz auf einem Traktor kommt ein solches Vorgehen naturlich nicht inFrage, denn die Abstande zwischen Pflanzen und Detektoren sind sehr viel großer, und einenLichtleiter kann man sicherlich auch nicht verwenden.In diesem Abschnitt soll deshalb gezeigt werden, daß die Erfassung der Signale auch mitAbstanden bis zu 85 cm problemlos moglich ist und wahrscheinlich auch daruber hinaus. Dazuwird zuerst der verwendete Aufbau vorgestellt, und dann folgen exemplarische Messungen.

7.1.1 Meßaufbau

Mit den Komponenten aus Abschnitt 6 sollte nun ein Meßsystem fur Fluoreszenzmessungenzusammengestellt werden. Abbildung 7.1 zeigt den Aufbau.Das Detektorgehause wurde mit einem Filterhalter versehen, wie dies in der Abbildung 7.1 Bzu sehen ist. In diesen Halter kam ein Filter vom Typ RG 630, der, wie im Abschnitt 6.1.1beschrieben, das rote Fluoreszenzlicht durchlassen, das blaue der LEDs aber sperren sollte.Der LED-Kopf wurde uber die Ansteuerplatine mit gepulsten Signalen versorgt. Dieser wurdezusammen mit dem Detektor neben diesem auf einem Stativ so befestigt, daß beide nach untenzeigen und vom Tisch eine Hohe von ca. 75 cm hatten.Das Signal des Detektors wird vom digitalen Korrelator weiterverarbeitet und an die AD-Wandlerkarte weitergegeben.

7.1.2 Messung aus der Hohe

Zum Testen der Apparatur wurde ein Stuck Maisblatt auf Pappe mit Klebestreifen festgeklebtund abgedeckt. Nach einer Wartezeit von 10 Minuten zur Dunkeladaption wurde die Abdeckung

7.2 Das Abstandsproblem 44

Abbildung 7.1: A: Funktionsskizze des Meßaufbaus zur Messung von Fluoreszenz aus der Hohe: DerLED-Kopf sendet gepulstes Licht, das Fluoreszenz anregt, welche durch eine Linsegebundelt und gefiltert von einem Detektor betrachtet wird. Ein nachgeschalteter Kor-relator demoduliert das Signal. B: Photo des Detektorgehauses mit einem Filterhalter.

schnell entfernt und das Blatt so dem Tageslicht ausgesetzt. Das Fluoreszenzsignal des Blatteswurde mit dem Aufbau gemessen. Das Ergebnis findet sich in der Abbildung 7.2.Es ist eine deutliche Kinetik-Kurve zu erkennen, die der in Abbildung 3.4 vorgestellten Kautsky-Kurve entspricht. Also ermoglicht es diese Anordnung, aus großerer Entfernung Chlorophyll-Fluoreszenz zu messen und auch die auftretenden Effekte zu sehen.

7.2 Das Abstandsproblem

Wenn der Abstand zwischen Blatt und Detektor konstant gehalten wird, konnen, wie im vorigenAbschnitt gezeigt, Fluoreszenzsignale aus großerer Hohe gemessen werden. Wenn sich dieserAbstand aber andert, so hat dies massive Auswirkungen auf die Messung, da die Intensitatdes zuruckgesandten Lichtes die alleinige gemessene Große ist und diese sich mit wachsendemAbstand vermindert. Nun ist der absolute Abstand nicht von Belang, wohl aber die relativeAnderung zwischen mehreren Messungen.Um eine Induktionskurve aufnehmen zu konnen, mussen davon mehrere Punkte gemessen wer-den. Da dies, wie bereits erwahnt, bei einer Fahrt uber ein Feld nicht von einem Detektor alleingeleistet werden kann, werden mehrere benotigt. Wenn sich zwischen diesen aber der Abstanddes jeweiligen Detektors zur Pflanze im Vergleich zum vorherigen andert, sei es durch Windoder Wackeln des Treckers, so andert sich auch die Intensitat des empfangenen Lichtes.Soll also eine Fluoreszenzmessung unter diesen Bedingungen erfolgen, so muß entweder derAbstand konstant gehalten werden, oder aber die Distanz muß zusatzlich gemessen und in dasErgebnis mit einbezogen werden. Ersteres erscheint unter den gegebenen Einsatzbedingungenals schwer realisierbar, der zweite Ansatz wird im folgenden behandelt.

7.2.1 Prinzip Reflexionsmessung

Zur Messung der Distanz zwischen Detektor und Blatt bietet es sich an, zusatzlich zum bishererfaßten roten Licht auch das vom Blatt reflektierte Licht zu messen. Dieses hangt zwar auch


Abbildung 7.2: Testmessung mit einem Stuck Maisblatt auf dem Tisch, das nach Dunkeladaption demTageslicht ausgesetzt wurde.

wie das Fluoreszenzlicht vom physiologischen Zustand ab, aber hier sind keine vom aktinischenLicht induzierte Veranderungen zu erwarten.Das reflektierte Licht, das von der Blattoberflache zuruckgeworfene blaue Licht, ist leicht durcheinen Filter vom roten Fluoreszenzlicht abzutrennen und liefert einen Lichtanteil, der den selbenAbstandsgesetzen folgt wie der rote. Wird nun dieses zusatzliche Licht gemessen und das Fluo-reszenzsignal durch das Reflexionssignal geteilt, so sollte der Quotient konstant bei Veranderungdes Abstandes oder auch der Blattflache bleiben. Dies ist genau die geforderte Aufgabe einerAbstandskorrektur.Zu diesem Zweck wurde ein zweiter, baugleicher Detektor verwendet. Die Linse zur Bundelungdes Lichtes war allerdings mangels anderer Verfugbarkeit nicht die gleiche wie fur den erstenDetektor. Im Gegensatz zum Rot-Detektor wurde ein Filter vom Typ BG 18 (Abschnitt 6.1.1)ausgewahlt, das nur die blauen Anteile passieren laßt. Die Signalverarbeitung ubernahm hierder zweite Korrelator (das analoge Gerat). Mit dem Ort der Montage des Reflexionsdetektorsbeschaftigen sich die nachsten Abschnitte.

7.2.2 Montage der Detektoren nebeneinander

Der zweite Detektor zur Messung der Reflexion wurde neben dem ersten montiert. In der Ab-bildung 7.3 A ist eine Funktionsskizze dieses Aufbaus zu sehen und unter 7.3 B das Ganze vonoben.Das Licht fur beide Detektoren wurde jeweils von einer eigenen Linse gebundelt und durch Filtergeschickt. Entsprechend dem oben Besprochenen, hatte Detektor 1 ein Rotfilter, der nur dasFluoreszenzlicht durchlaßt, Detektor 2 ein Blaufilter fur die Reflexion. Beide Signale wurdenvon einem Korrelator demoduliert und jeweils einem Kanal des AD-Wandlers zugefuhrt.

Kontrolle der Tauglichkeit

Um zu uberprufen, inwieweit der Aufbau in der Lage ist, den sich andernden Abstand zu kom-pensieren, wurde ein Stuck Computerpapier, das auch Fluoreszenz ahnlich der des Chlorophyllszeigt, auf eine schwarze Pappe geklebt. Lebende Blatter kamen nicht zum Einsatz, um die


Abbildung 7.3: A: Meßaufbau: Detektor 1 mißt Fluoreszenz, Detektor 2 das Reflexionssignal.B: Skizze der Anordnung von oben

Verfalschungen durch die sich andernden Photosyntheseprozesse zu vermeiden. Dann wurdender Abstand zwischen dem Blatt und den Detektoren verringert und die jeweiligen Signaleaufgezeichnet.Das Ergebnis dieser Messung findet sich in der Abbildung 7.4: Hier ist der Quotient aus den bei-den Detektorsignalen uber dem jeweiligen Abstand des Blattes aufgetragen. Es ist zu erkennen,daß der Quotient nicht konstant ist, was er hatte sein sollen. Diese Abweichung liegt an den un-terschiedlichen Blickwinkeln der beiden Detektoren im Vergleich zur Position des LED-Kopfes.Dieses Verfahren zur Abstandskorrektur funktioniert also nicht.

Abbildung 7.4: Das Verhaltnis (auf 1 des Mittelwerts normiert) von Fluoreszenzsignal (Detektor 1)und Reflexionssignal (Detektor 2) uber dem Blattabstand bei Montage nebeneinander:Quotient ist nicht konstant.


7.2.3 Einsatz eines Strahlteilers

Um Abweichungen durch verschiedene Blickwinkel der Detektoren zu beseitigen, wurde einStrahlteiler eingesetzt, welcher beide Detektoren mit dem Licht aus derselben Linse versorgt.Dieser besteht aus einem Glaswurfel, der einen eingehenden Strahl in zwei aufteilt, die einenWinkel von 90 zueinander aufweisen. Er wurde in ein Aluminiumgehause eingebaut, das An-schlusse fur zwei Detektoren bietet (oben und an der Seite). In der Abbildung 7.5 findet sichder entsprechende Versuchsaufbau, Abbildung 7.6 zeigt den Strahlteiler mit den Detektorenund den Lichtweg im Detail.

Abbildung 7.5: A: Meßaufbau mit Strahlteiler: Detektor 1 mißt Fluoreszenz, Detektor 2 das Reflexi-onssignal. B: Blick in das Gehause des Strahlteilers

Zu einer erneuten Messung mit Computerpapier in verschiedenen Hohen mit diesem erweitertenAufbau zeigt Abbildung 7.7 wieder eine Darstellung des Quotienten aus den beiden Detektor-signalen uber dem Abstand. Auch hier erkennt man, daß sich keine Konstante ergibt, wie es beieiner funktionierenden Abstandskorrektur hatte sein sollen. Aber der Verlauf hat sich verbessert:

• Vergleicht man den Unterschied vom großten zum kleinsten Wert, so findet man in dieserMessung 38 %, in der Messung ohne Strahlteiler sind dies in Abbildung 7.4 hingegen 80 %,die Abweichung vom Idealwert eines konstanten Quotienten ist also kleiner geworden.

• Bei vorhandenen Abweichungen durch unterschiedliche Blickwinkel wurde man erwarten,daß sich diese fur großere Abstande vom Detektor nicht mehr so stark auswirken. In derMessung ohne Strahlteiler ist dies nicht zu beobachten, die Steigung der Linie ist nahezukonstant, was wohl an einer viel zu starken Fehlsicht liegt, die erst bei sehr viel großerenAbstanden nicht mehr so wichtig gewesen ware. In der Messung mit Strahlteiler hingegenerkennt man bei Abstanden ab ungefahr 70 cm einen fast konstanten Quotienten.

Das Verfahren mit dem Strahlteiler ist offensichtlich geeignet, die Abstandskorrektur zu liefern,allerdings ist dies noch nicht vollstandig gelungen, woran die Justage des Strahlteilers und derDetektoren schuld sein durfte, da diese bisher nur mit dem Auge geschah. Deshalb sollen nun inden nachsten Abschnitten Verfahren zur besseren Justage der Strahlteiler-Detektoren-Einheitund deren Erfolg aufgezeigt werden.


Abbildung 7.6: A: Skizze des Strahlteilers im Gehause mit Strahlengang und Filtern B: Foto der An-ordnung (Strahlteilergehause geschlossen)

Abbildung 7.7: Messung mit Strahlteiler: Verhaltnis (normiert) von Fluoreszenzsignal (Detektor 1)und Reflexionssignal (Detektor 2) uber dem Blattabstand: Quotient ist auch hier nichtkonstant.


Justage per Auge

Fur die folgenden Justagen und Uberprufungen dient ein Kreuz aus funf farbigen Leuchtdioden,wie es Abbildung 7.8 zeigt, als Bild, auf das die Optik einfacher und reproduzierbar eingestelltwerden soll.Dieses LED-Kreuz besteht aus einer Kunststoffplatte, in die funf LEDs (3 grune, 1 rote und1 orange), wie in der Abbildung gezeigt, eingebaut sind. Die konstanten Abstande erlaubenes, die Bilder, die beide Detektoren sehen, auf Gleichheit zu uberprufen. Die Verwendung vonLEDs ermoglicht es, im Gegensatz zu unbeleuchteten Markierungen, in den DetektoranschlussenMattscheiben zur Justage anzubringen.

Abbildung 7.8: LED-Kreuz zur Justage der Optiken. Links ein Photo, rechts eine Skizze, die Leuchtdi-oden sind die Kreise mit der Angabe der Farben. Die Nummern der Verbindungslinien(Zahlen in Kreisen) werden spater benotigt. Abstande 1 bis 4 sind in mm angegeben

Die Anschlußstucke, auf denen die Photozellen saßen und mit denen die Detektorgehause an denFilter- oder dem Strahlteilerkasten festgemacht wurden, lassen es zu, den Abstand des Strahltei-lers von der Photozelle zu variieren. Da auch hier Unterschiede zwischen den beiden Detektorenzu den schlechten obigen Ergebnissen beitragen konnen, wurden an mehreren zusatzlichen An-schlußstucken auf der Ruckseite je ein dunnes Blatt Papier angebracht. Dieser Aufbau konntenun in die Offnungen des Strahlteilergehauses eingeschoben werden. Dabei waren auf dem Pa-pier die unter den Aufbau gelegten Leuchtdioden sichtbar, so daß der Abstand entsprechendeingestellt werden konnte, bei dem die Bilder der LEDs jeweils scharf zu sehen waren. Die soermittelten Abstande wurden auf die Detektorgehause ubertragen, um den Abstand der Photo-zelle korrigiert und dann an den Strahlteiler angebaut, so daß sich der Punkt der Scharfe genauauf der Photozellenebene befand.Bei Messungen zeigte sich aber, daß die Einstellungen mit diesem Verfahren keine wesentlicheVerbesserung des Quotienten aus Fluoreszenz- und Reflexionsdetektor bringen, was wohl daranliegt, daß die Optik genauer justiert werden muß, als es mit bloßem Auge moglich ware, wobeies nicht nur um die Scharfe der Linsenabbildung geht sondern auch um die gleichen Blickwinkel.Deshalb wurden im folgenden Vergroßerungstechniken eingesetzt.

Abbildungskontrolle mit Video

Zur Uberprufung, ob die beiden Detektoren das selbe Bild in der gleichen Große und ohneVerzerrungen vom Strahlteiler geliefert bekommen, wurde eine im Labor vorhandene Video-kamera der Firma Systemes Sud (Toulouse) auf die beiden Detektoranschlusse aufgesetzt unddas Videobild des LED-Kreuzes auf dem Bildschirm vermessen. Dabei zeigte sich jedoch, daßdas Kamerasystem zwar eine deutliche Vergroßerung des Bildes brachte, die es uberhaupt erstermoglichte, hier Abstande zu vermessen, doch war die Auflosung im Vergleich zur notigenGenauigkeit so schlecht, daß hier auf eine Angabe der Messungen verzichtet wird.


Abbildungskontrolle mit Digitalkamera

Um die Auflosung im Vergleich zur Videokamera zu steigern, kam nun eine Digitalkamera vomTyp Agfa ePhoto 780c zum Einsatz. Prinzipiell ist der Bildaufnehmer in diesem Gerat auch einCCD-Chip wie in der Videokamera, aber die Entwicklung in diesem Bereich hat enorme Fort-schritte gemacht, so daß der Chip in der Photokamera eine Auflosung von 1024x768 Bildpunktenbesitzt.

Abbildung 7.9: Abbildungskontrolle mit Digitalkamera: Photos der LED-Kreuz-Bilder am Strahlteiler.A: Blick in den seitlichen Anschluß. Die funf hellen Punkte sind die LEDs des Kreuzes,wie in der Abbildung 7.8 gezeigt.B: Blick von oben: die zur Auswertung gemessenen Abstande sind eingetragen alsAbstande bei der Darstellung auf dem Bildschirm.

In die beiden Detektoranschlusse wurde jeweils ein Anschlußstuck mit Papierscheibe eingebautund auf das LED-Kreuz fokussiert. Dann wurden mit der Kamera davon Photos gemacht undauf diesen die Abstande zwischen den LEDs vermessen, wie in der Abbildung 7.9 gezeigt.Die Ergebnisse finden sich in der Tabelle 7.1. Darin wurden die in den Photos gemessenenAbstande aufgetragen und jeweils durch die zugehorigen, direkt am (realen) LED-Kreuz gemes-senen Abstande geteilt. Dies ergibt die Spalten ”Faktor“ in der Tabelle und sollte zur Kontrolleder Frage dienen, ob beide Detektoren das gleiche Bild zu sehen bekommen und ob es ohneVerzerrungen ist. Der Mittelwert der Faktoren in der Tabelle ist gleich, was darauf hindeutet,daß der Abbildungsmaßstab bei beiden Bildern der selbe ist. Die Faktoren eines Bildes sind abernicht gleich, was entweder auf Verzerrungen hindeutet oder auf Meßungenauigkeiten. Allerdingslaßt die im Vergleich zu den bisherigen Detektormessungen kleine Abweichung hoffen, daß diehier erreichte Genauigkeit im Bereich von unter 5 % auch bei der Abstandskorrektur erzieltwerden kann.


Tabelle 7.1: Auswertung der Digitalkameramessungen: Vergleich der tatsachlichen Große des LED-Kreuzes mit den entsprechenden Photos. Die Streckennummern entsprechen denen ausAbbildung 7.8. Die Faktoren geben die Skalierung dazwischen wieder.

Nummer LED-Kreuz Anschluß oben Anschluß Seited. Strecke Abmessungen Abmessungen Photo Faktor Abmessungen Photo Faktor

1 25,2 mm 10,46 2,41 10,26 2,462 30,6 mm 12,20 2,51 12,81 2,393 25,1 mm 10,81 2,32 10,62 2,364 29,8 mm 12,27 2,43 12,41 2,405 39,2 mm 16,76 2,34 16,60 2,366 40,1 mm 16,05 2,50 16,80 2,397 39,4 mm 16,24 2,43 16,12 2,448 38,7 mm 16,97 2,28 16,33 2,37

Mittelwert: 2,40 2,40Standardabweichung (Anteil vom Mittelwert): 3,4 % 1,5 %

Justage mit Lochblende

In diesem Abschnitt sollte untersucht werden, inwieweit eine Zentrierung der Abbildung durchden Strahlteiler auf den Photodioden eine Verbesserung der Abstandskorrektur bringt.Zu diesem Zweck wurden beide Photodioden mit je einem Stuck Pappe, in das genau in der Mitteein kleines Loch gebohrt wurde, abgeklebt. Danach erfolgte der Einbau der beiden Detektorenund die Justage des Strahlteilers:

• Detektor 1 wurde im oberen Anschluß eingebaut, wobei die Einschubweite in das Strahl-teilergehause vorher durch Fokussieren auf das LED-Kreuz ermittelt wurde. Nun wurdeeine einzelne LED so lange auf dem Tisch hin und her geschoben, bis das Detektorsignalein Maximum erreichte. An dieser Stelle wurde die LED fixiert.

• Der zweite Detektor wurde nun in dem seitlichen Einschub festgeschraubt, wobei auchhier vorher die Einschubweite bestimmt wurde. Der Detektor wurde so gedreht, daß dieOrientierung der Photodiode relativ zur Abbildung des Strahlteilers die gleiche wie diedes ersten Detektors war.

• Der Strahlteiler wurde nun so lange gedreht, bis auch das Signal des zweiten Detektorsein Maximum zeigte.

• Zum Schluß wurden die Orientierungen und die Einschubweiten der Detektoren markiert,die Pappen entfernt und wieder eingebaut. Der Strahlteiler wurde nicht bewegt.

Nach diesen Arbeiten konnte man davon ausgehen, daß unter der Voraussetzung einer gleichgroßen Abbildung (es hatte sich bei den vorigen Versuchen kein Anhaltspunkt dafur ergeben,daß dies nicht richtig ist) beide Detektoren das gleiche Bild sehen, also sollte nun die Abstands-korrektur funktionieren, was mit der folgenden Messung uberpruft werden sollte.

Uberprufung der Abstandskorrektur

Nachdem die vorigen Justagen durchgefurt worden waren, wurde nun uberpruft, inwieweit dieAbstandskorrektur nun funktioniert. Dazu wurden wieder ein Stuck Computerpapier in ver-schiedenen Abstanden unter die Detektoren gelegt und die Signale gemessen. Dann wurde derQuotient aus dem Signal des Fluoreszenzdetektors und des Abstandsdetektors gebildet. DasErgebnis findet sich in der Abbildung 7.10.


Abbildung 7.10: Messung mit Strahlteiler nach Justage mit Lochblende: Verhaltnis (normiert) vonFluoreszenzsignal (Detektor 1) und Reflexionssignal (Detektor 2) uber dem Blattab-stand: Der Quotient ist nahezu konstant. Zu beachten ist im Vergleich zur Abbildung7.7 die gestreckte y-Achse.

Hier ist festzustellen, daß der Quotient nahezu konstant geworden ist. Die y-Achse ist im Ge-gensatz zu den vorigen Abbildungen gestreckt, um die kleinen Unterschiede von 1 uberhauptnoch sehen zu konnen.

7.2.4 Zusammenfassung

Die in diesem Abschnitt vorgestellten Verfahren zur Abstandskorrektur sind in der Tabel-le 7.2 zusammengefaßt. Dabei sind Maximum und Minimum des normierten Quotienten ausFluoreszenz- und Reflexionssignal angegeben. Die Abweichung ist die Differenz aus beiden imVerhaltnis zum Maximum. Schaut man sich die Werte an, so wird deutlich, daß mit aufwendigerJustage die Abstandskorrektur mit einem zusatzlichen Detektor funktioniert, der das reflektier-te Licht auffangt und durch dessen Wert der Fluoreszenzwert geteilt wird. Es ist nur notwendig,einen Strahlteiler zu verwenden und diesen sehr genau zu justieren, weil beide Detektoren dasgleiche Bild bekommen mussen. Dies sollte aber bei einem Neubau fur das Feld kein Problemdarstellen. Abbildung 7.11 zeigt die Ergebnisse in einer Ubersicht der bisherigen Messungen.

Tabelle 7.2: Vergleich der Abstandskorrekturverfahren: ”Abbildung“ gibt die Grafik der zugehorigenMessung an, in der der Quotient der beiden Detektorsignale aufgetragen ist. Maximumund Minimum beziehen sich jeweils auf diese Messungen. Abweichung gibt den Unterschiedvon Maximum und Minimum in Relation dazu an.

Art der Optik Abbildung Minimum Maximum AbweichungDetektoren nebeneinander 7.4 1,728 0,340 80,3 %

Strahlteiler 7.7 1,372 0,856 37,6 %Strahlt. mit Pappe just. 7.10 1,003 0,993 0,9 %


Abbildung 7.11: Drei verschiedene Versuche der Abstandskorrektur im Vergleich: Aufgetragen ist je-weils der Quotient aus Fluoreszenz- und Reflexionssignal uber dem Detektorabstand.

Kapitel 8

Gerateaufbau II: Gleisanlage

Das eigentliche Ziel der Entwicklung ist es, ein Meßsystem mit einem Traktor uber ein Feldvon Pflanzen zu fahren. Da es aber fur einen Laboraufbau alles andere als zweckmaßig ist,dort mit einem Traktor die in diesem Stadium der Entwicklung empfindliche Meßtechnik uberstehende Pflanzen hinwegzufahren, abgesehen vom fehlenden Platz und Traktor, wurde hieranders vorgegangen: Die gesamte Technik ist ortsfest montiert, nur die Pflanzen werden miteiner elektrischen Eisenbahn unter den Detektoren hindurch gefahren.Der bisherige Meßaufbau aus Kapitel 6 ist nur fur Messungen von ortsfesten Blattern ausgroßerem Abstand moglich. Dieser Aufbau soll nun erweitert werden, so daß auch fahrendeBlatter gemessen werden konnen.Dabei wird in diesem Kapitel die verwendete Eisenbahn vorgestellt, sowie die Veranderungenund Erganzungen an den in Kapitel 6 entwickelten Systemen. Die zur Auswertung der Datennotige Software folgt dann im Kapitel 9.Ein ”Luftbild“ des Aufbaus und der Gleisanlage findet sich in Abbildung 8.1

Abbildung 8.1: Photo der Gleisanlage: unten der Zug, oben die Meßstrecke, links Abschirmung desHalogenlichtes. (Im Anhang in Farbe als Abbildung B.3)

8.1 Die Eisenbahn 55

8.1 Die Eisenbahn

Um die Pflanzen herum- und unter den Detektoren hindurchzufahren, kam eine elektrischeModellbahn der Firma Marklin, Spur 1 (Spurweite 48 mm), zum Einsatz. Der in Abbildung 8.2gezeigte Gleisring wurde auf dem Fußboden aufgebaut. Eine Fahrt einmal herum ist 4,9 m lang.

Abbildung 8.2: Plan des verwendeten Gleises und Positionen der Stromanschlusse.

Die Schienen bestehen aus Metallprofilen, die von Kunststoffschwellen zusammengehalten wer-den. Die Stromversorgung der Lok erfolgt uber die Metallschienen. Entsprechende Anschlussewurden an zwei gegenuberliegende Punkte gelegt.Den Strom lieferte ein Transformator von Marklin, der eine maximale Wechselspannung bis16 V liefert. Als Stelleinrichtung gibt es hier einen Knopf, der einen Schleifer auf der Trafo-Wicklung bewegt, es wird also keinerlei Regelung durchgefuhrt. Wie bei Marklin-Eisenbahnenublich, liefert der Transformator auf Knopfdruck eine hohere Spannung, die ein Relais in derLok zum Umpolen und damit zur Fahrtrichtungsumkehr veranlaßt.Da auch der Kunststoff des Gleiskorpers fluoresziert, wurde hier im Bereich der Detektorenschwarze Pappe aufgeklebt und zwar so, daß nur das Metall der Schienen sichbar blieb. Diesesreflektiert zwar stark, doch dies laßt sich nicht dampfen, da sonst die Stromleitung beeintrachtigtwurde.

8.1.1 Der Zug

Der Zug bestand aus einer Lok und vier Waggons unterschiedlicher Hohe (also funf Einheiten),wovon immer die Lok und dann drei bis vier Waggons unterwegs waren. Ein Photo des Zugesfindet sich in Abbildung 8.3, die Abmessungen sind in Abbildung 8.4 zu sehen. An die beiden zuflachen Waggons (Nummer 2 und 4) wurde an der Langsseite ein Stuck Pappe angeklebt, so daßdiese von der Seite eine sichtbare Hohe von ca. 100 mm haben. Dies dient den Lichtschranken(siehe 8.2.2) zur besseren Erkennung.Da die Waggons, besonders der letzte, nicht sonderlich viel Gewicht haben und deshalb dazuneigten, aus den Schienen zu springen, wurden sie mit Gewichten belegt.Auf den Oberseiten der Waggons und auf die Lok wurde je ein Stuck schwarze Pappe der Großeca. 100 x 250 mm als Auflageflache geklebt.

8.1 Die Eisenbahn 56

Abbildung 8.3: Photo des Zuges. Auf den Waggons liegen Maisblattstucke

Abbildung 8.4: Abmessungen des Zuges in einer Aufsicht von der Seite. Alle Maße in mm

Die Lok verfugte in der Originalausstattung uber keinerlei Einrichtungen zur Stromabnahmedirekt von den Gleisen, sondern nur uber die Rader mit mehr oder minder gutem Kontaktmit den Schienen. Es zeigte sich, daß die starren Achsen der Rader zusammen mit dem darausresultierenden schlechten Kontakt haufig zu Geschwindigkeitsschwankungen oder dem Stillstanddes Zuges fuhrten. Aus diesem Grund wurden aus Draht Schleifer zwischen die Rader gebaut(siehe Photo in Bild 8.5), die direkten Kontakt mit den Gleisen halten. Diese Konstruktionerwies sich als sehr nutzlich, hatte aber den Nachteil, daß sich die Schleifer leicht verbogen.Da die Zuggeschwindigkeit nicht geregelt wurde, sondern nur eine Spannungsvorwahl am Trans-formator stattfand, war die Fahrtgeschwindigkeit schwankend und abhangig von

• der Lange des Zuges,

• der Leichtgangigkeit der Wagen,

• dem Zustand der Stromabnehmer und

• dem Kontakt der Rader der Lok zum Gleis.

8.2 Das Meßsystem 57

Abbildung 8.5: Zur Stromaufnahme uber Gleise und Rader wurden zusatzliche Stromabnehmer einge-baut, um eine ruckelfreie Fahrt zu gewahrleisteten.

Deshalb ist es nicht moglich, bei den folgenden Messungen direkt eine Zuggeschwindigkeit an-zugeben, da diese zum Teil starker variierte. Um allerdings einen Uberblick und eine grobeAbschatzung zu erhalten, findet sich in der Tabelle 8.1 neben den Einstellungen des Trafosund den zugehorigen, im folgenden verwendeten Geschwindigkeitsbezeichnungen jeweils typi-sche Fahrtzeiten fur eine Runde und sich daraus ergebende Geschwindigkeiten.

Tabelle 8.1: Typische Geschwindigkeiten des Zuges bei einer Umfahrt mit nur einem Waggon und derLok. Die Fahrtzeit gilt fur eine Runde. Die Geschwindigkeit ergibt sich dann aus der festenGleislange von 4,9 m

Geschwindigkeitsbezeichnung Trafoeinstellung Fahrtzeit Geschwindigkeitsehr langsam 50 18,9 s 0,26 m/s

langsam 75 13,4 s 0,37 m/smittel 100 10,1 s 0,49 m/s

schneller 125 8,9 s 0,55 m/sschnell 150 8,2 s 0,60 m/s

sehr schnell max. 7,5 s 0,65 m/s

8.2 Das Meßsystem

Die Gleisstrecke verfugt uber zwei gerade Bereiche mit einer Lange von je 60 cm Lange. Ubereinem davon wurden zwei Detektorsysteme aufgebaut wie in Abbildung 8.6 zu erkennen ist. Siesind mit Stativen so befestigt, daß ihr Abstand ca. 40 cm und die Hohe uber den Gleisen 80 cmbetragt. Ein Photo dieses Bereiches findet sich in Abbildung 8.7.Die eingezeichneten Komponenten werden in den nachsten Abschnitten einzeln behandelt.


Abbildung 8.6: Gleisplan. Abmessungen der Gleisstrecke und Positionen der Detektoren (Det.) undLichtschranken (FW) sowie des Halogenlichtes. Das Photo in Abbildung 8.1 auf Seite54 zeigt die Anlage von oben.

8.2.1 Detektoren

Als Detektoren kamen die selben Gerate zum Einsatz, die auch schon in Kapitel 6 Verwendungfanden. Unter diesen war jeweils ein Aluminium-Kasten angeschraubt, der ein Filter aufnehmenkann. Darunter befand sich auch wieder eine Linse. In diesem Aufbau wurde wegen des festenAbstands keine Abstandskorrektur mit Strahlteiler benotigt. In Abbildung 8.8 ist dieser Aufbauin einem Schnittbild zu sehen.Als Filter kamen die schon erwahnten RG630 mit einer Dicke von 3 mm zum Einsatz. Die Linsender beiden Detektorsysteme unterschieden sich allerdings, da hier Material aus dem Labor zumEinsatz kam und anderes nicht verfugbar war. Die daraus entstehenden Probleme werden imAbschnitt 11.2 behandelt.Neben jedem Detektor wurde ein LED-Kopf montiert. Die Ansteuerung leistete wieder diebereits in Abbildung 6.3 gezeigte Platine. Allerdings war es nun notig, beide Kopfe mit ver-schiedenen Frequenzen anzusteuern, da sonst gegenseitige Beeinflussung der sonst nicht optischgetrennten Detektorsysteme moglich gewesen ware. Eine Wahl von

f1 = 1000 Hzf2 = 700 Hz

erschien gunstig, da diese hinreichend auseinander liegen und ihre Oberwellen erst bei 7000 Hzzusammenfallen. Alle 30 LEDs waren eingeschaltet (wenn nichts anderes vermerkt).


Abbildung 8.7: Seitenansicht und Photo von schrag oben auf den Detektorbereich. Zu erkennen ist,neben den Detektoren und ihren LED-Kopfen, auch das Gleis mit dem Zug darauf.

8.2.2 Lichtschranken

Die in Abbildung 8.6 eingezeichneten Fotowiderstande (FW) und blauen LEDs gehoren zu zweiLichtschranken. Auf der einen Seite der Gleise (außen) befinden sich je eine blaue Leuchtdi-ode, auf der anderen Seite gegenuber je ein Fotowiderstand. Dabei sind die Positionen entlangdes Gleises so gewahlt, daß diese in etwa der Mitte des Sichtkreises der daruber befindlichenDetektoren entsprechen.Sie haben die Aufgabe, entsprechende Signale zu liefern, wenn sie von einem Wagen passiertwerden, um daraus die Fahrgeschwindigkeit des Zuges zu bestimmen. Zu diesem Zweck ist ihreHohe so eingestellt, daß ein vorbeifahrender Wagen den Lichtweg unterbricht (siehe Abbildung8.9). Da nicht alle Waggons die notige Hohe haben, um sicher die Lichtschranken auszulosen,wurde bei zwei Waggons, wie oben beschrieben, eine zusatzliche Pappe montiert. Die in derAbbildung 8.9 A eingezeichneten Papphauschen um Sender und Empfanger dienen zum einendazu, das Licht der LEDs nach oben abzuschirmen, damit dies nicht in die Detektoren gelangt,zum anderen um Fremdlicht von den Fotowiderstanden fernzuhalten.


Abbildung 8.8: Schnitt durch den Aufbau des Detektorsystems

Eigentlich sind die eingesetzten Fotowiderstande in ihrer Reaktion zu langsam (τ=30 ms), umeine genaue Geschwindigkeitsmessung zu gewahrleisten. Ein fahrender Traktor gibt auch einGeschwindigkeitssignal ab. Da aber auch dieses nicht absolut genau ist (Wackeln des Treckers),wird mit diesen Widerstanden ein ahnliches Verhalten simuliert. Daruber hinaus ware eineabsolute Genauigkeit unerwunscht, weil so die Leistung der Software zum Finden der wirklichenAbstande gar nicht uberpruft werden konnte.

Abbildung 8.9: Lichtschranken: A: ein Schnitt quer zur Gleisrichtung; B: Schaltung der Auswertelek-tronik: Ein invertierter Schmidt-Trigger (S) kippt, wenn die Beleuchtung des Fotowi-derstandes (FW) eine Schwelle uber- bzw. unterschreitet. Die Leuchtdiode dient zurFunktionskontrolle.

Schaltung der Lichtschranken

Die Abbildung 8.9 B zeigt die Schaltung der Auswertelektronik fur die Lichtschranken. DieWahl fiel auf diese Schaltung, weil sie bereits fertig vorlag (es handelt sich dabei um Bausteineaus dem Elektronik -Kasten der Firma Fischer-Technik) und nicht erst gebaut werden mußte.Ein Fotowiderstand bildet mit zwei Widerstanden einen regelbaren Spannungsteiler. Das Signalwird uber einen Transistor auf den Eingang eines Schmidt-Triggers weitergeleitet. Dieser ar-beitet als Schwellwert-Schalter, das heißt, er kippt von logisch 0 (0V) auf logisch 1 (5V), wenn


die Spannung an seinem Eingang einen bestimmten Wert uberschreitet, und wieder zuruck beiUnterschreitung. Mit Hilfe des Potis P kann der Spannungsteiler so eingestellt werden, daß dasKippen des Ausganges A bei einer gewunschten Beleuchtung des Fotowiderstandes erfolgt, indiesem Fall also genau dann, wenn ein Waggon in der Lichtstrecke steht. Die LED zeigt denZustand an. Die Ausgange wurden direkt mit den AD-Wandlern der Meßkarte verbunden.

Startlichtschranke

In der Abbildung 8.6 sind eine rote Leuchtdiode und eine Fotozelle eingezeichnet. Diese Teilegehoren zu einer weiteren Lichtschranke, welche so plaziert ist, daß sie ein Signal ausgibt, wennein Waggon die Halogenlampenstrecke (siehe nachster Abschnitt) passiert hat.Hier kam eine im Labor vorhandene Detektorschaltung zum Einsatz, bei der eine Photodiode aneinen Operationsverstarker angeschlossen ist. Der Ausgang wurde direkt mit einem AD-Kanalder Meßkarte verbunden.Wie die beiden zuvor beschriebenen Lichtschranken befindet sich auch diese in Wagenhohe. UmFremdlichteinstreuungen zu vermeiden, wurde der Detektor mit einer Papprohre von 14 mmDurchmesser und 100 mm Lange umgeben. Der horizontale Abstand ist so eingestellt, daß dieLichtstrecke genau dann von einem Waggon unterbrochen wird, wenn die Wagenmitte unterder letzten Halogenlampe steht. Dies wird im Abschnitt 12.5.1 benotigt, um die Meßdaten dereinzelnen Detektoren zusammenfugen zu konnen.

8.2.3 Halogenlampen

Um Induktionskinetiken messen zu konnen, benotigt man neben dem eigentlichen Meßsystemeine Lichtquelle, die die Kinetiken auslost. Hierzu muß das Licht im allgemeinen eine hoheIntensitat haben, so daß, vor allem bei großerem Abstand der Lampen von den Pflanzen, nurHalogenlampen und keine Leuchtdioden in Frage kommen.Vor dem zuvor beschriebenen Bereich mit den Detektoren befindet sich, von einer Wand ausPappe abgeschirmt, der Bereich, in dem die Halogenlampen installiert wurden. Von den inAbbildung 8.10 eingezeichneten drei Lampen war im ersten Aufbau nur die Lampe direkt ander Pappe vorhanden. Diese war nicht direkt uber dem Gleis montiert, sondern ihr Licht wurdeuber einen Lichtleiter auf die Strecke gefuhrt.

Abbildung 8.10: Vor dem Bereich mit den Detektoren befinden sich, von Pappe abgeschirmt, drei Ha-logenlampen; eine davon wird uber einen Lichtleiter zugefuhrt.


Es zeigte sich aber, daß bei einer Vorbeifahrt des Zuges und den in Tabelle 8.1 angegebenenGeschwindigkeiten die Zeiten, in denen die Pflanzen dem Licht ausgesetzt sind, zu kurz sind.Deshalb wurden zwei zusatzliche Halogenlampen direkt uber dem Gleis montiert, wie in derAbbildung ersichtlich.Die Halogenlampen haben eine Leistung von je ca. 250 W (10 A bei 25 V) und werden einzeln voneinem regelbaren Netzteil angesteuert. Die Steuereingange wurden mit dem Wandlerausgangder Meßkarte verbunden, so daß die Software in der Lage war, die Intensitat des Halogenlichtesvorzugeben. Bei diesem Aufbau konnten Intensitaten bis zu

Imax = 4000 . . . 5000 µmol cm−2s−2

erreicht werden. Dies sollte als aktinisches Licht ausreichen.

8.2.4 Abschirmungen

Das starke Streulicht der Halogenlampen hatte leider auch eine Wirkung auf die Detektoren,besonders den ersten, da dieser eine geringere Entfernung von ihnen hatte. In Abbildung 8.11kann man dies fur den Detektor 1 erkennen: Bei dieser Messung wurden mit je einem StreifenMaisblatt auf dem ersten und dritten Waggon Runden gefahren mit Halogenlicht. Dieses wurde10 Sekunden nach Beginn der Messung eingeschaltet. In der Abbildung erkennt man deutlich,daß das Signal von Detektor 1 sehr unruhig wird und nur noch um 0 herum pendelt. Nachca. 16 Sekunden erreicht das erste Blatt die Detektorstrecke, doch erfaßt der Detektor 1 diesesgar nicht, er liefert im Gegensatz zu dem anderen nur einen Peak vom Blatt auf dem drittenWagen. Nach 23 Sekunden wurde das Halogenlicht wieder ausgeschaltet, aber auch jetzt bleibtdas Signal des Detektors 1 unruhig. Dies andert sich erst bei der zweiten Durchfahrt der Pflanzenbei ca. 28 Sekunden.

Abbildung 8.11: Beeinflussung des ersten Detektors durch das Halogenlicht (nach 10 s eingeschaltet,nach 23 s wieder aus), ein Peak fehlt ganz. Dies macht eine Abschirmung notig.

Um diese Auswirkungen abzumildern, wurde der Bereich der Halogenlampen mit Pappe ver-kleidet, so daß dieser moglichst vollstandig zur Detektorstrecke hin abgeschirmt ist. Der Zugselbst fahrt durch einen Papptunnel. Abbildung 8.12 zeigt dies: Bei A fahrt die Lok aus demTunnel; B zeigt den Lampenbereich und die Abschirmung zum Detektor hin.

8.3 Testmessungen mit der Anlage und Einstellungen 63

Abbildung 8.12: Abschirmung der Halogenlampen: A: Lok gelangt durch einen Papptunnel in den Meß-bereich (Im Anhang als Abbildung B.2 in Farbe); B: von der anderen Seite: Bereichder Lampen.

Diese Veranderungen brachten zwar ein wenig Erfolg, aber ganz abstellen konnten sie das etwasmerkwurdige Verhalten nicht. Offensichtlich wurde der Korrelator aufgrund von Ubersteuerun-gen instabil.

8.3 Testmessungen mit der Anlage und Einstellungen

Das aufgebaute Meßsystem sollte nun in der Lage sein, auf dem fahrenden Zug Fluoreszenzsig-nale zu messen. Vorher sollten allerdings die Zeitkonstanten der Korrelatoren eingestellt undermittelt werden, wie feine Abstande noch auflosbar sind.Zu diesem Zweck wurden zwei Papierstucke geschnitten, die jeweils aus zwei rechteckigenFlachen mit einer schwarzen Verbindung bestehen. Diese sind mit ihren Abmessungen in Ab-bildung 8.13 zu sehen. Der linke Streifen wurde auf den ersten Waggon gelegt, der rechte aufden dritten.Nun wurden mit dieser Beladung Fahrten bei zwei Geschwindigkeiten durchgefuhrt und dabeidie Zeitkonstanten an den Korrelatoren verandert. In der Abbildung 8.14 finden sich einigeder Messungen. Die Zeitkonstanten wurden, wie in Tabelle 8.2 angegeben, eingestellt, wobeizu beachten ist, daß der zweite Korrelator die Einstellung ”3“ und ”30“ nicht besitzt, weshalbgleiche Werte fur beide Gerate nicht immer moglich waren.

Tabelle 8.2: Wahl der Zeitkonstanten an den Korrelatoren fur die Auflosungsmessungen

Messung Zeitkonstante Korrelator 1 Zeitkonstante Korrelator 2A 3 ms 10 msB 10 ms 1 msC 30 ms 10 msD 100 ms 100 ms

8.3 Testmessungen mit der Anlage und Einstellungen 64

Abbildung 8.13: Papierstucke fur den Auflosungstest: jeweils zwei gleich große Computerpapierstucke(schraffierte Flachen) und der dazwischen liegende Bereich mit schwarzer Pappe wur-den auf die Waggons gelegt, links auf Waggon 1, rechts auf Nummer 3.

Die Ergebnisse dieser Messungen sind in Abbildung 8.14 zu erkennen. Fur jede der in derTabelle 8.2 angegebenen Kombinationen findet sich eine Grafik. Hieraus folgt die Wahl derZeitkonstanten: Sind diese zu klein (Messungen A und zum Teil B), so nimmt das Rauschenstark zu, da nun uber einen viel kleineren Bereich gemittelt wird. Werden hingegen zu großeKonstanten gewahlt (Messung D), so verschwinden Konturen, im Bereich 3 bis 4 Sekundenist zum Beispiel die Trennung zwischen den beiden Teilblattern auf Waggon 1 kaum nochvorhanden, im Bereich um 6 Sekunden ist dies noch starker.Deshalb erscheint eine Wahl 30 ms bzw. 10 ms als sinnvoll, zumal diese Werte eine Mittelunguber viele Perioden des Meßlichtes mit 1000 Hz bzw. 700 Hz zulassen.

Abbildung 8.14: Auflosungstest und Bestimmung der Zeitkonstanten: Pro Diagramm zwei Fahrtenmit verschiedenen Geschwindigkeiten. Variation der Zeitkonstanten: A 3/10 ms, B:10/1 ms, C: 30/10 ms, D: 100/100 ms. Naheres im Text.

Kapitel 9

Software

Fur die Messung und Verarbeitung der Signale war es notig, geeignete Software zu schreiben.Diese hat insbesondere die folgenden Aufgaben:

• Durchfuhrung der Messung: Es mussen die Daten der AD-Wandler aufgenommen undgespeichert werden. Zustatzlich muß das Halogenlicht als aktinisches Licht ein- und aus-geschaltet werden.

• Wiederfinden der Pflanzen: Die Detektoren liefern jeweils eine Meßdatenspur, auf der sichdie Signale der individuellen Pflanzen befinden, verschoben um den zeitlichen Abstand derDetektoren. Hier gilt es, die zu einer Pflanze gehorenden Daten wiederzufinden.

• Erstellung von Kinetiken: Aus den errechneten Abstanden mussen Meßdaten der Detek-toren entsprechend zugeordnet werden, um so Kinetik-Kurven zu erhalten.

Zu diesen Zwecken wurden drei Programme entwickelt. Hierbei kam das ProgrammiersystemLabview der Firma National Instruments zum Einsatz. Eine kurze Einfuhrung in Labview unddie Art, wie man damit erstellte Programme liest, findet sich im nachsten Abschnitt.

9.1 Kurze Einfuhrung in Labview

Labview ist speziell auf Meß- und Automatisierungsaufgaben ausgelegt und ermoglicht es sehreinfach, Daten zu erfassen und schnell in verschiedenen Diagrammen darzustellen. Da diesesSystem sowohl ubersichtliches Arbeiten, gutes Speichermanagement und einfache Fehlersucheermoglicht als auch eine ahnlich hohe Ausfuhrungsgeschwindigkeit wie zum Beispiel C bietet,erschien es als geeignet fur die anstehenden Aufgaben.Im Gegensatz zu anderen, ”klassischen“ Programmiersprachen wird in Labview kein Programm-text geschrieben, sondern der Ablauf als eine Art Flußdiagramm gezeichnet. Es ist also mehrein grafisches Programmiertool, in dem das Programm wie mit einem Zeichenprogramm erstelltwird. Funktionen und Operatoren sind als Icons dargestellt. Die ”Kabel“ fuhren die Variablenals Parameter zu den Funktionen hin und leiten das Ergebnis weiter. Rechtecke um Programm-teile herum zeigen Schleifen (der Inhalt wird wiederholt) oder Fallunterscheidung an (fur jedenFall gibt es einen eigenen Kasten).In der Abbildung 9.1 ist die Notation von Labview an zwei einfachen Beispielen sichtbar: Azeigt eine Addition, die beiden Rechtecke Summand 1 und Summand 2 liefern die zu addie-renden Zahlen (Der Eintrag DBL zeigt an, daß es sich hierbei um Gleitkommazahlen doppelterGenauigkeit handelt; lange Integer-Zahlen werden durch I32 bezeichnet.). Die Drahte liefernihre Werte an das Additions-Icon, welches auf der anderen Seite das Ergebnis herausgibt.Der Vergleich in Abbildung 9.1 B liefert einen booleschen Wert (mit dem Symbol TF gekenn-zeichnet): Der Ausgang ist genau dann TRUE, wenn Element 1 großer als Element 2 ist, sonstwird FALSE geliefert.

9.1 Kurze Einfuhrung in Labview 66

Abbildung 9.1: Labview: Auf dem Bildschirm werden Diagramme gezeichnet, wie die hier gezeigten.Die Beschriftungen wie ”Summand 1“ konnen vom Programmierer frei gewahlt wer-den. Die Daten werden mit ”Kabeln“ an die entsprechende Funktion angeschlossen,und das Ergebnis wird genauso weitergeleitet. A: eine Addition von Summand 1 mitSummand 2. B: Der Vergleich liefert ein TRUE, wenn Element 1 großer als Element 2ist. (DBL: real, TF: Boolscher Wert)

Datenflusse und Variablen werden in Labview durch Linien gekennzeichnet. Verschiedene Da-tentypen (Gleitkommazahlen, Integer, Boolsche Werte) werden durch die Farbe gekennzeichnet(siehe Farbtafel im Anhang A). Dicke Linien bezeichnen dabei eindimensionale Arrays wie inAbbildung 9.2 A gezeigt. Das Array liefert indizierte Elemente (dicke Linie) und Index eineZahl (dunne Linie, I32 heißt lange Integerzahl). Der Kasten in der Mitte nimmt aus dem Arraydas Element mit der Nummer Index und gibt dies weiter.Eine Fallunterscheidung ist in Abbildung 9.2 B zu sehen. Je nachdem, ob die Bedingung TRUEoder FALSE ist, wird der Inhalt des grauen Kastens ausgefuhrt. Hier ist nur der TRUE -Fallgezeichnet, andere bekommt man durch Umschalten an den kleinen Pfeilen zu sehen.

Abbildung 9.2: Labview: A: Zugriff auf ein Array, der Kasten in der Mitte liefert das Element mitdem angegebenen Index. B: Fallunterscheidung: Ist der Eingang TRUE, so wird aus-gefuhrt, was sich in dem grauen Kasten befindet. Dort hinein werden dann ebenfallsProgrammstucke in Labview-Notation gezeichnet. Bei FALSE gibt es einen weiterenKasten (hier nicht gezeigt), der dann ausgefuhrt wird. Diesen bekommt man zu se-hen, wenn man auf einen der Pfeile neben dem Schriftzug ”TRUE“ klickt. ( I32: 32 bitInteger, DBL: real, TF: Boolscher Wert)

Schleifen sind durch Rechtecke, wie in Abbildung 9.3 gezeigt, dargestellt. Die For-Schleife inAbbildung 9.3 A wiederholt N mal den Inhalt des Kastens, dabei wird bei jedem Durchlauf derWert von i um eins erhoht. Der Anschluß obere Grenze liefert die Zahl N.In der Abbildung 9.3 B findet sich eine While-Schleife, bei der der Kasten so lange wiederholtwird, wie an der Fortsetzungsbedingung ein TRUE anliegt. Auch hier wird bei jeden Durchlaufder Zahler i um eins erhoht.Weitere Erlauterungen zum Aufbau von Labview -Programmen werden im Abschnitt 9.2 anhanddes Programms vts.vi und in 9.7 bei KKF-Online.vi gebracht. Alle Labview -Programme tragendie Endung vi fur virtual instrument. Diese Benennung wird auch in dieser Arbeit beibehalten,

9.2 Simulation von Meßdaten: virtual tractor simulation(vts.vi) 67

Abbildung 9.3: Schleifen in Labview: A: For-Schleife. Der Inhalt des Kastens wird N-mal (obere Gren-ze) wiederholt, i wird bei jedem Durchlauf erhoht. Das Anzeigeelement ”iterierte Va-riable“ soll hier den Zugriff auf den Zahler i verdeutlichen. B: While-Schleife, diewiederholt wird, solange die Fortsetzungsbedingung TRUE ist. Auch hier wird i beijedem Durchlauf hochgezahlt.

damit an der Endung erkennbar ist, daß ein Labview -Programm gemeint ist.

9.2 Simulation von Meßdaten: virtual tractor simulation(vts.vi)

Um fur die Entwicklung des Auswerteprogramms der Meßfahrten reproduzierbare und vor allemubersichtliche Meßdaten zur Verfugung zu haben, wurden simulierte Daten benutzt. Fur ihreErzeugung wurde das Programm vts.vi geschrieben.Die Simulation der Zeitreihe, die ein Detektor sieht, benotigt als Information den Verlauf desSignals, das im Detektor induziert wird, wenn eine Pflanze gleichmaßig unter dem Detektorhindurch fahrt. Dieser Kurvenverlauf kann in einem Vorversuch gemessen werden und sei f(t).Wenn Pflanzen zu den jeweiligen Zeitpunkten Ti unter dem Detektor hindurchfahren, kann dieDetektorspur beschrieben werden als

d(t) =N∑

i=1

ai(tkinetik) · f (t− Ti) (9.1)

Bei gleichmaßiger Geschwindigkeit v ist Ti = si/v, wenn si die Orte der Pflanzen auf dem Zugsind. Wenn die Pflanzen alle unter konstanten Lichtbedingungen bleiben, so daß ihre Fluoreszenzim stationaren Zustand ist, sind alle ai gleich groß und unabhangig von der Zeit. Wenn jedochdie Pflanzen vor der Einfahrt in die Detektorstrecke einem aktinischen Licht ausgesetzt werden,ergibt sich eine Induktionskurve, die das Zeitverhalten der ai(tkinetik) beschreibt. Die Funktionai(tkinetik) muß ebenfalls im Vorversuch bestimmt werden.

9.2.1 Simulation einer Durchfahrt

Die Kurve f(t) in Gleichung 9.1 wurde an einer echten Pflanze gemessen und ist in Abbildung9.4 dargestellt (dunne Line). Um bei der Berechnung nicht in großen Datenreihen suchen zumussen, wurde die gemessene Kurve mit einer Summe von Exponentialfunktionen gefittet:

f(t) = k0 +5∑

i=1

e− t

τi (9.2)

Es ergaben sich die Parameter in Tabelle 9.1. Fur alle anderen Zeitwerte (t < 0 s oder t > 1, 55s) wurde der Wert auf 0 gesetzt. Der Fit (dicke Linie in Abbildung 9.4) trifft zwar die Meßlinienicht genau, da es aber hier nur um einen Modellverlauf geht, wurde auf einen hoheren Aufwandverzichtet.


Abbildung 9.4: Detektorsignal fur die Durchfahrt einer Pflanze. Die dunne Linie zeigt die Messung,die dicke Linie das Ergebnis des Fits mit Formel 9.2. Fur einen Nullpunkt direkt unterdem Detektor ist die Kurve verschoben.

Tabelle 9.1: Simulation einer Durchfahrt: Parameter aus dem Fit fur Gleichung 9.2

i ki τi · s0 2,673 -1 -12,97 2,0912 80,93 0,5413 -101,95 0,3514 -2,81 0,0695 33,85 0,187

9.2.2 Simulation einer Induktionskinetik

In Gleichung 9.1 fuhrt mit der Große ai(tkinetik) die Moglichkeit ein zu berucksichtigen, daßsich der Zustand der photosynthetischen Maschine andert, wenn die Pflanze Licht variablerIntensitat gesehen hat. Um dieses Verhalten, das spater zur Pflanzenbeurteilung benutzt werdensoll, in die Simulation einzubauen, wurde eine solche Kinetik-Kurve gemessen. Dazu wurde einStuck Maisblatt ca. 10 Minuten abgedeckt dunkeladaptiert und dann dem Tageslicht ausgesetzt.Das resultierende Fluoreszenzsignal sieht man als dunne Linie in Abbildung 9.5.Auch hier wurde ein Fit vorgenommen um die Kurve ins Programm einzubauen. Hierzu eignetsich die bereits auf Seite 14 gezeigte Gleichung 3.12 fur ein lineares System:

f(t) =4∑

i=1

Ai

(1− e

− tτi

)(9.3)

Der Fit ergab die Parameter in Tabelle 9.2. Die dicke Linie in der Abbildung folgt daraus.Abweichungen ergeben sich aus der Nichtlinearitat des Systems (Hansen et al., 1981). Aber furdie Funktion in der Simulation ist dies keine Einschrankung.

9.2.3 Erzeugung der simulierten Meßdaten

Mit den Formeln 9.1 bis 9.3 und den passenden Parametern lassen sich nun fur beliebige Zeitender Zustand der Pflanze und deren Signal in einem Detektor errechnen. Dies geschieht in den


Abbildung 9.5: Detektorsignal fur die Kinetik einer Pflanze durch Licht induziert. Die dunne Liniezeigt die Messung, die dicke Linie das Ergebnis des Fits mit Formel 9.3

Tabelle 9.2: Simulation einer Kinetik: Parameter aus dem Fit fur Gleichung 9.3

i Ai τi · s1 -2,3 0,322 183,5 5,53 -184,3 9,04 3,2 388,0

Funktionen exp fahrt.vi und exp kinetik.vi in Abbildung 9.6, denen als Parameter jeweils eineZeit ubergeben wird.

Beschreibung des Prinzips in vts.vi

Ein Ubersichtsbild des Programmes ist in Abbildung 9.6 dargestellt, unwichtige Teile fehlenhier. Vts.vi erlaubt es, Meßfahrten mit einer beliebigen Anzahl von Detektoren und Pflanzenzu erzeugen, wobei die Pflanzen wahlweise vorher (simuliert) mit Halogenlicht bestrahlt werden,um eine Induktionskinetik zu erzeugen.Die zu erzeugende Funktion ist durch Gleichung 9.1 gegeben. Die Berechnung von f(t) findetin der Funktion exp fahrt.vi statt und von ai(tkinetik) in exp kinetik.vi. Was das Programmleisten muß, ist die Erzeugung der Argumente fur diese. Dazu dient in Abbildung 9.6 der Teillinks von den beiden Funktionen. t = 0 gilt, wenn die Zugspitze aus dem Halogenlicht indie Beobachtungsstrecke einfahrt, deshalb beginnt ndet mit 1 in der folgenden Gleichung (DerAbstand vom aktinischen Licht bis zum ersten Detektor ist auch Adet.). Das Argument fur fwird

trd = t− TDet,i = t− (ADet · nDet + pi) (9.4)

mit trd: relative Detektorzeit mit trd = 0 senkrecht unter dem Detektort: Zeit der Simulation (ab deren Beginn)TDet,i: Zeit, bis Pflanze i unter Detektormitte stehtADet: zeitlicher Abstand der Detektoren voneinandernDet: Nummer des Detektors (bei 1 beginnend)pi: zeitl. Abstand der Pflanze mit der Nummer i von der Vorderkante des Zuges


Abbildung 9.6: Simulation einer Meßfahrt mit dem Programm vts.vi. Prinzipschaltbild: Meßspur er-zeugen. Fur jeden Detektor wird fur jede Pflanze der Signal-Anteil fur die momentanePosition erzeugt. Genauer Ablauf im Text.

Hierbei ist im Gegensatz zu Gleichung 9.1 noch explizit der zeitliche Abstand der verschiedenenDetektoren untereinander dargestellt.Bemerkung: TDet,i = ADet · nDet + pi fur konstante Fahrtgeschwindigkeit v.Das Argument tkinetik fur die ai ergibt sich daraus, daß eine Pflanze mit großerem Abstandvon der Zugspitze spater an der (simulierten) Halogenlampe vorbei gekommen und deshalb dieWirkung noch nicht so stark abgeklungen ist wie bei einer, die an der Zugspitze steht. Damitsieht ein bestimmter Detektor nur Pflanzen, deren Induktionskurve jeweils immer gleich weitabgeklungen ist.Eine Pflanze im Abstand pi von der Lokspitze verlaßt zur Zeit pi das Licht. Wenn sie jetzt unterdem ndet-ten Detektor durchfahrt, gilt fur die Zeit

t = (Adet · nDet + pi) (9.5)

Die Zeit des Abklingens auf der Induktionskurve ist dann

tkinetik = t− pi (9.6)

Sie ist fur alle Pflanzen konstant, denn mit Gleichung 9.5 wird

tkinetik = t− pi = (Adet · ndet) + pi − pi = Adet · ndet . (9.7)

Der selbe Detektor sieht also die Pflanzen immer zur gleichen Zeit nach Beleuchtung.Obige Rechnung geht von konstanter Geschwindigkeit fur die Simulationen aus. Im realen Expe-riment kann diese Geschwindigkeit aber variieren. Dies ist ein Problem, das in den Abschnittenzur Spurenzuordnung (9.3) behandelt wird.Das Programm in Abbildung 9.6 berechnet auf der linken Seite mit Hilfe der obigen Formeln dieZeiten und gibt diese an die Funktionen exp fahrt.vi und exp kinetik.vi weiter. Die von diesenerrechneten Ergebnisse werden dann verarbeitet.


Beschreibung des Ablaufes in vts.vi

In den Gleichungen 9.4 und 9.6 tauchen drei Variablen auf:t Zeit der SimulationnDet Nummer des Detektorsi Nummer der Pflanze

Diese werden durch drei Schleifen erzeugt:

• t liefert den Zeitwert, an dem sich die Simulation gerade befindet. In der Abbildung istdiese Schleife nicht eingezeichnet. Als Ersatz liefert das Bedienelement Zeitpunkt (amKasten I32 ) den Wert fur t.

• Der graue Kasten in Abbildung 9.6 ist die Schleife uber der Zahl der Detektoren. DerMaximalwert ist oben links an das Terminal N angelegt. Der kleine Kasten i auf derlinken Seite liefert die Nummer des Detektors, also nDet. Die darum herum angeordnetenProgrammteile berechnen t−ADet · nDet aus Gleichung 9.4.

• Die innere weiße Schleife in Abbildung 9.6 lauft uber die Nummer der aktuellen Pflanze,dem i in den obigen Gleichungen. Die direkte Anwendung dieses Wertes, der nur als Indexfur den Zugriff auf das Array p i bzw. Pflanzenpositionen dient, ist aus der Abbildung nichtersichtlich, weil hier eine Labview -Besonderheit namens Auto-Indexing arbeitet. Dieseerkennt man an der Linie von Pflanzenpositionen, die beim Ubertritt in die weiße Schleifedunner wird. Dies ersetzt einen Zugriff auf das Array wie in Abbildung 9.2 A und bedeutet,daß an dem dunnen Draht immer der Eintrag des Arrays mit der Nummer i anliegt.

Die von den Funktionen exp fahrt.vi und exp kinetik.vi gelieferten Werte fur die Durchfahrt unddie Kinetik werden entsprechend Gleichung 9.1 multipliziert (rechts von den beiden Funktionenin Abbildung 9.6).Der Rest des Programms dient dann zum ”Einsammeln“ der Daten. Die weiße Schleife (zentralesweißes Feld) lauft uber alle Pflanzen. Es werden also die Signale errechnet, die alle Pflanzenzusammen bei dem gerade betrachteten Detektor (graue Schleife) erzeugen. Das heißt, alleWerte der Schleifendurchlaufe innen werden aufsummiert. Dies ubernimmt ein sogenanntesSchieberegister (oben in der Schleife, kleine Kasten mit Pfeil nach unten (links) und nach oben(rechts)). Es funktioniert folgendermaßen: Beim Beginn eines Schleifendurchlaufs wird von linksein Wert geliefert (am Anfang ist dies der angelegte Wert ”0,00“), am Ende einer nach rechtsherausgegeben. Dieser liegt beim nachsten Durchlauf wieder links an und so fort. Die vor denrechten Ausgang geschaltete Addition sorgt nun dafur, daß bei jeden Durchlauf der geradeerrechnete Wert zu den bestehenden hinzuaddiert wird. Ist die Schleife N -mal durchlaufen, sowird rechts das Ergebnis herausgegeben.Die Werte der Detektorschleife (grau) werden hingegen nicht addiert. Hier soll der Wert furjeden einzelnen Detektor gesammelt werden. An dieser Stelle arbeitet auch ein Schieberegister(ganz unten in der grauen Schleife in Abbildung 9.6), das allerdings nun aus einem 1-dim. Arraybesteht. Ganz links wird ein Startwert hineingegeben, das ist hier ein Array aus 0 Elementen.Rechts an das Schieberegister wird ein Array gegeben, das aus dem des letzten Durchgangesbesteht, welches um ein weiteres Element vergroßert wird (Labview erlaubt die dynamische Ver-großerung eines Arrays zur Laufzeit). Dies leistet der kleine Kasten fur Array-Erweiterungendavor (Die Symbole in dem Kasten sollen bedeuten, daß das Array und der Datenpunkt zu-sammengefuhrt werden.). Am Ausgang liegen dann fur die betrachtete Zeit t die Meßwerte furjeden Detektor einzeln an.Die Einsortierung in ein 2-dim. Array (Zeit, Detektor) geschieht in der hier nicht gezeigtenaußeren Schleife, die den Zeitpunkt I32 links im grauen Feld erzeugt.Um die simulierten Daten noch naturlicher zu machen, konnen diese mit einem Rauschen be-aufschlagt werden. Zusatzlich ist es moglich, die Zahl der Pflanzen zu variieren, was auch zu-fallsgesteuert moglich ist. Die Position der Pflanzen (im Array Pflanzenpositionen gespeichert)

9.3 Spurenzuordnung 72

in einem festgelegten Intervall ist dann zufallig und auch deren Anzahl, wenn die vom Benut-zer vorgegebene Simulationszeit aufgefullt wird (Beispiel: In ein Zeitintervall von 60 s passen6 Pflanzen, wenn diese alle 10 s kommen sollen. Ist dieser Abstand variabel, dann ist auch diePflanzenzahl nicht vorher festgelegt.).

9.3 Spurenzuordnung

Bei der Durchfahrt des Zuges liefert jeder Detektor ein Signal, in dem jede Pflanze einmalvorkommt. Doch die Signale einer Pflanze sind in den Detektoraufzeichnungen um die Zeitverschoben, die der Zug zwischen den Detektoren braucht. Diese Meßdaten sind in Abbildung9.7 A fur zwei verschiedene Blatter gezeigt, die unter zwei Detektoren hindurchfahren. Dieersten beiden Peaks stammen vom ersten Blatt, die letzten beiden vom zweiten.Die Signale von den verschiedenen Detektoren, die den Pflanzenzustand an verschiedenen Zeit-punkten messen, sollen spater zu einer Kinetik-Kurve fur jede Pflanze zusammengebaut werden.Dadurch bekommt die Bestimmung des genauen zeitlichen Abstandes eine hohe Bedeutung.Kennt man diesen Abstand, so kann man die Detektorspuren so verschieben, daß die Spuren zurDeckung kommen, wie in Abbildung 9.7 B dargestellt. Hier liegen die Meßpunkte ubereinander,die vom selben Blatt kommen.In diesem einfachen Beispiel war das Ubereinanderlegen noch per Auge moglich. Doch wenndies automatisiert werden soll, man ein mehr oder weniger geschlossenes Blatterdach vorfindetund die Fahrtgeschwindigkeit nicht konstant ist, dann muß mehr Aufwand getrieben werden.Im Laboraufbau wurde zwar eine Kenntnis der Zuggeschwindigkeit ausreichen (der Detektor-abstand ist bekannt). Doch im Feld ist die Detektorbewegung unter Umstanden nicht volligsynchron zur Traktorbewegung (Wippen). Deshalb sollte eine Abstandsbestimmung aus denMeßkurven selbst erfolgen.

Abbildung 9.7: Pflanzenspuren A: Originalmeßspuren von zwei Detektoren, unter denen 2 Blatter hin-durchgefahren sind. Die Pfeile zeigen Signale des selben Blattes. B: Ist der zeitlicheAbstand bekannt, so konnen die Daten des selben Blattes ubereinandergeschoben wer-den.


9.3.1 Die Kreuzkorrelationsfunktion

Zur Abstandsbestimmung der Signale gleicher Pflanzen bietet sich die Kreuzkorrelationsfunk-tion (KKF) an. Diese lautet im allgemeinen Fall (Isermann, 1988):

KKF(τ) = limT→∞

1T

+T∫−T

x(t) · y(t + τ) (9.8)

Dabei sind x(t) und y(t) zwei Meßdatenreihen und ist τ die Zeit, um die die Werte von ygegenuber denen von x verschoben werden. Dies entspricht der oben beschriebenen Zeit zurVerschiebung der beiden Datenreihen, um die Blatter zur Deckung zu bringen. Allerdings istbei dieser Aufgabenstellung das τ nicht bekannt und soll ermittelt werden.Berechnet man die KKF fur verschiedene τ , so bekommt man das richtige τ dadurch, daß hierfurdie KKF maximal wird. Da eine Berechnung des Integrals aus Gleichung 9.8 mit diskretenMeßpunkten nicht moglich ist, geht man zur digitalen Variante der KKF uber, bei der dasIntegral durch eine Summe ersetzt wird:

KKF(τ, k) =1k

k∑i=0

x(i) · y(i + τ) (9.9)

Das k gibt die Anzahl der Datenpunkte an, die zur Verfugung stehen, da hier ein ∞ nichterreicht werden kann.Aber auch diese Formel hat einen Nachteil: Wahrend einer Fahrt mit dem Traktor oder demZug soll online gemessen werden. Es kann aber nur mit den bereits ermittelten Punkten (bis zurNummer k) gerechnet werden. Damit nicht fur jeden neuen Meßpunkt die Formel 9.9 und damiteine unter Umstanden große Summe ausgerechnet werden muß, verwendet man die rekursiveVariante der KKF. Diese ergibt sich aus dem letzten berechneten Wert KKF(τ, k) und zweineuen Meßwerten:

KKF(τ, k + 1) =1

k + 1x(k + 1) · y(k + 1 + τ) +

k

k + 1KKF(τ, k) (9.10)

Diese bekommt man aus Gleichung 9.9 durch folgende Umformung:

KKF(τ, k + 1) =1

k + 1

k+1∑i=0

x(i) · y(i + τ)

=1

k + 1

(x(k + 1) · y(k + 1 + τ) +

k∑i=0

x(i) · y(i + τ)

)

=1

k + 1x(k + 1) · y(k + 1 + τ) +

k

k + 1

(1k

k∑i=0

x(i) · y(i + τ)

)

=1

k + 1x(k + 1) · y(k + 1 + τ) +

k

k + 1KKF(τ, k) (9.11)

Gleichung 9.11 entspricht Gleichung 9.10, was zu zeigen war. Mit dieser Formel kann nun fort-laufend die Kreuzkorrelation berechnet werden, ohne daß großer Zeitaufwand notig ware, daimmer nur ein Summand dazu kommt.


Vergessensfaktoren

In der obigen Formel (Gleichung 9.10) zur Berechnung der KKF werden alle bisherigen Meßwerteverwendet. Da dies aber wenig zweckmaßig ist, weil nach 1000 m sicher nicht mehr die Wertevom Anfang eine Rolle spielen, fuhrt man einen sogenannten Vergessensfaktor α ein (Lubke,1987), der dafur sorgt, daß Werte, die schon alter sind, mit immer weniger Gewicht in dieBerechnung der KKF eingehen. Dann lautet die KKF:

KKF(τ, k + 1) =1

k + 1x(k + 1) · y(k + 1 + τ) +

αk

k + 1KKF(τ, k) (9.12)

In der nichtrekursiven Berechnung ergibt sich daraus:

KKF(τ, k) =1k

k∑i=0

αk−1 x(i) · y(i + τ) (9.13)

Aus dieser Gleichung erkennt man die Wirkung des Vergessensfaktors: je alter der Wert (k istgroß und i klein), desto hoher die Potenz von α. Wahlt man nun α < 1, so resultiert darauseine verminderte Wirkung alterer Daten und daraus ein Vergessen, wie Abbildung 9.8 zeigt. Diekonkrete Wahl von α folgt dann spater aus Testmessungen, ist aber nur wenig kleiner als 1.

Abbildung 9.8: Verschiedene Werte fur den Vergessensfaktor α bewirken bei alteren Werten (nachrechts auf der x-Achse) eine unterschiedlich starke Gewichtung (y-Achse).

9.4 Das Programm und seine Struktur 75

9.4 Das Programm und seine Struktur

Das Programm zum Zusammenlegen der Spuren soll selbstandig die Verschiebung τ ermitteln,so daß die Signale von einer Pflanze ubereinandergelegt werden konnen. Das Ausprobieren desVerfahrens erfolgte in der ersten Stufe aus Grunden der besseren Fehleranalyse mit simuliertenDaten. Dann wurde erprobt, wie es sich bei realen Fahrten des Zuges verhielt.Die Software fur die Spurenzusammenlegung besteht aus drei Teilen:

• Messen.vi nimmt die Spuren der einzelnen Detektoren auf und speichert sie auf der Fest-platte des Rechners.

• vt.vi liest die Daten von der Festplatte ein, bereitet sie auf und leitet sie Einzelmessungfur Einzelmessung an den KKF-Online weiter. Von dort kommen die entsprechendenWerte τ fur die Spurverschiebung zuruck. Mit diesen Verschiebungszeiten werden danndie Meßdatenspuren einander zugeordnet.

• KKF-Online.vi berechnet rekursiv aus den gelieferten Daten fur verschiedene Werte vonτ die KKF und sucht das Maximum.

Der bereits im Abschnitt 9.2 beschriebene Programmteil vts.vi erzeugt simulierte Daten, dievon vt.vi und KKF-Online.vi statt der gemessenen ausgewertet werden konnen.

9.5 Aufnahme der Messung (Messen.vi)

Abbildung 9.9: Blockschaltbild messen.vi: Programm zur Meßwertaufnahme und Lichtsteuerung

Das Programm messen.vi hat zwei Aufgaben: das aktinische Licht an- und auszuschalten unddie Daten aufzunehmen und zu sichern. Das Blockschaltbild zeigt Abbildung 9.9.Die Signalwandlung ubernimmt eine Multi-IO-Karte vom Typ Lab-PC 1200 von National In-struments. Sie verfugt uber sechs analoge Eingange mit 12 Bit, die zusammen mit maximal100 kHz abtasten konnen, zwei analoge Ausgange (12 Bit) und 24 digitale Ein- oder Ausgangesowie einen externen Triggeranschluß. Die Wandlerkarte verfugt uber einen internen Puffer.Damit ist die Karte in der Lage, unabhangig vom Computer und dessen Timing Daten aufzu-nehmen, was fur einen unter Microsoft-Windows laufenden Rechner von Vorteil sein kann, weildies eine kontinuierliche Datenaufnahme gewahrleistet. Andererseits limitiert dies die Lange ei-ner Messung, da der Puffer nur 216 = 65536 Datenpunkte aufnehmen kann. Uber den externenTriggeranschluß wird der Karte mitgeteilt, wann eine Messung beginnen soll. Da im vorliegen-den Meßaufbau kein explizites Triggersignal bereitstand (zum Beispiel irgendein ”Startereig-

9.6 Aufbereitung und Weiterleitung der Daten (vt.vi) 76

nis“), generiert messen.vi ein Triggersignal und schickt dies uber eine Verbindung des einenDigitalausgangs auf den Triggereingang.

9.5.1 Ablauf einer Messung: Datenerfassung

Wie im Abschnitt 6.4.1: ”Gepufferte Meßaufnahme“ beschrieben, fuhrt die Wandlerkarte Mes-sungen mit einem internen Puffer selbstandig aus. Sie benotigt dazu nur die Meßparameter(Zahl der Kanale, Abtastrate, Lange der Messung) und ein externes Triggersignal als Startzei-chen. Dieses wird von messen.vi uber die in Abbildung 9.9 eingezeichnete Verbindung an dieKarte geliefert. Diese triggert sich also quasi selbst. Die dann startende eigentliche Messungwird von der Wandlerkarte allein durchgefuhrt. Der Computer muß nur die bereits im Pufferstehenden Daten abholen und anzeigen.Sind alle Daten eingelesen und ist die Messung damit beendet, werden von messen.vi die Da-tenreihen von jedem der Eingange zusammen mit einer eigens erzeugten Zeitreihe (aus derAbtastrate und der Lange der Messung) auf Festplatte gespeichert. Zusatzlich wird in derDatei eine sogenannte Kanalkennung mit abgelegt. Dies ist eine Zahl, die vom Benutzer desProgramms fur jeden Kanal einzeln vor Beginn der Messung eingegeben wird. Sie dient dazu,in der Datei die Herkunft der einzelnen Daten zu identifizieren. So wurde in diesem Fall ”1“fur Daten von Detektoren verwendet, ”2“ fur Lichtschrankendaten und ”3“ fur Meßwerte derStartlichtschranke. Die Kanalkennung dient spater der automatischen Auswertung der Dateien.

9.5.2 Ablauf einer Messung: Lichtsteuerung

Zusatzlich zur Aufnahme der Daten muß wahrend einer Messung das aktinische Licht an undausgeschaltet werden. Damit dies automatisch und zu bestimmten Zeiten geschieht, wurde dieseSteuerung in messen.vi integriert. Zu vom Benutzer angegebenen Zeiten werden dann uber denanalogen Ausgang der IO-Karte die angeschlossenen regelbaren Netzteile (siehe Abschnitt 8.2.3)fur die Halogenlampen ein- und wieder ausgeschaltet.

9.6 Aufbereitung und Weiterleitung der Daten (vt.vi)

Die gemessenen Daten liegen in Arrays auf der Festplatte vor. Zur Ermittlung der Abstandefur die Spurzuordnung hat das Programm vt.vi folgende Aufgaben zu erfullen:

• Meßdaten aufbereiten: Meßdaten mussen von der Festplatte geladen werden. Falls sichneben den eigentlichen Detektordaten auch noch Meßspuren von Lichtschranken in derDatei befinden, mussen diese abgetrennt und an ein gesondertes Programm (siehe Ab-schnitt 9.6.2) ubergeben werden. Statt Daten zu laden, konnen auch simulierte Meßdatengeneriert werden (siehe Abschnitt 9.6.3).

• Berechnung : Die Meßdaten werden an den Programmteil KKF-Online.vi ubergeben (sieheAbschnitt 9.7), der die KKF berechnet, um die Spuren ubereinanderlegen zu konnen, wiein Abschnitt 9.3 beschrieben.

• Ergebnis-Anzeige und -Speicherung : Mit den gefundenen Abstanden konnen Meßdaten-spuren verschoben und die Daten gespeichert werden.

9.6.1 Aufbereitung der Meßdaten

Wie oben erwahnt, werden die vom Meßprogramm oder der Simulation gelieferten Meßdatenvon der Festplatte geladen. Alternativ konnen auch neue Daten simuliert werden, da der Pro-grammteil aus vts.vi aus Abschnitt 9.2 in dieses Programm integriert ist und direkt Datenerzeugen kann.

9.6 Aufbereitung und Weiterleitung der Daten (vt.vi) 77

Werden gemessene (und nicht simulierte) Daten geladen, so kann anhand der gespeicherten Ka-nalkennungen (siehe Abschnitt 9.5) festgestellt werden, von welchem Sensor (Detektor, Licht-schranke) die entsprechende Reihe stammte. Dann wird unterschiedlich verfahren:

• Daten der Lichtschranken dienen zur Ermittlung der Zuggeschwindigkeiten. Sie werdendem Programmteil get speed.vi ubergeben, der daraus die Geschwindigkeiten errechnet.

• Signale der Startlichtschranke werden ignoriert, da diese hier nicht benotigt werden.

• Die Meßdaten der Detektoren werden abgetrennt und, wie unten beschrieben, zur Berech-nung der Kreuzkorrelationsfunktion verwendet.

9.6.2 Berechnung der Geschwindigkeiten (get speed.vi)

Dieser Programmteil ermittelt aus den Meßdaten der Lichtschranken die Zuggeschwindigkeiten.Abbildung 9.10 zeigt dies an einem Ausschnitt.

Abbildung 9.10: Ermittlung der gefahrenen Geschwindigkeit (und damit der Verschiebungszeit) ausden Lichtschrankensignalen: Der zeitliche Abstand der Flanken zweier Lichtschrankenist die Verschiebungszeit.

Passiert ein Waggon die Lichtschranke, so ergibt dies eine fallende und eine steigende Flankeim Meßsignal (eine Unterbrechung und eine Freigabe). Aus dem zeitlichen Abstand der Flankendieses ”Ereignises“ in den Meßspuren der beiden Lichtschranken errechnet sich die Geschwin-digkeit. Dieser Zeitwert wird direkt als Verschiebungswert genommen, da fur das Spurenzu-sammenlegen nur die zeitliche Differenz eine Rolle spielt (der Abstand der Detektoren bleibtkonstant).So ergeben sich fur jeden Waggon zwei Zeitverschiebungswerte (einer vorne und einer hinten),fur den ganzen Zug derer 10. Diese werden zusammen mit der zeitlichen Position ihres Auftretensfur eine spatere Verwendung in ein Array gespeichert.

9.6.3 Durchfuhrung der Berechnung und Verarbeitung der Ergebnisse

Dieser Programmteil simuliert die eigentliche Treckerfahrt, indem er aus den Meßdaten jeweilseinen Datensatz (einen Wert fur jeden Detektor) herausnimmt und diesen an KKF-Online.viubergibt. Die Werte fur die KKF in Abhangigkeit von τ werden wie in Abbildung 9.14 gezeigt,dargestellt. Die Ermittlung der Maxima folgt im nachsten Abschnitt.

9.7 Berechnung der KKF (KKF-Online.vi) 78

Abbildung 9.11: Berechnung der KKF: Anwendung der τs am Beispiel von vier Detektoren. Die KKFwird mit den Werten zweier Detektoren berechnet: Der erste (x) ist der Startpunkteines jeden Pfeiles, der zweite (y) das Ende. τ wird variiert und großer, je weiter derPfeil nach unten zeigt. Entsprechend der maximalen Pfeillange (aus τmax) mussengenugend Werte im Meßdatenarray x(tau) vorgehalten werden.

9.7 Berechnung der KKF (KKF-Online.vi)

In diesem Programm-Modul findet die eigentliche Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktionstatt. In einem ersten Schritt werden die vom Programmteil aus Abschnitt 9.6.3 geliefertenneuen Meßdaten (je ein Meßpunkt fur jeden Detektor) in das Array x(tau) geschrieben. (Hiersteht tau statt τ da Labview keine griechischen Buchstaben anzeigen kann.) Im zweiten Schrittwerden dann aus diesen Daten die KKFs fur verschiedene τs berechnet und dann daraus das τausgesucht, das die maximale KKF erzeugt.

9.7.1 Speicherung der Meßdaten

Da es aus Speichernutzungsgrunden nicht sinnvoll und auch gar nicht notig ist, fur die Be-rechnung alle Meßdaten aufzuheben, wird beim Uberschreiten einer gewissen Lange des Arraysx(tau) jeweils das Ende (mit den altesten Daten) abgeschnitten.Nach der Festlegung des sinnvollen Variationsbereichs von

τ ∈ [τmin, τmax] (9.14)

(zum Beispiel aus Kenntnis von Detektorabstand durch Bereich der Zuggeschwindigkeiten) mußdie Spurverwaltung so festgelegt werden, daß genugend Daten vorgehalten werden, damit imProdukt x(k +1)y(k +1+ τ) aus Gleichung 9.10 kein Faktor aus dem Wertebereich herausfallt.Abbildung 9.11 zeigt diesen Bereich.


9.7.2 Berechnung der KKF

Abbildung 9.12: KKF-Online.vi: Programm zur Online-Berechnung der KKF (alle zum Verstandnisunwichtigen Teile sind entfernt). Im oberen Teil wird der aktuelle Wert berechnet,im unteren das Maximum gesucht (Naheres im Text). Wie in Abbildung 9.2 A er-klart, bedeutet das Symbol mit dem Array (oben), daß das durch die dunne Linieangesprochene Element (niederdimensionales Array) ausgegeben wird.

Die Berechnung der KKF erfolgt wie in Abbildung 9.12 gezeigt. Die Grafik zeigt nur einen Teildes Programms, fur das generelle Verstandnis nicht notwendige Teile sind entfernt und durchentsprechende Bedienelemente ersetzt. Das vollstandige Programm findet sich im Anhang abSeite 127 in den Abbildungen A.1 und A.2.In der Abbildung 9.12 sind zwei Schleifen nicht gezeichnet, die um das Bild herumgehen unduber die Zahl der Detektoren laufen. Diese erzeugen eine Kombination aus zwei Detektornum-mern, die in Abbildung 9.12 stattdessen durch die beiden Bedienelemente Detektor-Nr.1 undDetektor-Nr.2 (oben links und Mitte) geliefert werden. Dabei wird durch eine Abfrage sicher-gestellt, daß jede Kombination nur einmal berechnet wird ( 1 - 2 und 2 - 1 wurden das gleicheResultat ergeben). Aus dem zweidimensionalen Meßdatenarray x(det,tau) wurden dann, vondiesen beiden Nummern gesteuert, die Meßdatenspuren x und y genommen (oben links). Ge-nauso wird mit KKF(x,y,tau) verfahren, welches die KKF-Werte der letzten Berechnung zurVerfugung stellt. Hier interessieren naturlich nur die Werte, die zur gewahlten Detektorkombi-nation passen. Diese werden oben rechts ausgewahlt.Die außere For-Schleife (grauer Kasten) lauft uber das vom Benutzer gewahlte Intervall fur τ ,wie in Gleichung 9.14 gezeigt. Der Zahler i gibt dann fur jeden Durchgang das aktuelle τ an,also die Verschiebung, fur die die KKF berechnet werden soll.Das Array x(tau) ist nun eindimensional (Zeit) und beinhaltet, wie in 9.7.1 beschrieben, dieletzten Meßdaten, wobei der jungste Wert den Index 0 hat. Der Zugriff darauf erfolgt auch hiermit der oben beschriebenen Funktion Element aus Array lesen. Diese liefern dann jeweils einenMeßwert (oben links in der Schleife): Beim ersten Detektor ist dies der mit dem Index 0, alsoτ = 0, beim anderen der Wert mit der Nummer i, uber die die Schleife lauft.Mit diesen beiden Werten wird rechts oben in dem sogenannten Formelknoten der nachste Wert


fur die KKF nach Gleichung 9.12 berechnet. Diese Formel ist dort einfach niedergeschrieben,die Variablen werden links herangefuhrt, und rechts liegt dann das Ergebnis an: der neue KKF-Wert. Dieser wird aus der Schleife hinausgegeben. Auch hier arbeitet ein Auto-Indexing, nurdieses Mal in der anderen Richtung: Es wird ein Array produziert mit jedem Schleifenwert alsein Element. Dieses Array ist bei der nachsten Berechnung dann wieder im Array KKF zufinden.Der Zahler k, der angibt, wieviele Werte bereits in dem KKF-Wert enthalten sind, muß dabeigesondert berechnet werden (in der Abbildung ist dies nicht gezeigt, siehe A.1 im Anhang), dabeachtet werden muß, daß am Beginn einer Messung noch nicht fur alle Detektoren genugendWerte zur Verfugung stehen. Ist zum Beispiel τmax = 100, aber es sind erst 60 Werte eingelesen,so kann naturlich nicht 100 Meßpunkte weit zuruckgeschaut werden.Im unteren Teil der Schleife wird das globale Maximum gesucht. Hierzu dienen zwei Schiebere-gister (links und rechts). Das obere speichert den großten KKF-Wert, das untere das zugehorigeτ . Zu Beginn der Schleife sind beide Werte auf 0 gesetzt (links unten). Der gerade errechneteneue Wert der KKF wird dann auf der linken Seite mit dem bisher großten verglichen (”>“).Entsprechend wird TRUE oder FALSE geliefert. Dieser boolesche Wert wird dann von denbeiden Auswahl -Elementen rechts davon ausgewertet. Bekommen diese ein TRUE am mittle-ren Eingang, so erscheint am Ausgang der Wert, der am oberen Anschluß angelegt wurde; beiFALSE ist dies der untere. Wenn also der neue KKF-Wert großer als der alte ist, so wird seinWert und das zugehorige τ weitergegeben, sonst der bisher großte. Am Ausgang der Schleifeliegt dann das τ der großten KKF an.Fur jedes Meßwert-Tupel wird die gezeigte Schleife fur jede Detektorkombination (bis auf diedoppelten) berechnet. Dabei ist KKF(tau) bzw. KKF alt(tau) fur jede dieser Kombinationenverschieden, ist also in Wirklichkeit ein dreidimensionales Array mit den zwei Detektornummernund τ als Indizes (siehe Anhang).

9.7.3 Suche des Maximalwertes der KKF

Abbildung 9.13: Ausschnitt aus einer Meßfahrt. Untere Kurve (y-Achse links): Detektor 1. Obere Kur-ve: Detektor 2. Peaks 1 und 2, sowie 3 und 4 gehoren zusammen, was einer Verschie-bung um 1,0 s entspricht. Verschiebt man aber um 2,1 s, so ergibt sich eine großereKKF, wie Tabelle 9.3 zeigt.

Wie in 9.3.1 bereits beschrieben, wird aus den Werten der KKF fur verschiedene τ dasjenigeherausgesucht, fur das die KKF maximal wird.


Das folgende Beispiel soll zeigen, wie wichtig es ist, daß man aus der Lichtschrankenmessungeine Vorinformation erhalt, wo das richtige τ ungefahr liegt, denn die Unterschiedlichkeit derBlatter kann dazu fuhren, daß das globale Maximum ein falsches τ anzeigen wurde.Abbildung 9.13 stellt den Ausschnitt aus einer Fahrt des Zuges mit einem Papierstreifen aufder Lok und Maisblattstucken auf den Waggons dar. Die untere Kurve (y-Achse auf der linkenSeite) stammt vom Detektor 1, die obere (y-Achse rechts) vom zweiten Detektor. Das StuckPapier auf der Lok erzeugte die Peaks mit der Nummer 1 und 2, das erste Maisblatt zeigt sichin 3 und 4.Sollen nun diese beiden Spuren zusammengelegt werden, so erkennt man, daß eine Verschiebungvon 1,0 Sekunden das richtige τ ist. Die Kreuzkorrelationsfunktion sollte also hierfur maximalwerden. Diese entsteht, wenn die obere Kurve um eine Sekunde nach links verschoben wirdund dann jeweils beide Kurven punktweise mulitipliziert und dann aufsummiert werden; Peak2 landet auf Peak 1 und der 3. auf dem 4.Ist jetzt aber das zulassige Intervall, in dem τ variiert wird, groß genug, so wird auch eineKKF fur eine Verschiebung τ = 2, 1 s berechnet. Bei diesem Wert aber wird die obere Kurveso verschoben, daß der Peak Nummer 3 auf Nummer 1 zu liegen kommt. Dies liefert einengroßeren Wert der KKF, wird also verwendet. Diese Betrachtung gilt naturlich nur, wenn eineunendliche Meßdatenspur angenommen und daraus ein kleiner Bereich betrachtet wird. Da aberdie Lange einer Messung auf dem Feld im Vergleich zum Ausschnitt groß ist, kann dieser Fallhaufig auftreten.Das Problem kann schon per Auge abgeschatzt werden. Da die Peaks ungefahr gleich breitsind, genugt es, als Uberschlag das Produkt der Hohen zu berechnen. Diese sind in der Tabelle9.3 zum Vergleich dargestellt. Dort liefert die falsche Verschiebung τ = 2, 1 s einen großerenKKF-Wert als die richtige.

Tabelle 9.3: KKFs fur verschiedene Peak-Kombinationen aus Abbildung 9.13. Zur Abschatzung sindstatt der KKF nur die Produkte der Hohen berechnet.

τ uber Peak 1 liegender Peak Produkt der Hohen1,0 s 2 0,232,1 s 3 0,97

Also wahlt die globale Suche nach dem Maximum den vollig falschen Wert τ = 2, 1 s aus. DieVerwendung des globalen Maximums als Kriterium fur die richtige Verschiebung ist deshalbnicht praktikabel. Deshalb darf das Maximum nur in der Umgebung des von den Lichtschrankenvorgeschlagenen τs gesucht werden.

Suche des lokalen Maximums

Um die Breite der Umgebung fur die Suche festzulegen, bieten sich zwei Vorgehensweisen an:

• Um den vorgegebenen Startwert τ herum wird ein Bereich der Breite τ · x% verwendet.Der Wert fur x ergibt sich aus einer Abschatzung aus Abschnitt 10.3. Dort wurden ausgemessenen Daten Abweichungen im gesamten Bereich von 26 % ermittelt, also erscheinteine Wahl x = ±15 % sinnvoll. Allerdings kann dies nicht angewandt werden, wenn keinexterner Startwert wie der der Lichtschranken verwendet wird, weil dann am Anfang derAuswertung τ = 0 gilt und damit die Breite des Suchbereichs auch immer 0 bleibt.

• Nach links und rechts wird jeweils das nachste Minimum gesucht. Diese beiden markierendann die Grenzen des Suchbereiches, wie in der Abbildung 9.14 gezeigt. Mit diesem Ver-fahren kann man auch arbeiten, wenn am Anfang τ = 0 ist. Probleme ergeben sich beiungunstigem Verlauf von KKF(τ) und bei einem nicht treffenden Startwert, weil dann dieMinima unter Umstanden nicht das richtige Intervall markieren.


Abbildung 9.14: KKF(τ): Fur eine Beispielmessung die Werte der KKF fur verschiedene τs auf derx-Achse. Das richtige Maximum liegt bei ca. 1,15; die Maxima bei 0,20 und 2,50stammen von anderen Blattern.Maximumssuche: Suche nach lokalem Maximum findet im Bereich zwischen zwei Mi-nima statt. Der Startwert stammt aus der Verschiebung der Lichtschranken.

In diesem Suchintervall wird nun das Maximum ermittelt und als lokales Maximum verwendet.Die auf diese Weise mit den Lichtschrankenwerten als Startpunkte gefundenen Maxima treffengut die richtigen Abstande. Unter ungunstigen Fahrbedingungen konnen allerdings Verbesse-rungen notig werden, wie im Kapitel 10 erlautert.

Uberprufung der Suche des lokalen Maximums

Um kontrollieren zu konnen, wie gut das Programm die Abstande ermittelt, wurden per Hand(und Auge) aus einigen Meßkurven die Abstande der Peaks bestimmt. Diese werden fur denfolgenden Vergleich als Sollwerte benutzt.Da die Messungen aus mehreren Durchfahrten bestanden (bei langsamen zwei, sonst drei),dazwischen aber nichts passierte, wurden die Meßdatenreihen in mehrere Abschnitte unterteilt,die jeweils aus einer Durchfahrt bestanden, und dafur jeweils die Abstande bestimmt.Bei dieser Auswertung ergaben sich die in der Abbildung 9.15 gezeigten Werte. Auf der x-Achse sind die Sollwerte fur τ aufgetragen und auf der y-Achse die zugehorigen vom Programmermittelten τ -Werte. Das Ziel ware τSoll = τIst, also daß alle Punkte auf der eingezeichnetenGeraden liegen.In Abbildung 9.15 sind noch einmal außer den lokalen auch die globalen Maxima eingezeichnet,um zu zeigen, daß diese nicht dazu geeignet sind, die richtigen Abstande zu liefern. Man erkenntin der Grafik, daß die Daten der lokalen Maxima deutlich besser passen, denn alle liegen aufder Sollgeraden.


Abbildung 9.15: Ergebnisse einiger Meßfahrten. x-Achse: Sollwerte der Abstande zwischen den Meß-spuren. y-Achse: Vom Programm bestimmte globale und lokale Maxima der KKF unterEinbeziehung der gemessenen Abstandswerte der Lichtschranken (siehe Text). Idealwaren alle Punkte auf der Geraden.

Kapitel 10

Einsatz der Software und Verbesserungen

10.1 Testmessung am realen System zur Verschiebungsbestim-mung

Mit der im letzten Kapitel entwickelten Software sollten nun Messungen durchgefuhrt werden,um beurteilen zu konnen, wie gut das System in der Lage ist, die zeitlichen Abstande derDetektordatenspuren zu ermitteln. Diese werden im folgenden immer mit τ bezeichnet, da diesdie Werte fur τ sind, bei denen die Kreuzkorrelationsfunktion maximal wird.Die folgende Messung bestand aus einer Fahrt des Zuges, der auf jedem der Fahrzeuge (auch derLok) je einen Streifen fluoreszierendes Computerpapier liegen hatte. Im Gegensatz zu anderenMessungen waren hier nur drei Waggons und die Lok unterwegs. Die Detektoraufzeichnungendieser Fahrt sind in der Abbildung 10.1 zu sehen.

Abbildung 10.1: 2 Durchfahrten mit je einem Blatt Computerpapier auf jedem Wagen. Die untereKurve (y-Achse links) stammt vom ersten Detektor, die obere vom zweiten, zur bes-seren Ubersicht nach oben verschoben. Die zeitliche Verschiebung der beiden Kurvenentspricht dem Abstand der Detektoren und soll vom Programm ermittelt werden.

Wenn gerade kein Zug unter den Detektoren steht (zum Beispiel zwischen den beiden Durch-fahren), so ist das Signal erhoht. Dies liegt daran, daß von den Gleisen Licht ausgesandt wird,das die Detektoren erreicht. Zur Reduktion wurde, wie bereits beschrieben, der Gleiskorpermit schwarzer Pappe abgedeckt, dies konnte allerdings nicht auf die metallischen Gleise selbst

10.1 Testmessung am realen System zur Verschiebungsbestimmung 85

Abbildung 10.2: Zusammengelegte Detektorspuren aus Abbildung 10.1. Die untere Kurve wurde mitden errechneten τ -Abstanden verschoben.

ausgedehnt werden. Ob das Signal nun durch eine ”Lucke“ des Filters im Infraroten oder eineFluoreszenz der Schienen entsteht, konnte nicht geklart werden.

10.1.1 Zusammenlegung der Detektorspuren

Aus der Testmessung ermittelte das Programm vt.vi die Abstande τ der Detektorspuren. Diesekonnen nun dazu benutzt werden, damit die Abszissen der Meßdaten zu verschieben und uber-einanderzulegen. Hierzu werden die Punkte von Detektor 2 unverandert ubernommen, die vonDetektor 1 werden Punkt fur Punkt verschoben in der folgenden Weise:

Det1∗i = Det1i+τi

mit i: betrachteter ZeitpunktDet1i: Meßdatenarray von Detektor 1Det1∗i : verschobene Datenreihe von Detektor 1τi: ermittelter Verschiebungswert fur diesen Zeitpunkt

Die Daten des ersten Detektors werden also Punkt fur Punkt verschoben, wobei es bei Schwan-kungen in der τ -Reihe durchaus dazu kommen kann, daß Punkte aus der Originalreihe wegfallenoder mehrfach auftauchen.

Anwendung auf die Messung

Das Ergebnis dieser Verschiebung findet sich in der Abbildung 10.2.Man erkennt, daß die Spuren gut zueinander passen. Beim ersten Peak der ersten Durchfahrtist dies ein wenig anders. Die Position stimmt nicht, und auch die Form der Kurve hat sichverandert. Dies liegt daran, daß die Online-Bestimmung einen kurzen Abschnitt benotigt, umeinen stabilen Wert zu bekommen. Dies kann naturlich nicht vor dem ersten Peaks geschehen,weshalb in diesem Bereich die Abstandswerte noch stark schwanken. Die punktweise Verschie-bung verursacht dann eine ungenaue Position und Verzerrungen. Diese sind im weiteren Verlaufder Kurve nicht mehr zu finden, weil hier die τ -Werte stabil bleiben.

10.2 Auswirkung der Vergessensfaktoren 86

10.2 Auswirkung der Vergessensfaktoren

Um die Auswirkungen bei Veranderung der im Abschnitt 9.3.1 eingefuhrten Vergessensfakto-ren beurteilen zu konnen, wurden mit der obigen Messung mehrere Durchlaufe mit vt.vi beiunterschiedlichen Faktoren gemacht und dabei die errechneten τ -Spuren aufgezeichnet.In der Abbildung 10.3 sind diese fur die Vergessensfaktoren 1,000; 0,999; 0,998; 0,997; 0,995und 0,990 dargestellt. Zur besseren Vergleichbarkeit sind die Kurven ab 0,999 um jeweils 20gegenuber der vorigen nach oben verschoben. Die senkrechten Linien markieren die Bereicheder Durchfahrten in der Messung aus Abbildung 10.2.

Abbildung 10.3: Auswirkung verschiedener Vergessensfaktoren auf die τ -Spuren. Die senkrechten Li-nien markieren die Durchfahrten.

Man erkennt, daß mit zunehmendem Vergessensfaktor (nach oben in der Grafik) bei den Durch-fahrten das Signal schnell schlechter wird. Die Kurven nach Beendigung der Durchfahrten fangenwesentlich schneller an stark zu schwanken. Dies liegt daran, daß keine neuen Werte mehr ge-liefert werden und die alten durch die Faktoren schneller an Gewicht verlieren, so daß KKF(τ)immer kontrastarmer wird. Der Faktor darf also nicht zu groß gewahlt werden, damit dieseEffekte nicht zu stark werden.Die Wahl des Vergessensfaktors beeinflußt aber auch die Stabilitat des Systems, da schnellesVergessen bei wenig abwechslungsreichem Untergrund zu starken Schwankungen fuhrt. Fureinen Einsatz auf dem Feld mußte der Wert dann angepaßt werden, da die dort durchgefuhrtenMessungen sicher langer sind, als dies mit der kurzen Eisenbahnstrecke simuliert werden konnte.

10.3 Auswirkung von Storungen: Verbesserung der Maximums-suche

Bei der Messung aus Abschnitt 10.1 war das Zusammenlegen der Spuren problemlos von derSoftware zu bewaltigen. In diesem Abschnitt soll nun untersucht werden, wie sich verschiedeneArten von Storungen auf die Abstandsermittlung auswirken und mit welchen Maßnahmen dieentstehenden Probleme abgefangen werden konnen.Zu diesem Zweck wurde eine weitere Messung gemacht, die in Abbildung 10.4 zu sehen ist.

10.3 Auswirkung von Storungen: Verbesserung der Maximumssuche 87

Abbildung 10.4: Weitere Messung mit zwei Durchfahrten mit je einem Blatt Computerpapier auf je-dem Wagen. Die untere Kurve (y-Achse links) stammt vom ersten Detektor, die oberevom zweiten, zur besseren Ubersicht nach oben verschoben. Die Abstande zusammen-gehorender Peaks schwanken stark.

Tabelle 10.1: Abstande der zusammengehorenden Peaks der beiden Detektoren aus der Messung ausAbbildung 10.4

Nummer Abstand der Spurendes Peaks 1. Durchfahrt 2. Durchfahrt

1 1,45 1,642 1,24 1,453 1,07 1,204 1,14 1,28

Diese Messung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, daß die Fahrt des Zuges nicht sehrgleichmaßig war und dieser besonders unter den Detektoren ruckelte. Die Abstande der zusam-mengehorenden Peaks der beiden Detektoren wurden zur besseren Vergleichbarkeit per Hand(und Auge) vermessen. Diese Daten finden sich in der Tabelle 10.1. Wahrend einer Durchfahrtkommen dabei Schwankungen von 26 % vom oberen Wert aus vor.

10.3.1 Einfluß der Lichtschranken

Zum Test wurde in der Suche nach dem lokalen Maximum eine Option benutzt, die es erlaubt,nicht mehr die Lichtschrankenwerte als Startwert fur die Bestimmung des Suchintervalls (sieheAbschnitt 9.7.3) zu verwenden, sondern jeweils den Wert des Maximums des letzten Durchlaufs.Dies macht insofern auch auf den ersten Blick Sinn, weil es nicht zu erwarten ist, daß sich dieGeschwindigkeit sprunghaft andert. Wie schon in der Abbildung 9.15 wurden hier fur einigeMessungen Abstandswerte vom Programm bestimmt und mit von Hand ermittelten Sollwertenverglichen. Diese finden sich in der Abbildung 10.5.Ideal ware hier, daß alle Punkte auf der eingezeichneten Geraden liegen, da fur diese τsoll = τist

gilt. Es ist aber zu erkennen, daß sich einige Werte vollig daneben befinden. Dies liegt zum einen


Abbildung 10.5: Ergebnisse einiger Meßfahrten. x-Achse: Sollwerte der Abstande zwischen den Meß-spuren. x-Achse: Vom Programm bestimmte globale und lokale Maxima der KKF ohneVerwendung der Lichtschranken. Ideal waren alle Punkte auf der Geraden.

daran, daß bei dieser Art von lokaler Maximumssuche ein ”Abwandern“ der Werte moglich ist.Das heißt, ein nach oben laufender Wert nimmt den Suchbereich mit, so daß der irgendwannden richtigen Abstand nicht mehr uberdeckt, dieser also auch nicht mehr gefunden werden kann.Das ”Weglaufen“ der Schatzung bei der Orientierung an vorangegangenen Werten ist aus deradaptiven Regelung bekannt. Aus diesem Grunde hatte Schultze (1992) den Hinkley Detektorin die Schiffssteuerungen von Anschutz eingebaut, der darauf achtet, daß nur bei sehr massi-ven Parameteranderungen eine Nachstellung des benutzten Modells geschieht. Hier ist so etwasnicht notwendig, weil die Werte aus den Lichtschranken oder vom Treckertachometer als Ver-gleichsmaßstab zur Verfugung stehen.Zum anderen traten die richtigen Maxima nicht immer deutlich genug zutage (wie die obereKurve in der Abbildung 10.6 zeigt), so daß eine Bestimmung haufig nicht moglich war. Alsomussen fur die Maximumssuche auf jeden Fall die Lichtschrankenwerte verwendet werden.

10.3.2 Differenzierung der Meßwerte

Verwendet man fur die Berechnung der KKF statt der Meßwerte deren Ableitung, so solltensteile Signalflanken deutlicher hervortreten und sich von anderen, gleichmaßigeren Bereichenbesser unterscheiden lassen. Deshalb wurde der Programmteil KKF-Online.vi dahingehend er-weitert, daß auf Wunsch statt mit den Meßwerten selber mit den Ableitungen der Meßwertegerechnet werden kann. Da aber eine echte Ableitung wegen fehlender Stetigkeit nicht zu be-rechnen ist, wurde die Differenz des Wertes mit dem jeweiligen Vorganger ermittelt. Verwendeteman diese Werte direkt, so waren die Unterschiede zu gering, als daß sich hieraus etwas ergab.Deshalb wurde die Differenz aus den Mittelwerten mehrerer Meßpunkte verwendet. Die Diffe-


renzwertspuren x∗ und y∗ ergaben sich dann aus den folgenden Formeln:

Spur 1 = x∗k =k+b∑i=k

(xi+b − xi)/b (10.1)

Spur 2 = y∗k =k+b∑i=k

(yi+b+τ − yi+τ )/b (10.2)

mit xi,yi: Meßdatenarrays der ersten und zweiten Spurx∗i ,y

∗i : Datenarrays der differenzierten Werte

b: Mittelungsbreite fur Differenzierungτ : momentan verwendete Breite der Verschiebung

Einen Vergleich der beiden Berechnungsmethoden fur die KKF (mit und ohne Ableitung) fin-det sich in der Abbildung 10.6. Die obere Kurve wurde schon in Abbildung 9.14 gezeigt undstammt aus der Berechnung mit den Meßwerten direkt. Die untere KKF wurde mit den dif-ferenzierten Meßwerten bei einer Mittelung von 5 erstellt. Zu erkennen ist, daß beide Kurvensowohl den Sollwert von ca. 1,15 s als auch zwei weitere Maxima bei 0,2 s und 2,4 s haben. DieMaxima der differenzierten Kurve sind wesentlich scharfer und damit besser zur Bestimmunggeeignet. Diese Berechnungsmethode benotigt aber deutlich mehr Rechenzeit. Da die Ergebnis-se der Berechnung ohne Differenzierung auch verwendbar waren, wurden diese benutzt, um dieProgrammausfuhrung zu beschleunigen.

Abbildung 10.6: Vergleich zwischen der Berechnung der KKF fur die Meßwerte und der KKF furdie Ableitung der Meßwerte: Die Werte der KKF fur verschiedene τs auf der x-Achse nach 800 Meßwerten. Das richtige Maximum liegt bei ca. 1,15 s, die bei 0,20 sund 2,4 s stammen von anderen Blattern. Deutlich auch die wesentlich ”unruhigere“Kurve der differenzierten Werte.

10.4 Spurenzusammenlegung unter schwierigen Bedingungen 90

10.4 Spurenzusammenlegung unter schwierigen Bedingungen

Mit der im Abschnitt 10.3 gezeigten Testmessung soll nun vt.vi die Spurabstande berechnen.Damit soll uberpruft werden, wie das System auf starke Schwankungen in der Geschwindig-keit reagiert. Als zusatzliches Erschwernis wurde das Signal der Lichtschranken wahrend derMeßfahrt kurz abgeschaltet.

10.4.1 Zeitliche Analyse der τ-Spuren der (lokalen) Maxima

Die von vt.vi errechneten Abstande wurden nicht nur an wenigen Punkten, sondern uber dieganze Messung analysiert. Dazu wurde in das Programm eine Option eingebaut, die schon inAbschnitt 10.2 Verwendung fand und es erlaubt, die τ -Reihen der ermittelten lokalen Minimaauf die Festplatte zu schreiben.Eine solche Messung findet sich in der Abbildung 10.7. Dort ist in der unteren Kurve der Verlaufdes τ fur das Maximum der KKF zu sehen. Die obere Kurve stammt vom zweiten Detektor unddient zum Vergleich, an welcher Position Veranderungen der τ -Kurve stattfinden.

Abbildung 10.7: Errechnete Abstande zwischen den Detektorspuren (untere Kurve) und zum Vergleichder zeitlichen Positionen die Meßspur des zweiten Detektors (oben) aus Abbildung10.4. Erklarung der Ziffernpositionen im Text.

Bei den in der Grafik eingezeichneten Positionen passiert folgendes:

1. Bei dieser Postition erfolgt ein großer Sprung nach unten. Zu dieser Zeit ist zum erstenMal ein Geschwindigkeitswert verfugbar; die darauf erfolgte Korrektur ist deutlich. Diesist auch nicht weiter verwunderlich, da naturlich erst dann sinnvolle Werte moglich sind,wenn auch ein Blatt am Detektor vorbeigefahren ist.

2. Es sind genugend Meßpunkte vorhanden, um einen stabilen Wert zu erzeugen. Davor unddanach sind trotzdem Ausreißer zu viel zu kleinen Werten vorhanden.

3. Der Geschwindigkeitwert kippt aufgrund der testweise ausgeschalteten Lichtschranken.Daraufhin lauft das Programm in die falsche Richtung.

4. Nach dem erneuten Einschalten der Lichtschranken ist die Geschwindigkeit wieder imrichtigen Bereich (1,13). Deshalb wird der Abstand auch wieder gefunden.


5. Die erste Durchfahrt ist beendet. Obwohl nur noch Werte des feststehenden Gleises auf-genommen werden, wurde die Messung weitergefuhrt. Der Abstandswert bleibt relativstabil. Ohne Vergessensfaktoren sind die ersten vier Peaks noch enthalten, und die in-formationslose Strecke verursacht kein Weglaufen. Dies ist wichtig, denn im Feld konnenStellen ohne Bewuchs auftreten.

6. Beginn der nachsten Durchfahrt. Der Zug hat wahrend der langen Umrundung der Glei-se etwas an Geschwindigkeit hinzugewonnen, deshalb steigt diese von 1,06 auf 1,60. DaKKF(τ) wegen vieler Werte nur aus Rauschen aus dem letzten Abschnitt nun sehr flachist, lauft das Programm in die falsche Region und landet bei einem viel zu hohen Ab-standswert.

7. Es sind wieder genugend neue Meßwerte vorhanden, um den Kontrast zu verbessern unddamit einen richtigen Wert zu finden.

8. Geschwindigkeitsanderungen des Zuges fuhren zu plotzlichen Anderungen des τ .

Es stellte sich also heraus, daß das Programm zwar ungefahr die richtigen Abstande findenkann, diese sind aber in vielen Fallen nicht sehr genau und schwanken auch je nach Umgebungund der von den Lichtschranken gegebenen Vorgabe stark.

Ausreißer-Elimination

Die Schwankungen der Spuren der Abstandswerte τ an einigen Stellen sind zu stark, als daßdies von der Messung herruhren konnte. Entweder sind diese Fehler durch fehlende Werte derLichtschranken ausgelost (Nummer 3 in Abbildung 10.7) oder durch das Aussuchen des falschenMaximums der KKF. Um das zu verhindern, wurde in KKF-Online.vi eine Ausreißererkennungeingebaut. Diese vergleicht den neu berechneten τ -Wert mit dem letzten. Wenn diese einenUnterschied aufweisen, der großer als ein vorgegebener Faktor ist, dann wird der neue Wert furungultig erklart und der alte weiter verwendet.Die Daten aus der Abbildung 10.7 wurden mit dieser Ausreißererkennung erneut durch vt.vigeschickt. Dabei war der Schwellwert-Faktor auf 60 % eingestellt, großere Sprunge wurdenentfernt. Das Ergebnis findet sich in der Abbildung 10.8, die eine wesentlich ruhigere Spur derτ -Werte aufweist.Mit dieser Spur wurden nun die Daten des zweiten Detektors Punkt fur Punkt verschoben,wobei es bei Schwankungen in der τ -Reihe durchaus dazu kommen kann, daß Punkte aus derOriginalreihe wegfallen oder mehrfach auftauchen. Das Ergebnis dieser Operation findet sich inder Abbildung 10.9.Deutlich wird, daß die Verschiebungswerte offensichtlich nicht richtig passen. Der Peak von De-tektor 1 bei 5 Sekunden ist deutlich in die Breite gezogen und hat mehrere Spitzen bekommen(in Abbildung 10.4 sind die Kurven zum Vergleich unverandert). Dies liegt daran, daß in die-sem Zeitbereich, wie Abbildung 10.8 zeigt, die τ -Werte schwanken, weshalb einige Punkte derOriginalmeßreihe mehrfach vorkommen. Auch die zeitlichen Positionen stimmen nicht immer.So liegt zum Beispiel der erste Peak der zweiten Durchfahrt von Detektor 1 deutlich zu fruh.Andere Peaks passen dagegen besser, sowohl in der Form als auch in der Position.

10.4.2 Abhilfe durch Mittelung (fitt.vi)

Im letzten Abschnitt wurde gezeigt, daß die errechneten τ -Abstande bei wechselnden Geschwin-digkeiten zu stark schwanken, als daß sie geeignet waren, die Detektormeßspuren ubereinanderlegen zu konnen. Gegen großere Schwankungen bietet sich das Mitteln der Werte an. DieserAnsatz soll in diesem Abschnitt verfolgt werden. Dazu wurde ein weiteres Programm mit demNamen Fitt.vi entwickelt, das die Aufgabe hat, die im folgenden beschriebenen Verfahren aufihr Funktionstuchtigkeit zu uberprufen.


Abbildung 10.8: Errechnete Abstande zwischen den Detektorspuren (untere Kurve) und zum Vergleichder zeitlichen Positionen die Meßspur des zweiten Detektors (oben). Die Ausreißer-Erkennung sorgt fur wesentlich ruhigere τ -Werte im Vergleich zu Abbildung 10.7.

Die Bearbeitung besteht dabei aus mehreren Schritten:

1. Laden der Daten

2. Gegebenenfalls Auswahl eines Bereiches daraus. Falls Storungen vorhanden sind, konnendiese ausgeblendet werden.

3. Mit Hilfe der τ -Spuren und der neuen Verfahren werden die Detektormeßwerte verschobenund zusammengelegt.

4. Bewertung der Zusammenlegung mit Hilfe der linearen Regression.

Mittelung der Verschiebung

Um starken Schwankungen der Verschiebung τ entgegenzuwirken, sollen diese nun uber einenvorgegebenen Bereich gemittelt werden. Der zur Verschiebung der Spuren verwendete Abstandergibt sich also nicht mehr aus dem zu dem entsprechenden Zeitpunkt gehorenden τ , sondernaus einem Mittelwert der letzten Werte dafur.Fitt.vi errechnet fur ein vorgegebenes Intervall von Mittelungsbreiten die τs, verschiebt damitdie Meßkurven und berechnet daraus zur Kontrolle einen Fehlerwert mit Hilfe der linearenRegression.

Lineare Regression als Maß fur die Qualitat des τ

Der Erfolg der gleitenden Mittelung uber Bereiche verschiedener Lange hangt davon ab, wie gutzwei Spuren ubereinanderpassen. Um dies zu uberprufen, werden die Meßwerte beider Meßspu-ren mit Hilfe der linearen Regression auf Deckung skaliert. Die verbleibende Abweichung liefertdann einen Fehlerwert.


Abbildung 10.9: Zusammengelegte Detektorspuren einer Testmessung. Die obere Kurve von Detektor2 wurde nicht verandert. Die untere Kurve von Detektor 1 ist punktweise mit denberechneten Abstanden verschoben worden.

Die Funktion zur Skalierung berechnet sich wie folgt:

y = m · x + b (10.3)

m =N ·

∑(xi · yi)−

∑xi ·

∑yi

N ·∑

x2i − (

∑xi)

2 (10.4)

b =∑

yi ·∑

x2i −

∑xi ·

∑(xi · yi)

N ·∑

x2i − (

∑xi)

2 (10.5)

mit xi,yi: Meßdatenarrays der Detektoren, Index i entspricht der Zeitm: Steigung der Regressionsgeradenb: y-Achsenabschnitt

Dann ergibt sich fur den quadratische Fehler der Abweichung:

S(m, b) =∑

[yi − (m · xi + b)] (10.6)

Mit dem im nachsten Abschnitt beschriebenen Verbesserungsverfahren legt Fitt.vi die Detek-torspuren neu zusammen und berechnet mit den Formeln einen Fehlerwert zur Uberprufungder Maßnahmen.

Gleitende Mittelung mit einer Testmessung

An der Messung aus Abbildung 10.4 wurde eine gleitende Mittelung durchgefuhrt fur verschie-dene Breiten der Mittelung aus einem Bereich 0 . . . 100. Die Fehlerquadrate finden sich in derAbbildung 10.10 dargestellt uber der Breite der Mittelung. Es ist zu erkennen, daß diese Vorge-hensweise offensichtlich keine Verbesserung der Lage bringt, sondern die Abweichungen nur nochschlimmer werden, denn fur die Mittelungsbreite = 0 ist der kleinste Fehler erhalten worden.


Abbildung 10.10: Fehlerquadrate S(m, b) aus Gleichung 10.6 der Abweichung zweier angepaßter Meß-kurven als Qualitatsmaß fur das Mitteln der Werte fur τ , aufgetragen uber der Breitedes Bereiches, uber den gemittelt wurde (

∑yi = 493).

Mittelung mit einem Polynom

Im Gegensatz zum letzten Abschnitt wird an dieser Stelle nun kein gleitender Mittelwert verwen-det. Nimmt man an, daß die Geschwindigkeit wahrend einer Durchfahrt nicht stark schwankt,so kann man den Verlauf der Abstande auch durch ein Polynom annahern und damit glatten.Dazu verwendet man eine Gleichung der Form

τ = at2 + bt + c (10.7)

Fur den Bereich der zweiten Durchfahrt (ab 18,5 s) in Abbildung 10.8 wurde diese Formelan die τ -Kurve angepaßt. Daraus ergaben sich die dicke Kurve in Abbildung 10.11 A und dieKoeffizienten:

a = −0, 035 s−1

b = 1,444c = -13,769 s

Verschiebt man mit den daraus berechneten τ -Werten die Datenspur von Detektor 2 erneut, soergibt sich fur diesen Ausschnitt die Grafik aus Abbildung 10.11 B.Die neu berechneten Peaks sind nicht mehr in die Breite gezogen, dafur stimmt die Positionnicht mehr so gut.

10.4.3 Zusammenfassung der Ergebnisse der Mittelungsverfahren

Betrachtet man die bisherigen Ergebnisse, so ist festzustellen, daß die Spuren der Messung mitstark wechselnder Geschwindigkeit ungefahr passend zusammengelegt werden. Bei der Verrin-gerung der Abweichungen muß mit den folgenden gegensatzlichen Probleme gekampft werden:

• Wenig Mitteln zerstort die Form der Peaks. Die errechneten τ -Werte weisen starke Schwan-kungen auf. Werden diese nicht durch Mittelung geglattet, so konnen kleinere Sprunge,die nicht unter die Ausreißer-Erkennung fallen, die Peaks in die Breite ziehen und derenForm vollig unkenntlich machen.

10.5 KKF-Feinanalyse 95

Abbildung 10.11: Mitteln der τ -Werte fur einen Ausschnitt mit der Gleichung 10.7. A: Der Verlaufvon τ wird durch ein Polynom angenahert (dicke Linie), das der Formel gehorcht.B: Zusammengelegte Detektorspuren eines Ausschnitts der Testmessung.

• Viel Mitteln laßt die Peak-Positionen auseinanderlaufen. Werden die τ -Werte starker ge-mittelt, so behalten die Meßwertspuren weitestgehend ihre Form, aber dafur passen diePeak-Positionen der verschiedenen Detektoren nicht mehr zusammen. Dies liegt daran,daß die Mittelung schnellere Reaktionen auf Geschwindigkeitsanderungen verhindert.

Im Feld bei dichter Blattdecke und großem Mittelungsbereich ist dieser Fehler weniger schwer-wiegend.

10.5 KKF-Feinanalyse

Die bisher von vt.vi durchgefuhrten Berechnungen der Kreuzkorrelationsfunktion verwendetennur Werte, die alter als die momentane Position waren. Es wurden keine Meßpunkte einbezogen,die spater gemessen wurden. Daher ist es fur das Programm schwer, bei stark schwankendenGeschwindigkeiten wie in der Testmessung in Abbildung 10.4 diese Anderungen schnell zuerkennen. Hier ware es besser, wenn Punkte aus der ”Zukunft“ verwendet werden durften, dadiese schon den neuen Bedingungen entsprechen.Die KKF-Feinanalyse berechnet noch einmal KKFs, aber nicht uber die ganze Meßreihe wiebisher, sondern fur jeden Punkt neu mit einer bestimmten Anzahl von Datenpunkten in beideRichtungen. Um den Rechenaufwand zu begrenzen, wird nicht mehr ein so großer Bereich furdas τ verwendet wie bei KKF-Online.vi. Es wird stattdessen in einem kleinen Abschnitt umden bereits errechneten τ -Wert herum gesucht.

10.5.1 Prinzip der Feinanalyse

Diese Analyse baut auf den von vt.vi gelieferten Abstandsreihen τ auf. Der Benutzer gibt zweiBereiche vor:T : Breite des Intervalls, in dem das τ um den bereits gelieferten Wert herum variiert wird,R: Breite des Datenbereiches (Anzahl), der fur die Analyse verwendet wird.


In der Abbildung 10.12 wird die Zugriffsweise auf die Datenpunkte und die Verwendung derBereiche im Vergleich zur Vorgehensweise in KKF-Online.vi gezeigt:

Abbildung 10.12: Darstellung der Zugriffsweise auf die Verschiebungen bei der Berechnung der KKF.A: KKF-Online.vi rechnet fur den aktuellen Wert von Det. 2 jeweils eine KKF furjeden schraffierten Punkt von Det. 1.B: In der Feinanalyse wird der in A berechnete τ -Wert verwendet, um dann einenBereich links und rechts davon abzudecken. Es werden weniger Datenpunkte verwen-det, aber dafur solche aus der ”Zukunft“, zum Beispiel der Punkt Z. (Siehe Text)

A. KKF-Online.vi (Abschn. 9.7) berechnet (rekursiv) fur alle Datenpunkte vom Meßbeginnbis zum aktuellen Zeitpunkt t eine einzige KKF fur jeden Wert τ aus dem Intervall τ ∈[τmin, τmax] aus Gleichung 9.14. Fur jeden neu hinzukommenden Datenpunkt wird alsofur jedes τ die Gleichung

KKF(τ, k + 1) =1

k + 1x(k + 1) · y(k + 1 + τ) +

k

k + 1KKF(τ, k) (10.8)

berechnet. In Abbildung 10.12 A ist dies dargestellt. Die Datenpunkte, uber die eine KKFgerechnet wird, sind durch den Pfeil markiert (Lange= Zeit * Abtastrate). Fur jedes τ ausdem Intervall wird eine KKF gerechnet, dies ist der schraffierte Bereich in der Abbildung.

B. Die Feinanalyse gewichtet die Datenpunkte mit einem Rechteckfenster symmetrisch zumaktuellen Zeitpunkt. Fur jeden aktuellen Zeitpunkt t gilt mit k = 2R/Ta (Ta: Abtastzeit):

KKF(τ, k) =1k

t+R∑i=t−R

x(i) · y(i + τ) (10.9)

Feinanalyse heißt dieses Verfahren, weil die KKF nach Gleichung 10.9 nur fur ein kleineresτ -Intervall τ ∈ [τKKF − T, τKKF + T ] berechnet wird. Dabei ist τKKF der Wert fur τ , derbei der Berechnung in KKF-Online.vi herauskam.

Abbildung 10.12 B zeigt dies am Beispiel des Punktes t: Die Summe der KKF lauft uberdie mit dem unteren Pfeil gekennzeichneten Datenpunkte der Breite 2R. Auch hier findeteine Variation des τ statt. Diese lauft uber ein im Vergleich zur KKF-Online.vi kleineresIntervall der Breite 2T, welches um den τ -Wert aus KKF-Online.vi herum zentriert ist.


In der Abbildung markiert der schraffierte Bereich wieder das Zugriffsintervall bei derVariation des τ fur den Datenpunkt zur Zeit t. Da die Berechnung der KKF nicht rekursiverfolgt, muß hier jeweils fur alle Datenpunkte aus 2R eine neue KKF ausgerechnet werden.

10.5.2 Ergebnisse

Mit der Messung aus dem Abschnitt 10.3 wurde nun eine Feinanalyse durchgefuhrt. Dazuwurden die im Abschnitt 10.4.1 berechneten Verschiebungen τ verwendet und mit einer Inter-vallbreite fur das τ von

T = 0, 25 s

noch einmal analysiert. Die Breite des Datenbereiches fur Gleichung 10.9 wurde auf

R = 0, 75 s

gesetzt, da dann der betrachtete Bereich der Breite eines Peaks entspricht. Die dabei entstande-nen τ -Werte wurden erneut zum Zusammenlegen der Detektorspuren verwendet. Ein Ausschnittaus dem Ergebnis mit der zweiten Durchfahrt findet sich in der Abbildung 10.13.

Abbildung 10.13: Zusammengelegte Detektorspuren der Testmessung. Die obere Kurve von Detektor 2wurde nicht verandert. Die untere Kurve von Detektor 1 entstand nach Verschiebungmit den Abstanden aus Abbildung 10.9 und der Feinanalyse.

Vergleicht man diese Grafik mit Abbildung 10.9, die den Stand vor der Feinanalyse wiedergibt,so zeigt sich, daß die Peaks fast nicht mehr verformt sind und gut zur anderen Spur passen.

10.6 Zusammenfassung der Ergebnisse der Software 98

10.6 Zusammenfassung der Ergebnisse der Software

Die Ausfuhrungen in diesem Kapitel haben gezeigt, daß die Software KKF-Online.vi gut in derLage ist, bei Meßdaten mit geringeren Geschwindigkeitsschwankungen eine Zusammenlegungder Spuren zu bewerkstelligen.Bei großeren Schwakungen waren hingegen folgende Anpassungen und Verfeinerungen der Aus-wertung notig:

• Eine Ausreißer-Erkennung eliminiert offensichtlich falsche Werte.

• Starke Geschwindigkeitsschwankungen fuhren zu großen Anderungen in den Verschie-bungswerten τ . Da aber die KKF selbst ein Mittelungsprozeß ist, werden diese Anderungenzu spat wirksam. Eine Verformung der Peaks ist die Folge. Eine gleitende Mittelung dererrechneten τ -Werte kann hier keine Abhilfe leisten. Macht man hingegen eine Mittelungmit einem Polynom-Ansatz, so werden die Ergebnisse deutlich besser.

• Die Feinanalyse ist in der Lage, die Positionen und Formen der Peaks durch eine erneuteBerechnung so zu verschieben, daß diese gut passen. Die hier gemachte Annahme fur dieBreite des berechneten Intervalls auf die Abmessungen eines Peaks mußten allerdings beieinem Feldeinsatz angepaßt werden.

Bei nicht zu großen Geschwindigkeitschwankungen findet also KKF-Online.vi die gesuchtenSpurabstande sehr gut, ansonsten muß mit der Feinanalyse noch nachgebessert werden.Bei einer Anwendung auf dem Feld muß mit eventuell starkeren Schwankungen gerechnet wer-den, allerdings wirken sich hier aufgrund der dichten Blattdecke und des großen Mittelungsbe-reichs die Fehler in τ wohl noch weniger aus als hier in den Laborversuchen.

Kapitel 11

Messungen und Verbesserungen der Anlage

Nachdem nun sowohl der Meßaufbau von seinen Grundzugen her in der Lage gewesen ist, diegestellten Meßaufgaben durchzufuhren, als auch die Software die gelieferten Daten wie gefordertauswerten konnte, muß nun detaillierter nachgesehen werden, ob die gemessenen Daten sich wiegewunscht zu Kinetik-Kurven zusammenfuhren lassen. Es wird sich herausstellen, daß weitereVeranderungen am Meßaufbau notig sind, um die gewunschten Ergebnisse zu bekommen.

11.1 Testmessungen

Die folgenden Testmessungen dienen dazu, die auftretenden Probleme zu verdeutlichen undAbhilfen aufzuzeigen.Um Beeinflussung der Messungen durch Photosyntheseprozesse in den Blattern, verursachtdurch unterschiedliche Vorbeleuchtung, auszuschließen, wurde im ersten Teil nur mit grunemComputerpapier gemessen, das ahnliche Fluoreszenzeigenschaften hat wie Chlorophyll, nur kei-nerlei Kinetik aufweist. Erst danach wurden Stucke von Maisblattern auf die Waggons gelegt.Die Fahrten mit dem Zug erfolgten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die Lok besaß kei-nerlei Geschwindigkeitsreglung, es war nur moglich, am Transformator eine Einstellung auf einerSkala von 0 bis ca. 175 vorzuwahlen, die dann zu einer Ausgangsspannung fuhrte. Die tatsachli-che Fahrtgeschwindigkeit des Zuges hing dann von der Zahl der Waggons und deren Beladungab und variierte noch zusatzlich durch die Stromabnehmer, die variablen Kontakt hatten (sie-he 8.1). Da aber eine genaue Regelung der Zuggeschwindigkeit gar nicht notig war, es ging jadarum, eine sich andernde Treckergeschwindigkeit zu simulieren, wurde darauf verzichtet, diesegenauer zu regeln. Es wurden die Geschwindigkeiten verwendet, die den Trafo-Einstellungen,wie in der Tabelle 8.1 auf Seite 57 dargestellt, entsprachen.

11.1.1 Testmessungen mit Computerpapier

Auf der Lok und allen vier Waggons lag je ein Stuck Computerpapier mit den Abmessungen20 x 60 mm quer zur Fahrtrichtung, Abstand der Papierstucke: ca. 300 mm. Der Zug fuhr mitmittlerer Geschwindigkeit unter den Detektoren hindurch. In Abbildung 11.1 ist die gesamteMeßfahrt zu sehen, die aus drei Umrundungen bestand. Die Signale des zweiten Detektors(gestrichelt) wurden mit dem Faktor 1,37 skaliert, so daß der jeweils erste Peak (von der Lok)auf gleiche Hohe normiert wurde.Die Kurven der beiden Detektoren in der Abbildung (und der nachsten) wurden nicht uberein-ander gelegt, um so den zeitlichen Abstand, den der Zug brauchte, um die Strecke zwischen denbeiden Detektoren zuruckzulegen, sichtbar zu machen. Jeweils der erste Peak von Detektorkur-ve 1 (durchgezogene Linie) und der zweiten Kurve (gestrichelt) gehoren zum selben Blatt (unddamit dem selben Waggon).Abbildung 11.2 zeigt zwei Ausschnitte (A: erste, B: zweite Durchfahrt) aus der Messung. DieSkalierung ist fur beide Grafiken die selbe, so daß die Hohen verglichen werden konnen. Die

11.1 Testmessungen 100

Abbildung 11.1: Meßfahrt mit Computerpapier 6x2 cm pro Wagen, auf gleiche Peak-Hohe der Lokskaliert. Signale von zwei Detektoren.

eingezeichneten numerierten Linien verbinden jeweils zwei Peaks, die zum selben Blatt gehoren,die Nummern bezeichnen das Blatt.Wenn man beide Grafiken vergleicht, ist zu erkennen, daß sowohl die absoluten Hohen derzusammengehorigen Peaks (selbes Blatt, selber Detektor) als auch die Steigungen der zusam-mengehorenden Verbindungslinien unterschiedlich sind. Die unterschiedlichen Steigungen zeigendabei an, daß die Verhaltnisse der Meßwerte des selben Blattes von beiden Detektoren bei zweiverschiedenen Durchfahrten unterschiedlich sind.Da alle Papierstucke die gleiche Form und Ausrichtung zur Fahrtrichtung hatten und keinzeitabhangiges Verhalten (Kinetik) zeigen, sollten die beiden Durchfahrten eigentlich das gleicheErgebnis bringen, da auch die Fahrtgeschwindigkeit nicht geandert wurde. Da dies aber nichtder Fall ist, liegt die Vermutung nahe, daß es sich hierbei um Effekte durch die unterschiedlicheOptik der Detektoren handelt. In Abschnitt 11.2 wird dies naher untersucht.

11.1.2 Testmessungen mit Maisblattstucken

Auf der Lok und den Waggons 1 und 3 lag je ein Stuck Computerpapier (2 x 6 cm) und auf denWaggons 2 und 4 je ein Stuck Maisblatt (ca. 5 x 10 cm). Die Blatter wurden keinem zusatzlichenaktinischen Licht ausgesetzt bis auf das im Labor vorhandene Tageslicht. Das Meßergebnis einerFahrt mit mittlerer Geschwindigkeit ist in Abbildung 11.3 zu sehen. Hier wurden nicht dieHohen skaliert, sondern die Meßkurve des zweiten Detektors wurde so verschoben, daß Peaksvom selben Blatt zusammen liegen.In der Abbildung sind die Peaks der beiden Blatter gekennzeichnet. Das Signal der Lok stammtvon einem Stuck Computerpapier, das eine wesentlich geringere Fluoreszenz zeigt, weshalb dieHohe des Signals deutlich kleiner ist. Wie schon im Abschnitt 11.1.1 sind die Formen, vor allemdes Signals von Waggon 4, verschieden, was offensichtlich vom Detektor abhangt und keinelichtinduzierte Anpassung des Blattes ist.Es wird sich herausstellen, daß hier sowohl eine Fluoreszenzkinetik als auch Unterschiede in derOptik eine Rolle spielen.

11.2 Unterschiedliche Blickwinkel der Detektoren 101

Abbildung 11.2: Zwei Ausschnitte (A und B) aus einer Meßfahrt mit Computerpapier 2x6 cm pro Wa-gen, auf gleiche Peak-Hohe des ersten Peaks skaliert. Signale von zwei Detektoren.Durch die numerierten Linien sind jeweils zu einem Wagen gehorige Peaks verbun-den. Man erkennt in den beiden Abbildungen Unterschiede sowohl in den Steigungender Linien als auch in den Hohen der Peaks im Vergleich von A und B.

11.2 Unterschiedliche Blickwinkel der Detektoren

Wie in den Abschnitten 11.1.1 und 11.1.2 gezeigt, sind die Meßkurven der beiden Detektorenauch dann nicht gleich, wenn sie das selbe Blatt sehen. Da dies sowohl bei Maisblattern als auchbei photosynthetisch inaktivem Computerpapier der Fall ist und nicht auf ein Skalierungspro-blem zuruckzufuhren ist, liegt der Verdacht nahe, daß die beiden ”Signalwege“ (inklusive desWeges, den das Licht von den Blattern zurucklegt) der Detektoren unterschiedlich sind. Hierkommen folgende Verursacher infrage:

• Detektoren mit ihrer Optik,

• unterschiedliche Frequenz des Meßlichtes,

• verschiedene Fahrtrichtungen und Geschwindigkeiten,

• Korrelatoren,

• AD-Wandler.


Abbildung 11.3: Ausschnitt aus einer Meßfahrt mit Maisblattstucken ca. 5x10 cm auf Waggon 2 und 4und Computerpapier 2x6 cm auf der Lok und Waggon 1 und 3. Kein aktinisches Licht.Signale von zwei Detektoren, die ubereinandergeschoben wurden. Die Signalform istunterschiedlich.

Letzteres kann ausgeschlossen werden, da die AD-Wandlung beider Kanale auf der selben Meß-karte durch den selben Wandler mit einem Multiplexer erfolgt.Als weitere Ursache der Abweichungen besteht die Moglichkeit, daß sich im System Zeitkonstan-ten befinden, die verschieden und zu langsam sind, so daß sich aus dem dynamischen VerhaltenUnterschiede ergeben.

11.2.1 Zeitkonstanten und Fahrtbedingungen

In dem System, das die Signale der Photozellen der Dektoren verarbeitet, kommen diverseEinheiten vor, die mit Zeitkonstanten behaftet sind. Diese Konstanten sind allerdings schnel-ler als die beobachteten Effekte. Um zu uberprufen, ob dennoch unbekannte Zeitkonstantenenthalten sind, werden die folgenden Messungen durchgefuhrt. Wenn nun diese Konstantenunterschiedlich sind in den Signalwegen der beiden Detektoren, so wurden sich bei schnellererFahrt unterschiedliche Signalformen ergeben.Außerdem besteht die Moglichkeit, daß sich durch unterschiedliche Fahrtrichtungen andere Si-gnale ergeben.

Verschiedene Fahrtgeschwindigkeiten

Um eine mogliche Beeinflussung der Signalform durch die Fahrtgeschwindigkeit zu untersuchen,wurden zwei Messungen gemacht: Auf jedem Waggon befand sich ein Stuck Maisblatt derLange 200 mm, der Zug wurde mit mittlerer (A) und hoherer (B) Geschwindigkeit einmalvorwarts durch die Anlage geschickt. Zwei Ausschnitte aus den Meßkurven sind in Abbildung11.4 zu sehen. Um die Kurven besser vergleichen zu konnen, sind die Zeitachsen der schnellenFahrt entsprechend gestaucht, so daß beiden Darstellungen gleich breit sind. Ein deutlicherUnterschied ist nicht festzustellen, so daß die Geschwindigkeit, zumindest in den betrachtetenoder erreichbaren Bereichen, keine Rolle spielt und fur genannten Effekte nicht verantwortlichist.


Abbildung 11.4: Einfluß der Fahrtgeschwindigkeit: Beladung der Waggons mit je einem Streifen Mais-blatt. Ausschnitte aus zwei Fahrten mit verschiedenen Geschwindigkeiten (A: lang-sam, B: schneller). Die Zeitachsen sind entsprechend gestaucht, um besser vergleichenzu konnen. Die Peaks aus A und B sind der Form nach identisch.

Verschiedene Fahrtrichtungen

Um herauszubekommen, inwieweit die Fahrtrichtung eine Rolle spielt, wurde zusatzlich zu denMessungen aus Abschnitt 11.2.1 eine weitere Fahrt unter den selben Bedingungen (Beladung,mittlere Geschwindigkeit) gemacht, nur daß der Zug ruckwarts (gegen den Uhrzeigersinn) durchdie Anlage geschickt wurde. Ein Ausschnitt aus dieser Messung ist in Abbildung 11.5 zu sehen.Durch die Umkehr der Fahrtrichtung wird der Kurvenverlauf gespiegelt, und das Signal vonDetektor 2 liegt jetzt vor Detektor 1. Vergleicht man dieses Diagramm mit der oberen Meßkurveaus Abbildung 11.4, so wird ersichtlich, daß, besonders beim Blatt von Waggon 1, die Kurvennur gespiegelt wurden, ihre grundsatzliche Form aber behalten haben. Also kann man auch hierdavon ausgehen, daß die Fahrtrichtung keinen Einfluß auf die Effekte hat.

11.2.2 Unterschiedliche Meßlichtfrequenz

Die Meßlichter der beiden Detektoren werden mit einer unterschiedlichen Frequenz (1000 Hzund 700 Hz) angesteuert, damit diese sich nicht gegenseitig storen. Um eine Verfalschung derMeßergebnis durch diesen Unterschied auszuschließen, wurden zwei Messungen gemacht, wobei


Abbildung 11.5: Beladung der Waggons mit je einem Streifen Maisblatt. Ausschnitt einer Fahrtruckwarts unter den selben Bedingungen wie in Abbildung 11.4 A. Vor allem diePeaks von Waggon 1 sind identisch mit der Vorwartsfahrt bis auf die Spiegelung ausder Richtungsumkehr

bei der zweiten nur die Anschlusse der Detektoren und die Frequenzen vertauscht wurden,Detektor 1 also mit dem Korrelator 2 verbunden war und der zugehorige LED-Kopf mit derzweiten Frequenz angesteuert wurde.Wieder finden sich in Abbildung 11.6 Ausschnitte aus den beiden Messungen. Durch den Tauschder Detektoranschlusse tauschen diese ihre Rollen, was man auch erkennen kann. Aber davonabgesehen sind die Ergebnisse gleich. Die Meßlichtfrequenz hat also keinen erkennbaren Einflußauf die Unterschiede.

11.2.3 Unterschiedliche Korrelatoren

Einen nicht unerheblichen Anteil an der Verarbeitung des Signals haben die beiden Korrelatoren.Da es sich hierbei um zwei vom Aufbau her vollig verschiedene Gerate handelt, konnte es hierUnterschiede geben, die die Abweichungen der Signale erklaren konnten. Um diesem Problemnachzugehen, wurde der Ausgang eines Detektors an beide Korrelatoren angeschlossen, ebensodas Anregungslicht mit der selben Frequenz versorgt. Nun wurde wieder der Zug wie oben mitmittlerer Geschwindigkeit fahren gelassen. Das Ergebnis dieser Messung findet sich in Abbildung11.7. Im Gegensatz zu den anderen Messungen wurde hier nicht skaliert, da man sonst diebeiden Kurven nicht hatte auseinanderhalten konnen. Man erkennt (bis auf die Hohe) keinenUnterschied, was darauf schließen laßt, daß die beiden Korrelatoren in diesem Zeitbereich gleicharbeiten und nicht zur Veranderung der Signale beitragen.

11.2.4 Unterschiedliche Optiken

Die beiden Detektoren verfugen, wie in 7.2 beschrieben, uber unterschiedliche Linsen, was dieVergroßerung der Abbildung und den Sichtbereich beeinflußt. Wurde man sehr große, planeObjekte betrachten, so wurde sich dies hochstens gleichmaßig (also ein Skalierungsfaktor) inder Signalhohe, aber nicht in der Signalform bemerkbar machen. Da Blatter aber sehr vielkleiner sind und diese auch nicht plan liegen, sondern gekrummt sind, und der Zug selbstleichte Schwingungen ausfuhren kann, mussen auch die Effekte untersucht werden, die darausresultieren.


Abbildung 11.6: Beladung der Waggons mit je einem Streifen Maisblatt. Ausschnitt zwei Fahrten, beidenen die Anschlusse der Detektoren und die Meßlichtfrequenz vertauscht wurde. Bisauf den Tausch zwischen Detektor 1 und 2 sind die Kurven, die zum selben Blatt undDetektor gehoren, identisch.

Große der Blatter

Kleinere Blatter werden wahrscheinlich bei unterschiedlichen Optiken zu abweichenden Detek-torsignalen fur die selben Blatter fuhren. Um dies zu untersuchen, wurden verschieden großeStucke Computerpapier herumgefahren. Es wurde Papier verwendet, weil dies von sich aus planliegt und so nur die Große eine Rolle spielt.Die Papierstucke hatten die Großen

• 2 x 6 cm

• 13 x 9 cm

• 25 x 9 cm

und wurden auf alle vier Waggons gelegt. Auf der Lok lag wie immer ein Papier 2 x 6 cm.Die Ergebnisse der Fahrten mit den drei Papiergroßen sind in Abbildung 11.8 dargestellt. Ineiner Zeile befinden sich jeweils zwei Ausschnitte der selben Fahrt mit einer Papiergroße, ganzoben die kleinen Papierstucke, in der Mitte die großeren und ganz unten die großten Blatter.Die erste Zeile entspricht der bereits gezeigten Abbildung 11.2 aus Abschnitt 11.1.1. Die ein-


Abbildung 11.7: Beladung der Waggons mit je einem Streifen Maisblatt. Ausschnitt einer Fahrt, beidenen der Detektor 1 an beide Korrelatoren angeschlossen wurde. Um die Meßkurvenunterscheidbar zu machen, wurde hier auf eine Skalierung verzichtet. Bis auf denAbstand sind die Kurven identisch.

gezeichneten Linien deuten wieder die Steigung zwischen den beiden Detektorsignalen fur dasselbe Blatt an. Da diese bei den unteren beiden Messungen immer fast waagerecht sind, wurdendie letzten der Ubersichtlichkeit halber weggelassen. Die Kurven des zweiten Detektors wurdejeweils so skaliert, daß die Hohen der ersten Peaks beider Detektoren gleich sind (linker undrechter Ausschnitt haben den selben Skalierungsfaktor).Zu erkennen ist, daß mit wachsender Blattgroße sowohl die Form der Signale beider Detektorenimmer ahnlicher wird als auch die Steigung der eingezeichneten Verbindungslinien auf null geht,was nach der Skalierung im linearen Bereich zu erwarten war.Wenn also die Blatter hinreichend groß sind (in der Messung war das Papier in der drittenDurchfahrt so groß wie ein Waggon), werden die Unterschiede in den Signalen der beiden De-tektoren hinreichend klein, weil dann die beiden unterschiedlichen Sichtbereiche genugend abge-deckt werden. Indes bleiben an den Flanken trotzdem Differenzen bestehen, da durch die großenBlattstucke die unterschiedlichen Optiken nicht beseitigt wurden, nur deren Einfluß verringertwurde, der großer ist, je strukturreicher die Objekte sind.

Lage der Blatter

Bei den Meßfahrten mit Computerpapier lagen die Blattstucke meistens ziemlich plan auf denWagen auf. Bei Blattern von Pflanzen ist dies nicht der Fall, da diese zum einen viel dickersind und zum Teil gekrummt oder gewellt aufliegen. Wurden die Detektoren mit der selbenOptik darauf schauen, so ware dies egal, da es nur auf Unterschiede ankommt. Bei den hier vor-handenen unterschiedlichen Sichtweisen aber tragt dieses sicher zu den abweichenden Signalenbei.Um dies zu untersuchen, wurden bei einer Messung Maisblattstucke auf die Waggons gelegt undnur mit Klebeband gegen das Herunterfallen gesichert, aber sonst in ihrer Lage nicht beeinflußt.Bei einer Zweiten Messung hingegen kamen zwei Stucke Maisblatt zum Einsatz, die von einerPlexiglasplatte (10 mm stark) auf Waggon 1 bzw. einer Glasplatte (2 mm) auf Waggon 3plattgedruckt wurden, wie in Abbildung 11.9 gezeigt.Das Ergebnis der ersten Fahrt ohne Glasplatten findet sich in der schon erwahnten Abbildung11.4. Dort sind deutlich verschiedene Kurven von eigentlich fast identischen Blattstucken zusehen. In Abbildung 11.10 findet sich das Ergebnis einer Fahrt mit zwei durch die Platten


Abbildung 11.8: Variation der Blattgroßen: Beladung der Waggons mit je einem Stuck Papier. Linksund rechts jeweils ein Ausschnitt der selben Fahrt, ACE stammen aus der jeweilsersten Durchfahrt, BDF aus der zweiten. Mit wachsender Papiergroße (A → C →E bzw. B → E → F) werden die Signale gleichmaßiger. Hier fand keine zeitlicheVerschiebung statt, dafur Skalierung auf gleiche Hohe des ersten Peaks.

fixierten Blattern (Es wurden nur zwei Platten verwendet, da mehr nicht greifbar waren unddie Ergebnisse auch so deutlich genug ausfielen). Hier wurde keine Verschiebung der Wertevon Detektor 2 vorgenommen, um die Peakhohen besser vergleichen zu konnen, stattdessenwurde auf gleiche Hohe des ersten Peaks skaliert. Die Verlaufe der Kurven haben sich jetzt sehrdeutlich angenahert, so daß sie fur das erste Blatt ziemlich gleich sind, dies ist auch fur andereGeschwindigkeiten nicht anders (hier nicht dargestellt).Aus diesen Messungen kann man schließen, daß eine hinreichend flache Fixierung der Blatterdie Probleme aus den unterschiedlichen Optiken zwar nicht ganz ausgleichen, aber dennochabmildern kann.

11.2.5 Zusammenfassung

Als Fazit der Messungen in diesem Abschnitt (11.2) ist festzustellen, daß die Unterschiede in denMessungen nicht durch die Elektronik, sondern allein durch die Optiken der beiden Detektorenverursacht werden und nicht zu vernachlassigen sind. Diese fuhren zu deutlichen Unterschiedenin der Form und der Hohe der Signale, die die Blatter bei der Durchfahrt verursachen. Da


Abbildung 11.9: Fixierung der Blatter: Auf dem Waggon wird zwischen Pappe (als Unterlage) undeiner (Plexi-)Glasplatte ein Stuck Maisblatt fixiert und mit Gummibandern festgehal-ten.

Abbildung 11.10: Fixierte Blatter: Je ein Stuck Maisblatt auf Waggon 1 und 3, jeweils durch eineGlasplatte fixiert. Die Kurven des selben Blattes (links bzw. rechts) sind ahnlichergeworden.

aber bei identischen Bedingungen (Papier ohne ”Leben“ oder Blatter ohne explizites aktini-sches Licht) bis auf einen konstanten Skalierungsfaktor keine Abweichungen auftreten durfen,muß ihre Ursache beseitigt werden. Als Abhilfe bietet es sich an, hinreichend große Blatter zuverwenden und diese plan zu fixieren. Dies hat naturlich Auswirkungen auf die Durchfuhrungder angestrebten Messungen auf dem Feld.Es drangt sich bei den dargestellten Abweichungen die Frage auf, warum diese Probleme nichtdurch eine Verbesserung der Optik beseitigt wurden. Hierauf ist zu antworten, daß bei Mes-sungen auf dem Feld auch nicht von konstanten Sichtbereichen ausgegangen werden kann, auchwenn hier die Optiken der Detektoren hochstwahrscheinlich in einem Neubau mit hoherem fi-nanziellen Aufwand sehr viel besser angeglichen werden konnen, da man dort Optiken eigensfur diesen Zweck anfertigen und wesentlich robuster und storunempfindlicher auslegen konnte.Denn durch Luftbewegungen (sei es Wind oder vom Traktor verursacht) konnen sich die Blatterverschieben und ”verbiegen“, und durch Wackeln entstehen unterschiedlich große Abbildungen,was den oben behandelten Problemen (Lage bzw. Große) entspricht. Zu hoffen ist, daß sich dieEffekte bei Mittelung uber große Flachen ausgleichen.

11.3 Unerwunschte aktinische Wirkung des Meßlichtes 109

11.3 Unerwunschte aktinische Wirkung des Meßlichtes

Mit den Verbesserungen aus Abschnitt 11.2 sollte nun die Messung aus Abbildung 11.3 soaussehen, daß die Kurven eines Blattes die gleiche Form haben und sich zu einer Hohe skalierenlassen. Doch leider wird sich zeigen, daß diese Verbesserungen bei lebenden Blattern noch nichtausreichen, weil das Meßlicht, trotz seiner vergleichsweise geringen Intensitat (bisher erfolgtenalle Messungen mit je 30 LEDs mit einer Gesamtintensitat von 12 µmol cm−2 s−2), selbst einenicht zu vernachlassigende aktinische Wirkung hat.

11.3.1 Aktinische Wirkung des Meßlichtes wahrend einer Umfahrt

Das Meßlicht sollte eigentlich so schwach sein, daß es keine aktinische Wirkung zeigt. Die folgen-den Versuche zeigen, daß das in den Vorversuchen verwendete Licht (12 µmol cm−2 s−2) zu hellist. Man konnte annehmen, daß das geringe Meßlicht nur eine schwache aktinische Wirkung hat,die wahrend einer Umfahrt um den Gleiskreis, die bei mittlerer Geschwindigkeit ungefahr 12Sekunden dauert, wieder abgeklungen sein sollte. Daß dies nicht der Fall ist, zeigt die folgendeMessung:

Abbildung 11.11: Aktinische Wirkung wahrend einer Umfahrt: Das Meßlicht alleine lost eine Verande-rung aus, die die aktinische Wirkung anzeigt. Die Messung erfolgte nur mit einemDetektor.

Es wurde der Raum verdunkelt und je ein Stuck Maisblatt auf Waggon 1 und 3 gelegt, fixiert und20 Minuten dunkeladaptiert. Am Detektor 1 waren alle 30 LEDs eingeschaltet, Detektor 2 mitLED-Kopf war nicht in Betrieb. Nach funf Umfahrten ergab sich das Bild aus Abbildung 11.11.Obwohl die Blatter als einziges Licht das des Detektors gesehen haben, steigt das Fluoreszenz-signal wahrend der Messung an, bis es bei ca. 30 Sekunden einen stationaren Zustand erreicht.Hatte das Meßlicht keine aktinische Wirkung, so hatte keine solche Veranderung stattfindendurfen, der Anfangswert ware konstant geblieben.

11.3.2 Reduktion der Meßlichtintensitat

Um die aktinische Wirkung des Meßlichtes zu beseitigen oder zumindest zu verringern, bietetsich eine Reduktion der Intensitat an, die allerdings nicht zu weit gehen darf, weil sonst dasRauschen zu stark wird.Zur Bestimmung des moglichen Bereichs wurde mit verschiedenen Lichtintensitaten gemessen,dabei ergaben sich die folgenden Großen:


• aktinische Wirkung : Das dunkeladaptierte Blatt wird, wie in Abschnitt 11.3.1 erlautert,herumgefahren und nur dem Meßlicht eines Detektors ausgesetzt. Aus den Messungen wirddas Verhaltnis aus der Differenz aus den Peak-Hohen der ersten und letzten Durchfahrtund der Hohe des letzten Peaks gebildet:

Vactin. =PeakEnde − PeakStart

PeakEnde(11.1)

• Rauschen: Es wurde je eine Messung von 30 Sekunden Lange durchgefuhrt, wahrend derZug unter dem Detektor stand und nur dem Meßlicht ausgesetzt war. Aus den Meßwertenwird der Mittelwert und die Standartabweichung berechet. Als Maß fur das Rauschenwird der Quotient aus Standardabweichung und Mittelwert ermittelt:

Vrausch =σR

MW(11.2)

Es ergaben sich die Werte fur die aktinische Wirkung der beiden verwendeten Blatter und furdas Rauschen in Abhangigkeit der Meßlichintensitat fur Detektor 1 in Tabelle 11.1 und furDetektor 2 in Tabelle 11.2. Da die verwendete Platine nur Gruppen von je 6 LEDs ansteuernkann, wurde fur die Einstellung ”1,5 LEDs“ eine Gruppe eingeschaltet und in ihrer Intensitatuber den Strom reduziert.

Tabelle 11.1: Messung der aktinischen Wirkung des Meßlichtes und des Rauschens bei verschiedenenLichtintensitaten. Detektor 1

Zahl LED ILED / µmol cm−2 s−2 Vactin. Blatt 1 Vactin. Blatt 2 Vrausch

1,5 0,4 2,9 % 3,0 % 15,4 %6 2,1 2,6 % 2,8 % 2,0 %12 4,4 11,0 % 11,3 % 0,8 %18 7,0 25,0 % 17,0 % 0,5 %

Tabelle 11.2: Messung der aktinischen Wirkung des Meßlichtes und des Rauschens bei verschiedenenLichtintensitaten. Detektor 2

Zahl LED ILED / µmol cm−2 s−2 Vactin. Blatt 1 Vactin. Blatt 2 Vrausch

1,5 0,5 1,1 % 2,2 % 1,59 %6 2,1 1,8 % 2,7 % 0,76 %12 4,4 4,8 % 6,5 % 0,69 %18 7,0 8,9 % 10,7 % 0,66 %

Der zweite Detektor liefert dabei wesentlich bessere Rauschwerte. Es ist also moglich, das Rau-schen so weit zu reduzieren. Nun kann man die aktinische Wirkung und das Rauschen uber derMeßlichtintensitat auftragen und erhalt die Darstellungen in Abbildung 11.12.Die Abbildung zeigt, daß eine Intensitat von 2 µmol cm−2 s−2 (6 LEDs) beide Bedingungenerfullt: Das Rauschen und die aktinische Wirkung des Meßlichtes sind hinreichend klein.

11.3.3 Aktinische Wirkung des Meßlichtes zwischen den Detektoren

Wie sich herausgestellte, hat das Blatt ein relativ langes ”Gedachtnis“ fur Licht. Schaut man sichnun den zeitlich kurzen Bereich an, wahrend der Zug die Strecke zwischen den beiden Detektorenpassiert, so sollte es auch in diesem Bereich eine Reaktion des Systems auf das Meßlicht geben.Die Reaktion auf das Licht ist nicht erstaunlich, denn die ganze Fluoreszenzmessung beruht auf


Abbildung 11.12: Aktinische Wirkung des Meßlichtes und Rauschen fur verschiedene Meßlichtinten-sitaten

solchen Effekten. Das Ziel ist hier vielmehr, eine Intensitat des Meßlichtes zu finden, die nichtmehr aktinisch wirkt.Der folgende Versuch zeigt die ”Kuriositat“ des Systems: Der Aufbau wurde ein wenig erweitert:Neben Detektor 2 wurde ein weiterer LED-Kopf installiert, der baugleich zu den anderen istund auch von der selben Platine angesteuert wird (siehe 6.1: Meßlicht: LED-Kopfe). DiesesLicht hat die gleiche Wirkung wie das Licht des anderen Detektors bei der Vorbeifahrt, wennseine Frequenz wie folgt eingestellt wird: Bei mittlerer Geschwindigkeit benotigt der Zug furdie Strecke zwischen den beiden Detektoren ca. 750 ms. Der dritte LED-Kopf wird deshalb miteiner Frequenz von

f3.Kopf =1T

=1

750ms= 1, 33 Hz (11.3)

angesteuert, so daß ein unter Detektor 2 stehender Waggon das gepulste Licht mit dem selbenzeitlichen Abstand sieht wie ein fahrender Zug die Meßlichter der beiden Detektoren.In dieser Messung war nur Detektor 2 eingeschaltet. Beide Lichter (das Meßlicht des Detek-tors und das niederfrequent gepulste) wurden mit der selben Zahl von LEDs betrieben. Dasstromfuhrende Gleis wurde so abgeklebt, daß der Zug genau mit dem ersten Waggon unterDetektor 2 zum Stehen kam. Nach einer Dunkeladaptionsphase wurde jeweils eine Messungdurchgefuhrt. Eine davon ist in Abbildung 11.13 zu sehen.Die obere Kurve (die zugehorige y-Achse ist rechts, obwohl deren Wert nicht von Belang ist)zeigt den Takt an, mit dem der dritte LED-Kopf arbeitet, die untere (y-Achse links) das Signalvom Detektor. Das Fluoreszenzsignal folgt dem getakteten Licht und fuhrt außerdem noch eineAnpassung durch, wie an der oberen oder unteren Einhullenden erkennbar.Um den Verlauf der Modulation durch das gepulste Licht besser beurteilen zu konnen, ist inAbbildung 11.14 ein Ausschnitt der obigen Abbildung vergroßert dargestellt. Hier wird deutlich,daß das Fluoreszenzsignal jeweils dem Pulslicht folgt. Allerdings ist es langsamer, so daß eskeinen stationaren Wert erreichen kann, bevor das Pulslicht wieder seinen Zustand andert.

11.3.4 Reduktion der Intensitat

Auch in diesem Falle bietet es sich an, wie schon im Abschnitt 11.3.2, die Intensitat des Meß-lichtes zu reduzieren und jeweils die Modulation durch das niederfrequent gepulste Meßlicht zuerrechnen. Diese ergibt sich aus den in der Abbildung 11.14 eingezeichneten Großen nach

Modulation = Foben − Funten (11.4)

Mit verschiedenen Intensitaten, die fur das Meßlicht und das Pulslicht jeweils gleich hell waren,wurde 30 Sekunden lang bei stehendem Zug gemessen. Aus jeder Messung wurde an funf Stellendie Modulation des Yield-Signales ermittelt. Die Tabelle 11.3 zeigt jeweils die mit Gleichung


Abbildung 11.13: Aktinische Wirkung zwischen den Detektoren: Ein unter Detektor 2 stehender Wag-gon wird zusatzlich zum Meßlicht mit gepulsten LEDs (1,3 Hz) beleuchtet (dessenSignal zeigt die obere Kurve an). Die Pflanze reagiert deutlich darauf (untere Kur-ve).

11.4 errechneten Werte (Mittelwerte uber funf Meßstellen) und das Verhaltnis dieses Werteszu Foben. Dabei war besonders bei der ersten Reihe die Bestimmung wegen des sehr starkenRauschens nur bedingt moglich:

Tabelle 11.3: Abhangigkeit der Modulation des Fluoreszenz-Yield-Signales von der Lichtintensitat mitder Nebenbedingung, daß das Meßlicht gleich hell war wie das niederfrequent gepulsteLicht. Das Verhaltnis ist der Quotient aus Modulation zur Hohe des Signals. (Die Mes-sung aus Abbildung 11.13 stammt aus einer anderen Serie, weshalb die Werte nicht ver-gleichbar sind.)

Zahl LED ILED / µmol cm−2 s−2 Modulation Verhaltnis1,5 0,5 0,13 7,1 %6 2,1 0,18 7,1 %12 4,4 0,187 8,1 %18 7,0 0,12 7,6 %

Bei Betrachtung der Werte kann man annehmen, daß diese konstant sind. Hieraus kann manschließen, daß es in dem System ”Pflanze“ einen Verstarkungsfaktor gibt, der an das Lichtangepaßt wird, als ob die Kennlinie logarithmisch ist. Dann wurde namlich gelten:

Amplitude = ln aI0 − ln bI0 = lnaI0

bI0= ln

a

b(11.5)

Damit ware die Modulation nur noch vom Quotienten der Intenstitaten der beiden Lichter(Meß- und Pulslicht) abhangig. Da diese aber jeweils auf gleiche Intensitat eingestellt wurden,war der Quotient konstant, was ja auch gemessen wurde.Dieser Zusammenhang ist an sich nicht gerade gunstig fur den Meßaufbau, da das Meßlicht nichtaktinisch wirken soll. Aber mit einer Uberlegung, warum dies so ist, erscheinen die Effekte nichtmehr schwerwiegend.Die Pflanze paßt sich an aktinisches Licht an:

Lakt. −→∆F

∆IM(11.6)

11.4 Auswirkungen auf die weiteren Messungen 113

Abbildung 11.14: Aktinische Wirkung zwischen den Detektoren: Ausschnitt aus Abbildung 11.13.Oben: Pulstakt, Unten: Detektorsignal. Der ”Verstarkungsfaktor“ der Pflanze furdas Meßlicht folgt immer dem eingestellten aktinischen Licht nach.

mit F : FluoreszenzIM : Intensitat des modulierten Lichtes

Im obigen Versuch in 11.3.3 wurde die Modulation dieses Quotienten gezeigt. Im letzten Versuchergab sich dann aber, daß die Pflanze uber eine Regelung fur den Fluß in die Photochemieverfugen muß. Dann ergibt sich hierfur (siehe auch Kapitel 3):

Φp =kp

kp + kt + kfI = V I (11.7)

mit Φp: Fluß in das Photosystemkp: Ratenkonstante fur die Photochemiekt: Ratenkonstante fur die Thermikkf : Ratenkonstante fur die FluoreszenzI: Intentsitat des Lichtes

Die oben genannte Verstarkungsregelung kann so geschehen, daß zum Beispiel durch Nachstel-lung von kt (thermische Deaktivierung) der Fluß auf gleiche Große eingestellt wird.Die obige Messung stellt allerdings nur eine Besonderheit dar, denn im Feld ist die IntensitatIM des modulierten Lichtes konstant (die Meßlichter sind immer gleich hell). Dann wird ∆F

∆IM

durch zwei Großen bestimmt:

• Halogenlampe als ”echtes“ aktinisches Licht und

• Detektormeßlichter als ”unerwunschtes“ aktinisches Licht.

Vergleicht man nun diese beiden, so kann die Wirkung des Detektorlichtes vernachlassigt werden,wenn gilt:

WirkungMeßlicht < WirkungHalogenlicht (11.8)

Man kann also die Modulation durch die Vorbeifahrt an den Detektoren nicht allein durchAbsenken der Meßlichtintensitat verringern, sondern die Einstellung des Verstarkungsfaktorskann nur durch ein drittes Licht geschehen, in diesem Fall das Halogenlicht.

11.4 Auswirkungen auf die weiteren Messungen

Als Konsequenz der Messungen aus diesem Kapitel sollte folgendermaßen verfahren werden:

11.4 Auswirkungen auf die weiteren Messungen 114

• Die Große der Blatter sollte moglichst hoch sein (die Abmessungen der Waggons stel-len hier naturlich ein Limit dar), um Effekte der verschiedenen Abbildungsgroßen derDetektoren zu verringern.

• Die Blatter sollten moglichst plan fixiert sein, um schiefe Flachen zu vermeiden, die auf-grund der Optiken anders ”gesehen“ werden.

• Die Intensitat des Meßlichtes sollte auf 2 µmol cm−2 s−2 (sechs LEDs) reduziert werden,um eine aktinische Wirkung zu vermeiden.

Der Vollstandigkeit halber soll hier noch einmal eine Messung gezeigt werden, die bei den Versu-chen in Abschnitt 11.3.2 herauskam, wenn die Intensitat, wie vorgeschlagen, auf 6 Leuchtdiodenverringert wurde. Eine solche Fahrt mit nur einem eingeschalteten Detektor und zwei BlatternMais auf Waggon 1 und 3 findet sich in Abbildung 11.15, man erkennt keine aktinische Wirkungmehr, alle Peaks des selben Blattes sind in etwa gleich hoch.

Abbildung 11.15: Fahrt ohne aktinische Wirkung. Die einzige Lichtquelle, das Detektormeßlicht, istsoweit reduziert (2,1 µmol cm−2 s−2), daß es nicht mehr aktinisch wirkt.

Kapitel 12

Kinetik-Messungen

12.1 Grundlagen

Das Ziel des Meßaufbaus war es, ein System zu entwickeln, daß in der Lage ist, von einemfahrenden Fahrzeug aus eine Induktionskinetik-Kurve zu messen, wie in Abbildung 3.4 auf Seite11 gezeigt. Um eine solche Kurve nachbilden zu konnen, sollte eine große Zahl von Detektorenverwendet werden, um moglichst viele Stutzstellen zu bekommen.Im verwendeten Versuchsaufbau standen aber nur zwei Detektorsysteme mit den dazugehori-gen Geraten (Korrelatoren, LED-Kopfe, AD-Wandler-Kanale) zur Verfugung. Da dies fur dieMessungen nicht ausreicht, wurde eine großere Detektoranzahl simuliert: Fahrt man mehrereMale mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Anordnung, so nehmen die beiden vor-handenen Detektoren jeweils verschiedene Zeitpunkte der Kinetik-Kurve auf. Bei geschickterWahl der Geschwindigkeiten passieren die Blatter die Meßstellen immer zu einer anderen Zeit(nach Beginn des aktinischen Lichtes), und man kann diese dann zu einer einzigen Fahrt mitwesentlich mehr Punkten zusammenbauen.

12.2 Ablauf einer Kinetikmessung

Fur die Messung einer Durchfahrt wird nun auch das in Abschnitt 8.2.3 genannte Halogenlichtverwendet. Dies soll als aktinisches Licht dienen und in den Blattern wahrend der Vorbeifahrteine Reaktion induzieren. Diese Lampen haben eine Intensitat von

IHalogen = 4000 . . . 5000 µmol . (12.1)

Die Intensitat des Meßlichtes wurde, wie in 11.4 beschrieben, auf sechs LEDs (=2, 0 µmol)reduziert, und die Blatter wurden mit Glasplatten auf den Waggons fixiert.Eine Messung gliedert sich in die folgenden Abschnitte:

• Dunkeladaption: Um Einflusse der Vorgeschichte auszuschließen, wurde eine Phase vonmindestens zehn Minuten ohne Licht abgewartet. Das Labor war zu diesem Zweck unddie ganze Messung uber abgedunkelt (bis auf das Meßlicht und das zeitweise zugeschalteteHalogenlicht).

• Fahrt ohne Halogenlicht : Zu Beginn jeder der 60 Sekunden dauernden Messungen fuhr derZug mit den Pflanzen einmal unter den Detektoren hindurch, ohne daß das Halogenlichteingeschaltet war. Dies dient dazu, ein Signal ohne variable Einflusse durch die Photosyn-theseprozesse zu bekommen, um die Signale auf gleiche Hohe normieren zu konnen.

• Meßfahrt : Hatte der Zug die erste Runde vollendet, fuhr er ohne anzuhalten weiter, wo-bei das Halogenlicht automatisch eingeschaltet wurde. Hatte der Zug das Licht und dieDetektoren passiert, so wurde das Licht wieder ausgeschaltet und blieb dies auch fur denRest der Meßfahrt.

12.3 Steuerung des Halogenlichtes 116

12.3 Steuerung des Halogenlichtes

Fur die Steuerung des Halogenlichtes wurde das Zeitschema aus Tabelle 12.1 verwendet.

Tabelle 12.1: Zeitschema fur die Steuerung des Halogenlichtes.

Geschwindigkeit Trafo-Einstellung Dauer Dunkel Dauer Lichtsehr langsam 50 17,0 s 12 s

langsam 75 11,0 s 8 smittel 100 8,5 s 7 s

schneller 125 6,0 s 6 sschnell 150 5,5 s 5 s

sehr schnell max. 5,0 s 5 s

Bei Geschwindigkeit ”langsam“ wurde also 11 Sekunden nach Beginn der Messung das Lichteingeschaltet und blieb dann bis zur 19. Sekunde an. Der Start der Messung wurde manuelldurchgefuhrt zu dem Zeitpunkt, wenn der Zug die Lampenstrecke passierte. Die Zeiten ergabensich aus der Notwendigkeit, daß das Licht bereits eingeschaltet ist, wenn der erste Waggon in denBereich der Lampen kommt, und erst dann wieder ausgeschaltet wird, wenn der letzte Waggonden Bereich der Detektoren verlassen hat, weil es sonst zu starken Storungen der Messunggekommen ware (siehe 8.2.4).

12.4 Eine Durchfahrt

Waggon 1 wurde mit einem Stuck Maisblatt beladen und auf die Strecke geschickt. Eine derMessungen mit langsamer Geschwindigkeit ist in Abbildung 12.1 zu sehen.

Abbildung 12.1: Eine langsame Meßfahrt mit Halogenlicht (von 11 bis 19 s), schneller Anstieg undlangsamer Abfall der Kurve bilden in etwa eine Induktionskinetik-Kurve.

Es sind die folgenden Abschnitte in der Messung zu erkennen:

0 – 11 s Das Halogenlicht ist ausgeschaltet. Der Zug passiert einmal die Detektoren.

11 – 14 s Die Lampen sind an. Das Streulicht stort den Detektor 1. Dies wird erstbesser, wenn der erste Wagen (die Lok) in seinen Bereich kommt.

12.5 Aufnahme einer Kinetik-Kurve 117

14 – 19 s Halogenlicht ist weiter an.

19 – 22 s Das Licht ist ausgeschaltet, aber der Detektor 1 braucht noch diese Zeit,um sich zu ”beruhigen“

22 – 60 s Der Rest der Messung erfolgt bei ausgeschaltetem Licht.

Im Bereich vor dem Einschalten des Lichtes ist die Fluoreszenz wesentlich geringer. Nachdem diePflanze den Halogenlampen ausgesetzt worden ist, steigt die Fluoreszenz deutlich an und falltdann langsam wieder ab; bei Betrachtung der Einhullenden der Meßkurven wird dies deutlich.

12.5 Aufnahme einer Kinetik-Kurve

Wie bereits oben beschrieben, sollten mehrere Messungen bei verschiedenen Geschwindigkeitenzu einer Gesamtmessung zusammengesetzt werden, um so die zu geringe Zahl von Detektorenauszugleichen.Alle Fahrten fanden unter den gleichen Bedingungen statt, wie unter Abschnitt 12.3 und 12.4beschrieben. Die Steuerung des Halogenlichtes und die Wahl der Geschwindigkeiten erfolgtemit Hilfe der dort angegebenen Tabelle. Auf diese Art und Weise kamen sechs verschiedeneMeßkurven zu stande (die Messung aus Abbildung 12.1 ist bereits eine davon). Im Gegensatzzu den bisherigen Messungen wurden die in diesem Abschnitt erfolgten nicht mit allen vierWaggons durchgefuhrt, sondern der Zug bestand nur aus der Lok und einem Waggon, weilsonst die Lok nicht in der Lage gewesen ware, die hohen und niedrigen Geschwindigkeiten zuerreichen.Alle Messungen wurden nun derart skaliert, daß die beiden ersten Peaks einer Messung, dievon je einem Detektor stammen und aus dem Bereich vor dem Einschalten des Halogenlichteskommen, gleich hoch sind.Um nun die gewunschte Kinetikkurve zu erhalten, mußten die einzelnen Messungen noch zu-sammengebaut werden.

12.5.1 Zusammenbau der Messungen

Da der Start der Messung nie exakt der selbe war (per Hand gestartet) und auch die Ge-schwindigkeit des Zuges und damit die Fahrtzeit bis zum Erreichen der (dann eingeschalteten)Lampen differierte, war es notig, die einzelnen Meßkurven zeitlich so zu verschieben, daß diesezusammenpassen.Das Kriterium dabei war, daß der Zeitpunkt beim Passieren des aktinischen Lichtes den Startmarkiert, da danach die Daten von Interesse auftreten und der zeitliche Ablauf gesucht wird. DasSignal zur Synchronisierung der Messungen liefert dazu die Startlichtschranke (siehe Abschnitt8.2.2), die sich direkt hinter den Lampen befindet und genau dann ein Signal gibt, wenn einWaggon die Lampen passiert hat. Einen Auschnitt aus einer Signalkurve findet sich in Abbildung12.2, in der man jeden einzelnen Waggon erkennen kann.Dieses Zeitsignal kann nun zur Synchronisation der Messungen verwendet werden, indem alleMessungen so verschoben werden, daß das jeweilige Lichtschrankensignal die Zeit ”0 s“ markiert,wenn der erste Waggon die Lampen passiert hat. Hier wird naturlich die zweite Durchfahrt(wenn das Halogenlicht bereits angeschaltet ist) verwendet. Die erste ohne Licht verschwindetdabei vollig, da sie nur der Skalierung diente und keine Kinetik zeigte.

12.5.2 Eine Kinetik-Kurve

Legt man nun die sechs Messungen wie beschrieben zusammen, so bekommt man das Bild inAbbildung 12.3. Hier erkennt man, wenn man die Spitzen der Peaks verbindet, die gewunschteInduktionskurve (vergleiche Abbildung 3.4).

12.6 Messung einer Kinetik-Kurve an kranken Pflanzen 118

Abbildung 12.2: Ausschnitt aus der Meßkurve der Startlichtschranke fur die Lok und einen Waggon.Die Abschnitte mit Wert 0 kennzeichen das Passieren der beiden Einheiten. Die Vor-derkante der Lok ist uneben und fuhrt zu der ”rauschigen“ Einschaltflanke.

12.6 Messung einer Kinetik-Kurve an kranken Pflanzen

Zum Abschluß sollten nun mit dem in diesem Kapitel beschriebenen Verfahren Kinetik-Kurvenvon gesunden und kranken Pflanzen gemessen werden, um aufzeigen zu konnen, ob es hiererkennbare Unterschiede gibt.Als Pflanze wurde hier wie im Kapitel 5 Weizen verwendet, weil dieser sowohl gesund als auchkrank zu bekommen war. Die Pflanzen waren im Klimaschrank aufgezogen und 8 Wochen vorder Messung mit Septoria Tritici infiziert worden.Es wurden nun mit dem im Abschnitt 12.5 beschriebenen Verfahren drei Kinetik-Kurven auf-genommen von Pflanzen mit dem folgenden Zustand:

• Gesunde Pflanzen, die optisch einwandfrei und nicht infiziert worden waren.

• Kranke Pflanzen, die mit Septoria Tritici infiziert worden waren und bei denen die Krank-heit sichtbar ausgebrochen war. Die Blatter waren mindestens zur Halfte braun.

• Infizierte Pflanzen, die mit Septoria Tritici infiziert worden waren, die aber optisch nocheinwandfrei waren. Nur leichte braune Spitzen aufgrund von Wassermangel wahrend desTransportes waren erkennbar. Auch hier gilt wie im Abschnitt 5.4.3 (Boniturdaten), daßeine sichere Infizierung nur durch eine mikroskopische Bonitur festgestellt werden kann,was hier aber nicht stattfand.

Von jeder dieser Gruppen wurden jeweils vier Blatter mit Abmessungen ca. 10 mm x 140 mm aufden ersten Waggon gelegt, mit Plexiglas fixiert und bei funf verschiedenen Geschwindigkeiten (75bis ”max“) nach der Tabelle 12.1 und den dort angegebenen Belichtungszeiten herumgefahren.

12.6.1 Ergebnisse

Aus den Messungen mit verschiedenen Geschwindigkeiten wurden wieder Kinetik-Kurven zu-sammengesetzt, wie in Abschnitt 12.5.1 beschrieben. Diese befinden sich in Abbildung 12.4.Ganz oben die gesunden Blatter, in der Mitte die infizierten, aber optisch gesunden Blatter undganz unten die kranken Blatter.Die Lucke zwischen 3 und 8 s konnte nicht gefullt werden, da der Zug die entsprechendenGeschwindigkeiten nicht einnehmen wollte.


Abbildung 12.3: Kinetik-Kurve aus sechs Einzelmessungen bei verschiedenen Geschwindigkeiten zu-sammengesetzt. Die Einhullende auf den Spitzen ergibt die gewunschte Kurve.

Auch hier stellen wieder die oberen Spitzen der Peaks die zu messende Kurve dar. Vergleichtman die drei Messungen miteinander, so kann man feststellen, daß sich sehr wohl Unterschiedezwischen kranken und gesunden Pflanzen ergeben: Im Bereich bis 5 Sekunden zeigt der gesundeWeizen (A) einen steileren Abfall als die beiden kranken (B, C).Hieraus kann man zum einen schließen, daß es mit einer solchen Messung prinzipiell moglichist, kranke und gesunde Pflanzen voneinander zu unterscheiden. Zum anderen verhalten sichmit Septoria Tritici infizierte Weizenblatter, bei denen die Krankheit noch nicht sichtbar aus-gebrochen ist, eher wie kranke als wie gesunde, was eine gewunschte Fruherkennung (Abschnitt5.1) ermoglichen wurde.


Abbildung 12.4: Zusammengebaute Kinetik-Messungen mit Weizenblattern, die zum Teil mit SeptoriaTritici infiziert wurden. A: gesunde Blatter, B: Infizierte, aber optisch gesunde Blatter,C: kranke Blatter

Kapitel 13

Fazit und Ausblick

Die vorliegende Arbeit hat gezeigt, daß die in der Einleitung umrissene Problemstellung desBiomonitorings uber Chlorophyll-Fluoreszenz-Messung vom fahrenden Trecker prinzipiell gelostwerden kann. Auf dem Weg zur Produktreife eines solchen Systems sind aber noch einige Pro-bleme zu bewaltigen.

Meßtechnik

Die Untersuchungen dieser Arbeit haben gezeigt, daß meßtechnische Detailprobleme den Wegzum Feldeinsatz teilweise noch schwierig gestalten konnen: die Justierung von Fluoreszenz-und Reflexionsmeßkopf und die Zusammenlegung der Spuren der einzelnen Detektoren. Zumersten Problem ist zu sagen, daß ohne den Zeitdruck einer Diplomarbeit sicher ein eigens inder Werkstatt angefertigter Meßkopf mit Strahlteiler und guten Justiervorrichtungen fur diebeiden Detektoren eine erhebliche Verbesserung bringen kann. Dafur kann durch das Wackelndes Treckers auf dem unebenen Ackerboden und durch Windbewegung sich der Blickwinkelauf die Pflanzen aber standig andern, so daß die Anforderungen an die Justage im Vergleichzum Laboraufbau mit der Eisenbahn erheblich hoher werden. Es ist zu hoffen, daß bei einerMittelung uber ein langeres Pflanzenareal, dessen Große vom Ausbreitungsbereich des Pilzesabhangt, die Fehler am Einzelblatt an Bedeutung verlieren. Moglicherweise muß aber zu einersehr viel teureren Bildverarbeitung mit CCD-Kameras ubergegangen werden, die nicht nur denMittelwert der Fluoreszenzsignale des Detektorblickfeldes liefern, sondern ortsaufgelost einzelnePflanzen oder Blatter erfassen konnen. Hier mußte dann eine Bildverarbeitung mit Musterer-kennung das Zusammenlegen der Bilder bewerkstelligen, was allerdings eine wesentlich hohereAnforderung an die Computerleistung mit sich bringt.Auch wurde sich bei diesem Ansatz das Abstandsproblem eleganter losen lassen, da bei passen-der Einstellung des Blickfeldes der Kameras sich neben den vom Meßlicht beleuchteten Gebietenauch unbeleuchtete finden lassen, die damit keinen variablen Fluoreszenzanteil zeigen und sichzur Normierung eignen.Es ware allerdings notig, schnelle Kameras einzusetzen, um ein Yield-Signal (1 kHz) erfassenzu konnen. Hierzu sind normale Videokameras mit 25 Bilder pro Sekunde nicht geeignet. Da esaber auch hinreichend schnelle Bildaufnehmer gibt, der ”Rekord“ liegt momentan bei ungefahr12.000 Bildern pro Sekunde, ist es sicherlich nur eine Frage der Zeit, wann geeignete Kameras beisinnvollem finanziellen Aufwand verfugbar sind. Dies gilt auch fur die benotigte Rechenleistung,die sich im Vergleich zu der in dieser Arbeit gezeigten eindimensionalen Kreuzkorrelationsfunk-tion noch stark steigern muß. Berucksichtigt man aber die Steigerung der Prozessorleistung (dieTaktrate ”bezahlbarer“ Prozessoren stieg wahrend der Zeit dieser Diplomarbeit etwa um denFaktor 1,6, was ungefahr dem Moore’schen Gesetz entspricht), so sollte dies kein unlosbaresProblem sein.

13 Fazit und Ausblick 122

Software

Die vorgestellte Software ist in der Lage, das Zusammenlegen der Meßspuren der einzelnenDetektoren zu leisten. Im Feldeinsatz ist allerdings bei einem geschlossenen Blatterdach damitzu rechnen, daß die Variationen im Fluoreszenzsignal sehr gering werden. Moglicherweise erzeugtdas Wippen des Traktors (wenn es nicht durch die Reflexionsmessung kompensiert wird) großereSchwankungen im Signal als die individuelle Pflanze. Dieses Problem verliert aber dadurch anBedeutung, daß bei konstantem Signal eine unprazise Verschiebungskorrektur keine Rolle spielt,wenn die Integrale uber langere Fluoreszenzspuren vergleichen werden. Aber auch hier bietetdie Kamera-Losung sicher Vorteile.

Messungen an erkrankten Weizenpflanzen

Das ganze Verfahren hangt naturlich an der Frage, ob die Chlorophyll-Fluoreszenz uberhauptAuskunft uber den Pilzbefall geben kann. Hier geben die Untersuchungen der Arbeit eine posi-tive Auskunft. Die anfangliche Enttauschung, daß die als infiziert gelieferten Pflanzen bei denersten Messungen mit F0- und FM -Bestimmung keine Unterschiede zu gesunden zeigten, ver-wandelt sich in eine positive Aussage, als sich herausstellte, daß die Pflanzen nicht infiziertwaren, insbesondere im Licht der nachsten Meßreihe mit Pflanzen vom Feld, in denen bereitseine Schadigung auch an grunen Blattstellen infizierter Pflanzen sichtbar wurde. Der Vergleichder hierbei ermittelten Kriterien fur eine Entscheidung ”gesund“ oder ”krank“ mit den Wertender gezuchteten Pflanzen zeigt aber, daß diese Kriterien bestandsabhangig sind. Die Ursachehierfur ist, daß die Fluoreszenz prinzipiell von vielen verschiedenen Parametern auf dem Feldoder im Labor abhangig ist wie der Stickstoff-Versorgung, Trockenheit, Lichtvorbehandlungusw. Dies ist fur den Feldeinsatz kein grundsatzliches Problem, wenn auf dem Feld gesunde undkranke Pflanzen vorhanden sind, die eine lokale Kalibrierung ermoglichen.Ein Problem ist die Lange der Kautsky-Kinetik (ca. 8 s). Bei 6 m/s mußte der Detektorhalter48 m lang sein, oder der Traktor mußte sehr langsam fahren. Alternativ kann ein Detektor vorder Lampe plaziert werden und einige danach, ersterer erfaßt dann das Signal im ”steady-state“nach langen Meßzeiten.Der Abschluß dieser Arbeit ist auf jeden Fall ermutigend, insofern, als namlich die aus den De-tektorspuren punktweise zusammengesetzten Induktionskurven wie die F0- und FM -Messungendie Unterscheidung von gesunden und kranken Pflanzen erlaubt. Die geringere Dynamik auf denInduktionskurven befallener Pflanzen zeigt die Schwachung der Quenching-Mechanismen. Auchhier ist weiterer Forschungsbedarf angezeigt, denn diese ersten Messungen klaren nicht, ob die-se Schwachung die photochemische Aktivitat oder die Schutzmechanismen (energy quenching)betrifft. Somit eroffnet diese Arbeit ein weites Feld fur zukunftige Untersuchungen.

Kapitel 14

Zusammenfassung

In dieser Arbeit sollte untersucht werden, inwieweit es moglich ist, von einem fahrenden Fahr-zeug aus Chlorophyll-Fluoreszenz zu messen und aus den Signalen krankheitsbedingte Schadi-gungen an den Pflanzen zu detektieren. Die Erkenntnisse sollen die Voraussetzungen fur dieEntwicklung eines Meßverfahrens zum Biomonitoring liefern. Die durchgefuhrten Untersuchun-gen gliedern sich in mehrere Teile:

• Mit Standardmeßverfahren an erkrankten Weizenpflanzen nach charakteristischen Ande-rungen der Signale suchen, um ein Kriterium fur die Zustandsbewertung zu bekommen.

• Einen Meßaufbau entwickeln zur Erfassung von Chlorophyll-Fluoreszenz aus der Hoheund bei wechselnden vertikalen Abstanden des horizontal unbewegten Meßobjektes.

• Den Aufbau erweitern, um bewegte Messungen durchfuhren zu konnen.

• Fur die Aufbereitung und Auswertung der Meßdaten Software entwickeln.

• Von gesunden und kranken Pflanzen Kinetik-Kurven messen und auf die Eignung desVerfahrens zum Biomonitoring prufen.

Voruntersuchungen an erkrankten Weizenpflanzen

Fur die Frage, ob Chlorophyll-Fluoreszenz uberhaupt Auskunft uber einen Pilzbefall von Feld-fruchten Auskunft geben kann, wurden Fluoreszenzmessungen sowohl mit dem zum Standardgewordenen PAM-Gerat als auch mit der in der Arbeitsgruppe entwickelten FC-Maschine mitHilfe der Sattigungsblitzmethode durchgefuhrt. Exemplarisch wurde der Befall mit dem PilzSeptoria Tritici ausgewahlt. Inbesondere ging es darum, ob schon wahrend der sehr langenLatenzzeit, also in der ”unsichtbaren“ Phase, Anzeichen eines Befalls gefunden werden konnen.In der ersten Charge von eigens gezuchteten und infizierten Pflanzen ließen sich keine Er-kennungsmerkmale finden. Dieses scheinbare Negativergebnis verkehrte sich allerdings in einpositives, denn die anschließende Bonitur der untersuchten Blatter zeigte, daß die Infektionwirkungslos geblieben war. In der zweiten Meßreihe mit Weizenpflanzen vom Feld hingegen,bei denen auf manchen Blattern bereits Schadigungen durch Septoria Tritici sichtbar waren,zeigten sich in den Induktionskinetiken erkennbare Unterschiede. In den erfaßten ParamternFM/F0, qp, F −F0 bei der PAM und φ0/φM, φ0−φ bei den FC-Messungen konnten Grenzwertefestgelegt werden, die eine Aussage ”gesund“ oder ”krank“ erlaubten.

Aufbau zur Messung der Fluoreszenz aus der Hohe

Durch die Benutzung von blauen statt roten LEDs konnte die starke Uberlappung der Spektrendes Meßlichtes und des Fluoreszenzlichtes vermieden werden. Die dadurch sehr viel wenigerstarke Filterung vor dem Fluoreszenzdetektor ließ viel mehr Fluoreszenzlicht durch, so daß 3bis 6 LEDs ausreichten, um in 1 m Abstand von den Pflanzen gute Fluoreszenzsignale zu erzeu-gen. Das Problem des durch das Wippen des Traktors variablen Abstandes zwischen Pflanze


und verschiedenen Detektoren konnte durch simultane Reflexionsmessungen uberwunden wer-den. Das von der Pflanze gestreute blaue Anregungslicht wurde mit einem zweiten Detektorgemessen. Als zentrale Schwierigkeit stellte sich dabei die Messung von Fluoreszenzlicht undreflektiertem Licht unter identischen Bedingungen hinsichtlich Abstrahlungswinkel vom Blattund Abbildung auf der Photodiode dar. Die Benutzung eines Strahlteilers war unabdingbar,doch auch hier war eine sorgfaltige Justage der Bilder auf der Detektorflache erforderlich. DieKontrolle der Abbildungen fand mit einer Digitalkamera statt. Fur die Justage erwies sich derEinsatz von Mattscheiben und Lochblenden vor den Detektoren als am zuverlassigsten.

Bewegte Messungen

Da aus raumlichen Grunden der Einsatz eines Traktors im Labor nicht in Frage kam, wurden dieDetektoren ortsfest montiert und die Pflanzen mit Hilfe einer elektrischen Eisenbahn darunterhindurch gefahren. Modulation der Meßlichter der jeweiligen Detektorstrecken mit verschiede-nen Frequenzen verhinderte eine gegenseitige Storung durch Streulicht. Um Induktionskinetikenmessen zu konnen, wurden als aktinische Lichtquellen Halogenlampen uber der Gleisstrecke vordem Detektorbereich montiert. Allerdings mußte das starke Licht gut gegenuber der Detektor-einheit abgeschirmt werden, weil es sonst zu massiven Ubersteuerungen kam.Ein weiteres Problem entstand dadurch, daß das Meßlicht selbst, obwohl seine Intensitat imVergleich zu den Halogenlampen gering war, eine nachweisbare aktinische Wirkung zeigte. Dieseließ sich durch Reduktion der Zahl der blauen LEDS von anfangs 30 auf 3 bis 6 in ausreichendemMaße minimieren.Große Sorgfalt muß man bei den Detektoren und deren Optiken walten lassen, da unterschiedli-che Blickwinkel und Abbildungsmaßstabe bei kleineren oder nicht plan fixierten Blattern schnellAbweichungen ergeben.

Software zur Datenaufbereitung

Die Auswertung der Daten geschah mit Labview als Programmierungswerkzeug, genauso wie dieSimulation von Zeitreihen, die im Teststadium zur Erprobung der Auswertesoftware eingesetztwurde. Die Software hatte die Aufgabe zu erfullen, zum einen die Meßdaten aufzunehmen unddas aktinische Licht zu steuern. Zum anderen mußten aus den Datenspuren von den hinterein-ander angeordneten Detektoren diejenigen Datenpunkte herausgesucht werden, die zur selbenPflanze, aber zu einem anderen Zeitpunkt der Kinetikkurve gehorten.Diese Zusammenlegung der Meßspuren erfolgte mit Hilfe der Maximumssuche fur die Kreuz-korrelationsfunktion der Spuren. Aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit von Blatternund der begrenzten Ausschnitte aus einer langeren Zeitreihe reicht das Kriterium des globalenMaximums nicht aus. Abhilfe schafft hier eine lokale Suche um einen Startpunkt herum, dersich aus der Geschwindigkeitsmessung durch Lichtschranken neben der Strecke ergab (DieseFunktion ubernimmt spater der Tacho im Trecker). Trotzdem ergibt sich ein verhaltnismaßigunruhiger Zeitverlauf bei stark schwankenden Zugeschwindigkeiten fur die pro Meßpunkt anzu-wendende Verschiebungszeit. Es wurde mehrere Mittelungsverfahren erprobt, um einen Kom-promiß zwischen Peakverschiebung und Peakverformung zu finden. Die Feinanalyse, die eineerneute Berechnung der KKF in einem um den aktuellen Zeitpunkt herum zentrierten Fensterdurchfuhrte, wobei der durch online KKF-Berechnung ermittelten Wert verwendet wurde, er-gab befriedigende Losungen, zumal im Feld spater sowieso uber großere Meßstrecken gemitteltwerden wird.

Kinetik-Messungen an gesunden und kranken Pflanzen

Die Eignung der entwickelten Verfahren und ihrer Software-Implementierung fur die Anwen-dung beim Biomonitoring wurden wieder bei mit Septoria Tritici befallene Pflanzen vom Feldgepruft. Die Induktionskurven der Blatter konnten an mehreren Zeitpunkten mit nur zwei De-


tektorstrecken abgetastet werden. Dazu fuhr der Zug zuerst bei eingeschaltetem Anregungslicht(Halgenlampen) durch die Strecke und danach mehrfach bei verschiedenen Geschwindigkeitenund abgeschalteten Halogenlampen unter den Detektoren hindurch. Die uber die Kreuzkorrelati-onsfunktionen zusammengelegten Meßkurven zeigten gut den Verlauf der Induktionskinetik. DerVergleich der Kinetiken von kranken und gesunden Blattern brachte deutliche Unterschiede zu-tage. Besonders interessant waren in diesem Zusammenhang die Ergebnisse bei noch vollstandiggrunen Stellen an erkrankten Blattern, welche nach dem Krankheitsverlauf von Septoria Triticibereits ebenfalls latent erkrankt waren. Die Auswertung der Meßkurven ergab bereits Verande-rungen gegenuber gesunden Blattern und ordnet diese Blattstellen bei den kranken Pflanzenein.Es ist also moglich, anhand der vom Fahrzeug aufgenommenen Kinetik-Kurven gesunde vonkranken Blattern zu unterscheiden, wobei latent erkrankte ebenfalls zu den kranken gezahltwerden konnen.

Anhang A: Labview 126

Anhang A

Labview

Im Gegensatz zum Abschnitt 9.7 findet sich in der folgenden Grafik A.1 das vollstandige Pro-gramm KKF-Online.vi. Die unter das eigentliche Programm gezeichneten Kasten mit Pfeilensind die anderen Falle der Fallunterscheidungen, die sich durch Umschaltung an den kleinenPfeilen oben in den Kasten ergeben.

Variablentypen - Die Farben in Labview

Anhand der Grafiken wird folgende Verwendung von Farben als Kennzeichnung des Darstel-lungstyps der Variablen deutlich: Integer-Werte sind durch blaue Linien gekennzeichnet. AuchKonstanten und Schieberegister dieses Typs sind blau. Orange Linien kennzeichnet Gleitkomma-zahlen (float). Alle Booleschen Variablen sind grun dargestellt. Damit sind auch alle Ergebnissevon Vergleichsoperationen und die meisten Eingange von Fallunterscheidungen grun (Labviewerlaubt auch Fallunterscheidungen, die mehr als zwei Alternativen haben). Mit dieser Kenn-zeichnung ist allerdings nichts uber die Lange der Darstellung gesagt, ob es sich zum Beispielum Gleitkommazahlen einfacher oder doppelter Genauigkeit handelt. Diese ergibt sich aus ent-sprechend eingefuhrten Konstanten oder Bedienelementen, bei denen dies explizit einstellbarist.

Beschreibung von KKF-Online.vi

Zusatzlich zu dem im Abschnitt 9.7 zur Funktionsweise von KKF-Online.vi Gesagten, kann derGrafik A.1 die folgende Funktionsweise entnommen werden:Der große Rahmen außen herum ist eine sogenannte Sequenz. Diese erlaubt eine Hintereinan-derausfuhrung von Programmteilen. Im ersten, hier nicht gezeigten Rahmen werden die neuenMeßdaten verarbeitet.Die nachsten beiden Schleifen (weißer und grauer Rahmen) laufen uber alle Detektoren. DieAbfrage in der inneren der beiden links in der Mitte stellt sicher, daß die folgende Fallunter-scheidung (weißer Kasten) nur dann ausgefuhrt wird, wenn die Nummer des ersten Detektorsgroßer oder gleich der des zweiten ist, um doppelte Berechnungen zu vermeiden. Das ArrayFullstand ganz links enthalt zu jeder Detektorspur die Information vor, wie viele Daten be-reits aufgenommen wurden, damit nicht Verschiebungen berechnet werden konnen, fur die nochnicht genugend Werte zu Verfugung stehen; entsprechend die Fallunterscheidung am Wert Nder innersten Schleife. In der Mitte dieser Schleife wird der Wert k berechnet, der angibt, wie-viele Werte bereits in die KKF eingegangen sind. Hierfur wird auch der Fullstand benotigt. Dieeigentliche Berechnung der KKF findet hier in einem Formelknote statt.Der Kasten lokale Maxima suchen auf der rechten Seite steuert die Suche nach diesen. Dieanderen Fallunterscheidungen verhindern, daß zu kleine oder ungultige Werte weiter verarbeitetwerden. Ganz rechts finden sich globale Variablen. Diese sind erkennbar an einer dicken Linieoder an zwei Linien herum, wobei erstere fur ”lesen“ steht und letztere fur ”schreiben“. Mitdiesen werden die Werte fur den nachsten Rechendurchlauf gespeichert.


Abbildung A.1: KKF-Online.vi: Die Berechnung der KKF.


Abbildung A.2: Die anderen Falle der CASE-Blocke sind unterhalb eingezeichnet.

Anhang B: Photos 129

Anhang B

Fotos

Abbildung B.1: Links: Stuck eines Weizenblattes, das von Septoria Tritici befallen ist, aus Abbildung5.1. Rechts: Photo eines eingeschalteten LED-Kopfes, aus 6.2

Abbildung B.2: Lok im Abschirmungstunnel. Rechts und links die Teile der Lichtschranke, jeweils voneinem schwarzen Kasten abgeschirmt. Aus 8.12 A

Anhang B: Photos 130

Abbildung B.3: Die Gleisstrecke von oben. Aus Abschnitt 8.1

Abbildung B.4: Zug auf der Anlage. Links die Halogenlampe (hier nur eine mit Lichtleiter und einekleine Abschirmung)

LITERATURVERZEICHNIS 131

Literaturverzeichnis

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