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Automationssystem zur Untersuchung
von Gaswechsel- und Transportprozessen
an Pflanzen
Vom Fachbereich 12 Maschinenwesen der Universit¨at Duisburg-Essen zur
Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Bernd Proff aus Bochum
Vorsitzender
der Pr¨
ufungskommission:
Prof. Dr. Paul Winske
Gutachter:
Prof. Dr. Hans-Joachim Stracke
Prof. Dr. Rudolf Tracht
Prof. Dr. Ulrich Schurr
Tag der m¨
undlichen Pr¨
ufung:
16. Dezember 2003
Inhaltsverzeichnis
Danksagung
v
1 Einleitung
1
2 Ist-Zustand des bisherigen Messsystems f¨
ur Gaswechsel und Translokation
2.1
9
Charakterisierung des bisherigen Messsystems . . . . . . . . . . . . .
9
2.1.1
Hardwaresystem
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.1.2
Softwaresystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.2
Defizite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
2.3
Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
3.1
15
Gaswechselmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
3.1.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
Gaswechselanalytische Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.2.1
Geschlossene Gaswechselsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
3.2.2
Messverfahren bei einem geschlossenen System . . . . . . . . .
19
3.2.3
Offene Gaswechselsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.2.4
Messverfahren bei einem offenen System . . . . . . . . . . . .
21
3.3
Gaswechselsystem der Universit¨at Duisburg-Essen . . . . . . . . . . .
22
3.4
Translokationsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.2
Grundlagen Gaswechsel
i
Inhaltsverzeichnis
3.5
3.4.1
Grundlagen Stofftransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
3.4.2
Translokationsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
Sensoren und Aktoren f¨
ur das GTPROZESSAS . . . . . . . . . . . . . .
31
4 Anforderungen an das GTPROZESSAS
4.1
Allgemeine Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
4.2
Funktionale Anforderungen
39
4.2.1
4.3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anforderungen an die Steuerung der pflanzenphysiologischen
Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
4.2.2
Anforderungen an das Messsystem . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.2.3
Anforderungen an die Gaswechsel- und Translokationsmessungen 45
4.2.4
Anforderungen an das bildgebende Messverfahren . . . . . . .
46
Anforderungen an die Entwicklungsumgebung . . . . . . . . . . . . .
46
5 Auswahl der Entwicklungsumgebung
49
5.1
LabVIEW in der Mess- und Automatisierungstechnik . . . . . . . . .
50
5.2
Grafisch oder Textorientiert? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
5.3
Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
6 Konzept des GTPROZESSAS
6.1
6.2
ii
35
55
Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
6.1.1
Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
6.1.2
Technische Einrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
6.1.3
Aufbau des Hardwaresystems . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
6.1.4
Konfiguration des PXI/SCXI-Datenerfassungssystems . . . . .
62
6.1.5
Erweiterung des Hardwaresystems f¨
ur Echtzeitapplikationen .
64
6.1.6
Aufbau des Softwaresystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung . . . . . . . . . . . . . .
71
6.2.1
Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6.2.2
Manuelle Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
6.2.3
Programmierbare Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
6.2.4
Die Schnittstelle zu Microsoft Excel . . . . . . . . . . . . . . .
78
Inhaltsverzeichnis
6.2.5
6.3
Die Microsoft Excel Steuertabelle . . . . . . . . . . . . . . . .
79
Programmmodule f¨
ur das Messsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
6.3.1
Gaswechselmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
6.3.2
Translokationsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3.3
Bildgebendes Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
103
7.1
Konzeption der Hardwareebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.2
Konzeption der Softwareebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.3
7.2.1
Grundkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2.2
Das bildgebende Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Analyse der Bildinformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3.1
Bildvorverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.3.2
Merkmalsbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.3.3
Segmentierung
7.3.4
Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.4
Pr¨asentation der Bilddaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.5
Archivierung der Bilddaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8 Einsatz des GTPROZESSAS
8.1
127
Gaswechselmessungen an homo- und heterobarischen Bl¨attern . . . . 128
8.1.1
Begriff homo- und heterobarisches Blatt . . . . . . . . . . . . 128
8.1.2
Wissenschaftliche Fragestellung . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.1.3
Einfluss der Diffusion auf den Gaswechsel . . . . . . . . . . . . 130
8.1.4
Einfluss eines Druckgradienten zwischen Blattkammer und der
umgebenden Atmosph¨are auf den Gaswechsel . . . . . . . . . 132
8.2
Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9 Zusammenfassung und Ausblick
135
Literaturverzeichnis
136
Abbildungsverzeichnis
147
iii
Inhaltsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
iv
151
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer interdisziplin¨aren Kooperation
mit dem Institut f¨
ur Prozess- und Datenmanagement des Fachbereichs 12- Maschinenwesen, dem Institut f¨
ur Botanik/Pflanzenphysiologie des Fachbereichs 9- Biound Geowissenschaften, Landschaftsarchitektur der Universit¨at Duisburg-Essen sowie dem Institut f¨
ur Phytosph¨are ICG-III am Forschungszentrum J¨
ulich.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Stracke danke ich f¨
ur die interessante Themenstellung, die engagierte Betreuung und F¨orderung dieser Arbeit sowie die große
Geduld und konstruktiven Diskussionen beim "Zusammenschreiben" der Arbeit.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Rudolf Tracht und Herrn Prof. Dr. Ulrich Schurr danke ich
¨
f¨
ur die Ubernahme
des Koreferats und das Interesse am Fortgang meiner Arbeit.
Herrn Dr. Siegfried Jahnke und Herrn Dipl.- Umweltwiss. Roland Pieruschka danke
ich f¨
ur die gute Aufnahme und Zusammenarbeit am Institut f¨
ur Botanik/Pflanzenphysiologie.
Meiner Frau Justine danke ich f¨
ur das immer entgegengebrachte Verst¨andnis und
die Unterst¨
utzung w¨ahrend der Erstellung meiner Arbeit.
v
Danksagung
vi
1 Einleitung
Der Mensch hat sich in den Anf¨angen seiner Existenz noch g¨anzlich in die ihn umgebende Natur eingef¨
ugt und hat als J¨ager und Sammler die nat¨
urliche Umwelt
kaum beeinflusst. Im Verlauf der Menschheitsgeschichte hat jedoch die Entwicklung
von Landwirtschaft, Siedlungswesen und Industrialisierung immer st¨arker und ausgedehnter in das Naturgef¨
uge eingegriffen. Durch diese Vorgehensweise wurden zahl¨
lose nat¨
urliche Okosysteme
grundlegend ver¨andert oder vernichtet. In Unkenntnis
der komplexen Wechselwirkungen in der Natur wurde dabei auch in vielen F¨allen
das ¨okologische Gleichgewicht empfindlich gest¨ort. Dieses reicht stellenweise bis zur
Verw¨
ustung ganzer Landstriche, so dass heutzutage eine Reparatur der angerichteten
Sch¨aden nicht mehr oder nur mit großem Aufwand an Kosten und Energie m¨oglich
ist [1].
Die r¨
ucksichtslose Entfaltung moderner Industriegesellschaften durch die Mensch¨
heit beinhaltet die Gefahr, dass Okosysteme
auf der ganzen Erde bedroht sind und
dadurch die Existenzgrundlage f¨
ur das menschliche Leben nicht mehr gegeben ist
[2]. Die politischen Entscheidungsorgane der meisten Industriestaaten erlassen Gesetze zum Schutz und zur sinnvollen sowie nachhaltigen Gestaltung der Umwelt [3].
Damit wird zwar der momentanen Gefahr ein gewisser Einhalt geboten, doch das
langfristige ¨okologische Grundproblem nicht gel¨ost, wie f¨
ur die weitere Entwicklung
der menschlichen Gesellschaft ein gesundes Wirtschaftswachstum im Einklang mit
¨okologischen Gesichtspunkten einer gesunden Umwelt gew¨ahrleistet werden kann.
¨
Der Mensch ist als Lebewesen Bestandteil der Natur und ihrer Okosysteme.
Er
vermag durch sein Handeln diese gezielt umzugestalten, was vor allem seine große
1
1 Einleitung
Verantwortung gegen¨
uber der Natur aufzeigt. Bis heute w¨achst die Gefahr globaler,
durch die T¨atigkeit des Menschen verursachter Klima- und Bodenverschlechterungen,
die mit ihren l¨angerfristigen Auswirkungen einen Teil der Menschheit bedroht [4].
Aufgrund dieser Tatsache geh¨ort es zu den unabdingbaren Voraussetzungen durch
weltweit-gespannte Forschungsprogramme und weiter verst¨arkte Anstrengungen in
¨
der Okosystemforschung
die noch bestehenden Wissensl¨
ucken zu schließen, damit
praktische Entscheidungen zu Umweltfragen stets auf einem wissenschaftlichen Fundament basieren.
¨
Aus den aufgezeigten Aspekten ist es notwendig, Okosysteme
auf lokaler und glo¨
baler Ebene zu verstehen. Pflanzen stellen einen wesentlichen Bestandteil der Okosysteme dar. Fragestellungen bezogen auf die komplexen pflanzenphysiologischen
Wechselwirkungen mit der Umwelt sind aus diesem Grunde von großer Bedeutung.
In der Pflanzenphysiologie wird die Abh¨angigkeit eines Lebensvorganges von Umweltbedingungen im Laboratorium untersucht, wobei jeweils ein Parameter z.B. die
Lichtst¨arke ver¨andert und alle weiteren konstant gehalten werden. Damit werden
sehr detaillierte Ergebnisse erreicht, die aber im allgemeinen nicht direkt auf die
nat¨
urlichen Verh¨altnisse zu u
¨bertragen sind [5]. Die Pflanzenphysiologie ist gezwungen, gleichzeitig mehrere ¨außerlich ver¨anderliche Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Lichtqualit¨at und -quantit¨at usw. sowie auch die inneren Bedingungen wie
Pflanzenalter oder Entwicklungsstadium zu beachten. Dadurch wird die Arbeit außerordentlich komplex und der experimentelle Aufwand umfangreich.
Eine der wichtigsten und am h¨aufigsten angewandten, pflanzenphysiologischen Methoden ist die Gaswechselmessung, welche sowohl f¨
ur die Erfassung der Reaktionskinetik wie auch zur Kl¨arung vieler Teilreaktionen der Photosynthese eingesetzt wird
[6]. Schon in den vergangenen 150 Jahren ist eine Vielzahl von qualitativen und quantitativen Messmethoden zur Anwendung gekommen, mit denen der Gesamtprozess
oder einzelne Teilvorg¨ange des Gaswechsels zwischen Pflanze und Umwelt mehr oder
weniger exakt untersucht werden konnten. Mit der zunehmenden Vervollkommnung
der Untersuchungsmethoden sind immer wieder neue Erkenntnisse u
¨ber den Ablauf
2
der Gaswechselprozesse sowie u
¨ber dessen Abh¨angigkeit von einer ganzen Reihe von
Faktoren erzielt worden. Wesentliche Fortschritte in den Erkenntnissen sind in diesem Zusammenhang durch eine Verbesserung der Modelle, mit denen wir uns die
Lebensvorg¨ange erkl¨aren und durch eine Verfeinerung der angewandten Messmethodik erzielt worden [7].
Dabei gew¨ahrleistet der Einsatz von Systemen unter Verwendung von Testkammern f¨
ur eine kontrollierte Umgebung einen hohen Grad an Kontrolle externer Parameter, mit denen die Wachstumsbedingungen der Versuchspflanzen mehr oder weniger stark modifiziert werden. So werden im Inneren abgeschlossener Versuchskammern vielfach Bedingungen geschaffen, die den Gasaustausch der Pflanze beeinflussen. Zu den Faktoren, die h¨aufig artifizielle Bedingungen f¨
ur den Gasaustausch der
Pflanze mit ihrer Umgebung schaffen, geh¨oren in erster Linie die Luftbewegung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit sowie die Lichtst¨arke [8]. Die Betrachtung dieser Faktoren
ist von großer und vielfach entscheidender Bedeutung f¨
ur die Brauchbarkeit und
die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Gerade die Genauigkeit der Messungen
bildet die Grundlage f¨
ur die Zuverl¨assigkeit, wie sich Pflanzen im globalen Wandel
verhalten werden. Die durch Einzelmessungen an Pflanzen oder an Pflanzenteilen
(z.B. den Bl¨attern) gewonnenen Erkenntnisse sollen genutzt werden, um Untersuchungen auf Bestandsebene interpretierbar zu machen [9]. Daf¨
ur m¨
ussen weitgehend
realit¨atsnahe Voraussetzungen geschaffen werden, ein Anspruch, der immer eine wesentliche Zielsetzung f¨
ur wissenschaftliche Vorgehensweise ist.
Ein wichtiger Aspekt der Gaswechselprozesse in Pflanzen ergibt sich aus der globalen Erh¨ohung der atmosph¨arischen Kohlendioxid (CO2 )-Konzentration. Dazu entwickelte sich im Verlauf der letzten Jahre ein breiter Konsens dar¨
uber, dass die Emission von Treibhausgasen, insbesondere von CO2 , einen Einfluss auf das globale Klima
[10] aus¨
ubt. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass eine steigende atmosph¨arische
CO2 -Konzentration pflanzliche Aktivit¨aten auf physiologischer, biochemischer und
molekularer Ebene beeinflusst [11, 12, 13].
3
1 Einleitung
Seit Beginn der Industrialisierung stieg die atmosph¨arische CO2 -Konzentration
von 280 auf 370 µmol mol−1 [10]. Dies entspricht einem Anstieg von 32% mit einer
gegenw¨artigen, durchschnittlichen, j¨ahrlichen Zunahme von 1,5 µmol mol−1 . Der zunehmende anthropogene Verbrauch von fossilen Energietr¨agern sowie eine ver¨anderte
Landnutzung tragen wesentlich zum stetigen Anstieg des atmosph¨arischen CO2 bei.
Die zuk¨
unftigen Aktivit¨aten der Menschen werden durch die Emission von Treibhausgasen sowie die daraus resultierenden Klimaver¨anderungen deutlich beeinflusst. Diesbez¨
uglich wurden viele Klimamodelle [14, 15] erstellt, um die zuk¨
unftige Entwicklung
abzusch¨atzen. Bis zum Ende des 21. Jahrhunderts soll dabei die CO2 -Konzentration
auf Werte zwischen 540 und 970 µmol mol−1 ansteigen. Diese Auswirkung k¨onnte
einen globalen Anstieg der Temperatur zwischen 1,4 und 5,8 ◦ C verursachen [10, 16].
Neben der Untersuchung der Photoassimilation ist der damit im direkten Zusammenhang stehende Transport von Photoassimilaten (Kohlenhydraten, Aminos¨auren
u.a.) ein wichtiger Aspekt. In Pflanzen erlauben viele verschiedene Netzwerke die
Aufnahme, Verarbeitung und Weitergabe von Stoffwechselprodukten sowie eine Signal¨
ubertragung [17, 18]. Die Weiterleitung u
¨ber l¨angere Distanzen geschieht u
¨ber
Systeme, welche die gesamte Pflanze durchziehen. Solche Systeme stellen in h¨oheren
Pflanzen die Leitb¨
undel dar, die aus Xylem und Phloem aufgebaut sind [19].
Der Ferntransport von Wasser, N¨ahrstoffen und auch organischen Verbindungen,
von der Wurzel in den Sproß, erfolgt in den Gef¨aßen des Xylems. Der Xylemtransport
ist in der Regel unidirektional aufw¨arts gerichtet und wird angetrieben vor allem u
¨ber
die Transpiration (Wasserabgabe) der Bl¨atter [20, 21].
Bei dem Wasser- und N¨ahrstofftransport im Xylem muß die Interaktion zwischen
Xylem und Phloem, dem zweiten Ferntransportsystem h¨oherer Pflanzen, ber¨
ucksichtigt werden. Im Gegensatz zum Xylem erfolgt der Phloemtransport in lebenden Zellen [22]. Die Flußrichtung und die Flußrate wird im wesentlichen durch die Aktivit¨at
der Phloementladung durch die sink Gewebe, z.B. wachsenden Bl¨attern, Bl¨
uten,
¨
Fr¨
uchte und Wurzeln bestimmt [20]. Uber
das Phloem werden solche sink Gewebe
mit Kohlenhydraten und anderen Assimilationsprodukten aus den photosynthetisch
4
aktiven Bl¨attern versorgt [23, 24, 25].
Aufgrund der komplexen Zusammenh¨ange sind Kenntnisse u
¨ber die Art und den
Umfang der transportierten Verbindungen, die Ver¨anderung ihrer Verteilung im
Transportstrom aufgrund unterschiedlicher Umweltein߬
usse oder Funktionen verschiedener Organe auf diese Verteilung eine wichtige Grundlage f¨
ur das Verst¨andnis
des Stofftransportes.
Wissenschaftliche Anforderungen
Die aufgezeigten Aspekte bei den Gaswechsel- und Transportprozessen in Pflanzen
verdeutlichen, dass wissenschaftliche Aussagen der Reaktion pflanzlicher Mechanismen auf ¨außere Einfl¨
usse von großer Bedeutung sind. Aufgrund der Komplexit¨at der
biologischen Ph¨anomene besch¨aftigen sich in diesem Zusammenhang eine Vielzahl
von Forschungsinstituten mit den damit verbundenen Fragestellungen.
Im Rahmen des CO2 -Schwerpunktprogramms "Stoffwechsel und Wachstum der
Pflanzen unter erh¨ohter CO2 -Konzentration" der DFG ist u.a. auch die Universit¨at
Duisburg-Essen, in Kooperation mit dem Forschungszentrum J¨
ulich, integriert. In
diesem Forschungsprogramm sollen der Stoffwechsel und das Wachstum der Pflanze bei erh¨ohter CO2 -Konzentration erforscht werden. Dabei geht es nicht um eine
Beschreibung der Reaktion, sondern um die Aufkl¨arung der grundlegenden Regulationsmechanismen, die f¨
ur die Steuerung der Photosyntheserate, des Wasserverlustes,
der Biomasseverteilung, der Speicherung und des Wachstums von entscheidender Bedeutung sind. Im Rahmen der Kooperation sollen folgende Themenkreise bearbeitet
werden:
• Photosynthese: Es wird untersucht (a), ob sich die Zusammensetzung des
Photosyntheseapparates als Anpassung an die erh¨ohte CO2 -Konzentration ¨andert und (b) ob und wie ein Anstau von Kohlenhydraten zu einer Hemmung
der Photosynthese f¨
uhrt. Zu beiden Fragen sollen durch ¨okophysiologische Methoden (Gaswechsel) Antworten gefunden werden. Die Ergebnisse sollen dazu
5
1 Einleitung
dienen, existierende mechanistische Modelle der Photosynthese zu verbessern.
• Die Regulation der Sink-Source Wechselwirkungen: Das Ziel ist, Mechanismen zu entdecken, die erkl¨aren, wie die Translokation von Assimilaten und
die Zusammensetzung der wachsenden Organe durch ein ver¨andertes Angebot
an Kohlenhydraten gesteuert wird.
F¨
ur eine inhaltliche Umsetzung der in diesem Forschungsprogramm diskutierten
Aspekte besteht grunds¨atzlich die Problematik, dass eine flexible und zuverl¨assig reproduzierbare Beeinflussung verschiedener ¨außerer Faktoren bei der Untersuchung
der Gaswechsel- und Transportprozesse notwendig ist. Aufgrund dieser Tatsache
besch¨aftigen sich im Rahmen einer interdisziplin¨aren Zusammenarbeit das Institut
f¨
ur Prozess- und Datenmanagement des Fachbereichs 12- Maschinenwesen, das Institut f¨
ur Botanik/Pflanzenphysiologie des Fachbereichs 9- Bio- und Geowissenschaften,
Landschaftsarchitektur an der Universit¨at Duisburg-Essen und das Institut f¨
ur Phytosph¨are (ICG-III) am Forschungszentrum J¨
ulich mit der Konzeption eines Systems,
welches durch Automation der Steuerung der ¨außeren Einfl¨
usse f¨
ur die Gaswechselund Transportprozesse eine Durchf¨
uhrung von reproduzierbaren wissenschaftlichen
Experimenten erm¨oglicht. Die Grundlage daf¨
ur bildet ein Verfahren, mit welchem
Experimente mit komplizierten Versuchsdurchf¨
uhrungen geplant und durch ein Automationssystem ausgef¨
uhrt werden. Durch diese Vorgehensweise er¨offnen sich neue
Perspektiven bisher nicht durchf¨
uhrbarer pflanzenphysiologischer Untersuchungen.
Die wissenschaftlichen Fragestellungen gehen jedoch in diesem Forschungsvorhaben deutlich weiter und lassen sich allein mit den angesprochenen pflanzenphysiologischen Messverfahren f¨
ur die Gaswechsel- und Translokationsuntersuchungen nicht
beantworten. Wichtige Aspekte z.B. wieweit die Umweltein߬
usse das Pflanzenwachstum oder die Blattmorphologie ver¨andern, bleiben durch diese Verfahren unbeantwortet. Einen Ansatz f¨
ur die L¨osung dieser Fragestellungen ist in Kombination mit
einem bildgebenden Messverfahren zu beantworten. Diese Erweiterung er¨offnet erstmals die M¨oglichkeit, pflanzenphysiologische Messmethoden mit einem bildgebenden
Messverfahren zu kombinieren und stellt damit eine breite Basis f¨
ur einen Einsatz in
6
diesem und nach entsprechender Transformation in zuk¨
unftigen Forschungsvorhaben
dar.
Zielsetzung der Arbeit
Im Rahmen einer Dissertation soll ein Konzept erstellt werden, mit der Zielsetzung,
die aufgezeigten wissenschaftlichen Anforderungen durch den Einsatz des GTPRO1
ZESSAS
zu beantworten.
Die Herleitung des Konzepts beginnt zun¨achst mit der Problemstellung. Dazu
werden der Stand der Technik bei der Untersuchung von Gaswechsel- und Transportprozessen sowie die Defizite analysiert. Aufgrund der Schwachpunkte und den
erweiterten wissenschaftlichen Fragestellungen lassen sich die Anforderungen an das
GTPROZESSAS ableiten.
Nach Erarbeitung eines allgemeinen Verst¨andnis f¨
ur die pflanzenphysiologischen
Messmethoden wird zun¨achst die Grundidee f¨
ur das GTPROZESSAS aufgezeigt. Auf
dieser Basis wird das Konzept f¨
ur das GTPROZESSAS mit seiner Soft- und Hardwarestruktur entwickelt und vorgestellt. Es wird dargestellt, wie mit dem entwickelten Konzept ein wirklicher Fortschritt bei der Untersuchung von pflanzenphysiologischen Vorg¨angen erzielt werden kann.
Eine vollst¨andige softwarem¨aßige Umsetzung des vorgestellten GTPROZESSAS ist
im Rahmen einer Dissertation nicht m¨oglich. Der Aufwand f¨
ur die vollst¨andige Softwareerstellung des GTPROZESSAS betr¨agt mehrere Mannjahre. Die Funktionsf¨ahigkeit des Konzepts wird im Bereich der Gaswechselmessungen demonstriert. Dort
werden Aspekte des Gaswechsels an homo- und heterobarischen Bl¨attern, in Bezug
auf eine laterale Diffusion und dem druckabh¨angigen Massenfluss in den Blattinterzellularen, diskutiert.
1
GTPROZESSAS: Gaswechsel- und Transportprozess Automationssystem
7
1 Einleitung
8
2 Ist-Zustand des bisherigen
Messsystems fu
¨r Gaswechsel und
Translokation
Die Motivation, ein neues und zukunftsweisendes GTPROZESSAS f¨
ur die Beeinflussung von Gaswechsel- und Transportprozessen in Pflanzen zu konzipieren und zu
realisieren, ergibt sich aus einem breiten Spektrum pflanzenphysiologischer Fragestellungen, die Bestandteil eines Forschungsvorhabens am Institut f¨
ur Botanik/Pflanzenphysiologie der Universit¨at Duisburg-Essen sind und die n¨aher aufgezeigt werden.
Diese Zielsetzung definierte sich auch durch den Zustand des alten Messsystems, welches strukturell und technologisch keinen weiteren Gestaltungsraum f¨
ur notwendige
Modifikationen bzw. Erweiterungen zuließ. Im folgenden wird der Ist-Zustand des
bisherigen Messsystems charakterisiert und die Defizite aufgezeigt.
2.1 Charakterisierung des bisherigen Messsystems
Das eingesetzte System charakterisiert sich aus der Funktionalit¨at als ein reines
Messsystem. Dieses besteht aus einzelnen Teilsystemen f¨
ur den Gaswechsel und die
Translokation - verteilt auf zwei Rechnersysteme - sowie einem Messger¨at (CIRAS
CO2 /H2 O-Gasanalysator). Dieses Messsystem wird im weiteren in ein Hard- und
Softwaresystem strukturiert und charakterisiert.
9
2 Ist-Zustand des bisherigen Messsystems f¨
ur Gaswechsel und Translokation
2.1.1 Hardwaresystem
Die Abbildung 2.1 verdeutlicht die Grundstruktur des Hardwaresystems (Rechnerhardware und Prozessperipherie) mit der Fragmentierung in die Teilsysteme f¨
ur
die Gaswechsel-, Translokationsmessungen, einem CO2 /H2 O-Gasanalysator und entsprechende Aktoren f¨
ur eine manuelle Beeinflussung der Prozessgr¨oßen.
Rechnerhardware
GWM
6
Rechnerhardware
TLM
6
Manuelle
Steuerung
?
CO2 /H2 O
Sensoren und Signalvorverarbeitung f¨
ur
Gasanalysator
Gaswechsel- und Translokationsmessungen
Aktoren
Abbildung 2.1: Stark vereinfachte Darstellung der Grundstruktur des Hardwaresystems f¨
ur Gaswechsel- und Translokationsmessungen, GWM: Gaswechselmessungen,
TLM: Translokationsmessungen
Die Konfiguration der eingesetzten Rechnerhardware basierte auf 486er Prozes¨
sorsystemen mit einer ISA1 -Bus Struktur. Uber
Messwerterfassungskarten wurde die
Schnittstelle zu den Sensoren/Signalvorverarbeitung hergestellt.
Die erforderliche Signalvorverarbeitung bestand im analogen Bereich nur f¨
ur die
Temperaturmessungen. F¨
ur die dazu eingesetzten Thermoelemente sind Verst¨arkerkomponenten durch die Arbeitsgruppe entwickelt und aufgebaut worden. In Analogie dazu sind auch die Z¨ahlerstrukturen, welche f¨
ur die Messung des Stofftransportes
mittels Radiotracertechniken ben¨otigt wurden, durch einen Eigenbau realisiert. Eine
1
ISA: Industrie Standard Architecture. Der ISA-Bus ist ein von IBM 1981 eingef¨
uhrtes standardisiertes Bussystem f¨
ur den PC. Am Anfang war ISA ein 8-Bit-System und wurde 1984 zum
16-Bit-System erweitert (in dieser Form wird ISA auch AT-Bus genannt). Die Taktfrequenz f¨
ur
den ISA-Bus liegt bei 8 MHz (16-Bit-System), welches einer maximalen Daten¨
ubertragungsrate
von 4 MByte/s entspricht.
10
2.2 Defizite
Kommunikation mit dem Rechnersystem ist dabei u
¨ber eine entsprechende Schnittstellenkarte m¨oglich.
2.1.2 Softwaresystem
Das Softwaresystem beinhaltet die Anwender- und die Systemsoftware. Dazu sind
unter der Anwendersoftware die beiden Programme f¨
ur die Gaswechsel- und Translokationsmessungen einzuordnen. Beide Programme sind mit dem funktionalen Umfang f¨
ur die Erfassung, Analyse, Visualisierung und Archivierung der Messdaten im
Jahr 1990 (Borland Turbo Pascal) entwickelt worden.
Unter der Systemsoftware ist lediglich Windows 95 als das Betriebssystem zu nennen, da keine weiteren systemspezifischen Programme eingesetzt wurden.
2.2 Defizite
Die Defizite des bisherigen Systems ergeben sich in den Bereichen:
• Fragmentierung
• Modularit¨at und Erweiterbarkeit
• Steuerung der Prozessgr¨oßen
• Funktionale Einschr¨ankungen
Fragmentierung
Durch die Fragmentierung des Messsystems im Bereich der Hard- und Software wird
das Experiment nicht als das zu messende Objekt betrachtet, sondern in unabh¨angige Teilsysteme f¨
ur den Gaswechsel, die Translokation und einem Einzelger¨ate aufgeteilt. Eine zeitsignifikante oder gekoppelte Datenanalyse aus den Teilsystemen ist
damit w¨ahrend der Versuchsdurchf¨
uhrung online nicht m¨oglich. Eine Interpretation
11
2 Ist-Zustand des bisherigen Messsystems f¨
ur Gaswechsel und Translokation
der Messergebnisse aus dem durchgef¨
uhrten Experiment war daher nur durch den
Einsatz von zus¨atzlicher Software zu erreichen. F¨
ur eine solche Auswertung m¨
ussen
alle selektiv aufgezeichneten Messdaten mit einem entsprechenden Programm zusammengefasst und der Zeitbezug zu den Teilsystemen hergestellt werden. Der Nachteil
dieser Vorgehensweise ist, dass erst nach Ablauf der zeitaufwendigen Experimente eine Interpretation des Versuchsablaufes m¨oglich ist. Damit kann eine laufende
Versuchsdurchf¨
uhrung nicht mehr korrigiert werden, was sowohl zeitlich als auch inhaltlich zu erheblichen Problemen f¨
uhrte.
Modularit¨
at und Erweiterbarkeit
Wird das vorhandene Hardwaresystem unter dem Gesichtspunkt der Modularit¨at betrachtet, so ist dabei die veraltete Technologie der Rechnersysteme zu nennen, welche
die Kriterien an diese nicht erf¨
ullen. Der prim¨are Grund daf¨
ur ist die ISA-Bus Struktur, welche zum heutigen Zeitpunkt keine Basis f¨
ur Einsatz neuer Komponenten aus
dem Bereich der Mess- und Automatisierungstechnik ist.
Die Modularit¨at im Softwarebereich beinhaltet, dass Module Funktionsgruppen
abbilden, die unabh¨angig von einander sind. Ganz auff¨allig war diese Unabh¨angigkeit bei den beiden Teilsystemen f¨
ur den Gaswechsel und die Translokation gegeben. Werden die Programme f¨
ur sich betrachtet, so besteht durch die unzureichende
Strukturierung der Einzelprogramme das Problem, diese in ein Messsytem zu integrieren. Aus diesem Grund ist auch eine funktionale Erweiterung nicht sinnvoll bzw.
nur durch eine Neustrukturierung m¨oglich.
Steuerung der Prozessgr¨
oßen
Eine rechnergest¨
utzte Steuerung der Aktoren und damit verbundene Beeinflussung
der Prozessgr¨oßen ist mit dem vorhandenen Messsystem nicht m¨oglich. Die Prozesse
k¨onnen nur u
¨ber manuelle Eingriffe in das System (Magnetventile, Gasmischsysteme)
gesteuert werden. Flexibele und reproduzierbare Versuchsdurchf¨
uhrungen waren damit sehr eingeschr¨ankt oder sogar unm¨oglich.
12
2.3 Fazit
Durch die zeitkritische Steuerung des Versuchsablaufes von Experimenten im pflanzenphysiologischen Bereich beinhaltet der manuelle Eingriff auch eine deutliche Einschr¨ankung bez¨
uglich der Komplexit¨at des Experiments, da dies eine große Anzahl
von Interaktionen durch den Anwender erfordert. Gerade zeit- und funktionsaufwendige Versuchsdurchf¨
uhrungen sind mit dieser Vorgehensweise nicht umzusetzen.
Funktionale Einschr¨
ankungen
Unter Funktionalit¨at ist hier die Bandbreite f¨
ur den Einsatz eines Mess- oder Automatisierungssystem definiert. Wird das vorhandene Gesamtsystem unter diesen Gesichtspunkten betrachtet, so ist es von der Funktionalit¨at ein Messsystem, welches
die grundlegend gestellten Anforderungen (Datenerfassung, Analyse, Visualisierung
und Archivierung) an ein Messsystem erf¨
ullt. Erweiterte Funktionalit¨aten in Bezug
auf Zeitsignifikanz und Synchronit¨at der Teilsysteme sind jedoch nicht gegeben. Fragestellungen, wobei diese Eigenschaften gefordert sind, gerade auch in Bezug auf die
Kombination von unterschiedlichen Teilsystemen, k¨onnen mit diesem Gesamtsystem
nicht beantwortet werden.
2.3 Fazit
Das bisherige Messsystem f¨
ur Gaswechsel- und Translokationsuntersuchungen sowie
die dabei eingesetzte Technologie ließ vom heutigen Standpunkt aus betrachtet keine
weiteren Modifikationen oder Erweiterungen zu. Funktional erf¨
ullte das Messsytem
zwar die grundlegenden Funktionen, wies aber deutliche Defizite f¨
ur einen erweiterten
Einsatz bei neuen wissenschaftlichen Fragestellungen auf. Dieses traf insbesondere
auf die Prozess-Steuerung zu.
13
2 Ist-Zustand des bisherigen Messsystems f¨
ur Gaswechsel und Translokation
14
3 Grundlagen der
pflanzenphysiologischen
Messmethoden
Bei den in diesem Kapitel er¨orterten Messmethoden handelt es sich um die Beschreibung von Messverfahren, die geeignet sind, Gaswechsel- und Translokationsprozesse
der Pflanzen unter den gegebenen Bedingungen - besonders auch in ihrer Abh¨angigkeit von dem Gesamtverlauf beeinflussender Faktoren - zu quantifizieren.
In der pflanzenphysiologischen Literatur wird dabei zwischen den physiologischen
und ¨okologischen Methoden unterschieden. Unter den physiologischen Methoden sind
solche zu verstehen, die zur Erfassung oder zur Erforschung von Teilvorg¨angen der
Prozesse an Pflanzen in ihrer Abh¨angigkeit von einer Reihe von Faktoren unter
konstanten, meist nur im Laboratorium herstellbaren und jederzeit reproduzierbaren
Bedingungen geeignet sind. Die o¨kologischen Methoden erm¨oglichen entsprechende
Messungen an den verschiedenen Standorten der Pflanzen, also unter mehr oder
weniger stark wechselnden klimatischen und edaphischen Verh¨altnissen.
ucksichtigten Messmethoden sind
Die f¨
ur das Konzept des GTPROZESSAS ber¨
physiologisch ausgerichtet und werden physikalisch durch die an der Universit¨at
Duisburg-Essen konzipierten Gaswechselanlage umgesetzt. Diese Anlage ist daher
als die Basis zu sehen, mit deren Hilfe spezielle physikalische Messverfahren die
pflanzenphysiologischen Prozessgr¨oßen erfassen k¨onnen. Der Einsatz der Gaswechselanlage geht jedoch deutlich weiter und beinhaltet nicht nur die Erfassung der
15
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
einzelnen Prozessgr¨oßen, sondern durch die Integration von Aktoren k¨onnen die einzelnen Prozesse beeinflusst werden.
Aufgrund der zentralen Funktion der Gaswechselanlage f¨
ur das GTPROZESSAS
wird in diesem Kapitel diese Anlage vorgestellt und die damit gekoppelten pflanzenphysiologischen Messmethoden f¨
ur Gaswechsel- und Translokationsprozesse er¨ortert.
3.1 Gaswechselmessungen
3.1.1 Grundlagen Gaswechsel
Der Begriff Gaswechsel beschreibt im pflanzenphysiologischen Zusammenhang den
Austausch von Gasen zwischen der Pflanze und der Atmosph¨are. Prim¨ar sind daran
das Kohlendioxid (CO2 ), der Sauerstoff (O2 ) und das Wasser in Form von Wasserdampf (H2 O) beteiligt. Daneben findet auch ein Austausch von z.B. Stickoxiden,
Schwefeldioxid, Ozon etc. statt, die den Stoffwechsel von Pflanzen zum Teil erheblich
beeintr¨achtigen k¨onnen [5]. Diese werden hier jedoch nicht ber¨
ucksichtigt, da die im
Rahmen dieser Arbeit beschriebene Gaswechselanlage f¨
ur den Austausch von CO2 ,
und H2 O konzipiert ist.
Photosynthese, Atmung (Dunkelatmung), Photorespiration und Transpiration sind
die wichtigsten metabolischen Vorg¨ange, die an der Aufnahme bzw. Abgabe dieser
Gase bei Pflanzen beteiligt sind [26, 27, 28]. Diese Vorg¨ange beschreiben den CO2 , O2
und H2 O Austausch zwischen der Pflanze und der Umgebungsluft. F¨
ur die Untersuchung dieser Prozesse sind gaswechselanalytische Messverfahren erforderlich, welche
im folgenden diskutiert werden.
16
3.2 Gaswechselanalytische Messverfahren
3.2 Gaswechselanalytische Messverfahren
Die Methodik der Gaswechselanalyse beruht auf kombinierten Messsystemen, die
als offene oder geschlossene Gaswechselsysteme bezeichnet werden. Abh¨angig von
den biologischen Fragestellungen und Anforderungen k¨onnen beide Systeme in unterschiedlichen Kombinationen realisiert werden. Die Messprinzipien sind jedoch bei
allen offenen und geschlossenen Gaswechselsystemen gleich, da sie auf die gleichen
Messkomponenten zur¨
uckzuf¨
uhren sind.
Allen Verfahren ist gemeinsam, dass sie Unterschiede von CO2 -Konzentrationen
oder dem Wasserdampfpartialdruck zwischen einem vom Blatt unbeeinflußten Referenzwert und einem durch die Assimilation oder Transpiration ver¨anderten Luftvolumen in speziellen Blattkammern (Messk¨
uvetten) registrieren. Diese Unterschiede
lassen sich mit Infrarot-Gasanalysatoren1 (IRGA) detektieren. Dabei wird entweder
in bestimmten Zeitintervallen (geschlossenes System) oder durch st¨andigen Vergleich
unbeeinflußter mit der durch das Blatt ver¨anderten Luft (offenes System) gemessen.
Da beide Verfahren bei den Gaswechselsytemen von großer Bedeutung, sowie integraler Bestandteil der Gaswechselanlage an der Universit¨at Duisburg-Essen sind,
werden die grunds¨atzlichen Messprinzipien (siehe Kapitel 3.2.1 und 3.2.3) vorgestellt
und die Vor- und Nachteile kurz angesprochen. Auf Details wird hier jedoch verzichtet, da die einzelnen Methoden in der Literatur [7, 29] bereits ausf¨
uhrlich erl¨autert
wurden.
1
Bei einem Infrarot-Gasanalysator (IRGA) werden mit Hilfe einer Messzelle sowohl absolute CO2 als auch H2 O-Konzentrationen in den gleichen Strahleng¨angen gemessen. Die beiden Gase werden u
¨ber ihre spezifischen Absorptionsbanden im Infrarotbereich optisch durch entsprechende
Filter getrennt. Durch die Integration einer zus¨atzlichen Referenzzelle kann ein IRGA auch die
Messung von differentiellen CO2 - als auch H2 O-Konzentrationen eingesetzt werden.
17
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
3.2.1 Geschlossene Gaswechselsysteme
Die Abbildung 3.1 (a) zeigt das Schema eines einfachen geschlossenen Gaswechselsystems mit den minimal erforderlichen Systemkomponenten. Diese bestehen aus
der eigentlichen Blattkammer als Messk¨
uvette f¨
ur das zu untersuchende Blatt, einer
Pumpe und einem IRGA f¨
ur die Messung des Partialdruckes von CO2 und H2 O. In
Abbildung 3.1 (b) wird das einfache Gaswechselsystem erg¨anzt mit einem Nebena
b
Blattkammer
Blattkammer
Steuerventil
Taupunktfalle
Pumpe
Pumpe
IRGA
Messzelle
Messzelle
Durchflussmesser
IRGA
Abbildung 3.1: Prinzipieller Aufbau eines geschlossenen Gaswechselmesssystems, (a)
einfachster Aufbau f¨
ur ein geschlossenes System, (b) geschlossenes System mit Nebenschluss zur H2 O-Kompensation (Taupunktfalle), das je nach Fragestellung auch durch
anzt werden kann
eine CO2 -Kompensation erg¨
schluss, durch den die Luftfeuchtigkeit im System mittels Taupunktfalle konstant gehalten werden kann. Dieses ist erforderlich, da aufgrund der Transpirationsleistung
des Blattes die relative Luftfeuchte schnell 100% erreicht und Wasser im System
unkontrolliert auskondensieren kann.
Ein wesentlicher Nachteil des geschlossenen Systems ist die kontinuierliche Anrei¨
cherung von Wasserdampf und eine Anderung
der CO2 -Konzentration (Anreicherung
bei der Atmung oder Abreicherung bei der Photosynthese). Diese Prozesse m¨
ussen
18
3.2 Gaswechselanalytische Messverfahren
dann aufwendig kompensiert werden, wie zum Beispiel durch einen Nebenschluss
(Abb. 3.1 (b)), mit welchem die H2 O-Konzentration konstant gehalten werden kann.
Die Vorteile des geschlossenen gegen¨
uber dem offenen System sind die hohe Messempfindlichkeit des Systems aufgrund akkumulativer Effekte im geschlossenen Kreislauf, der einfache Aufbau und die geringeren Kosten f¨
ur den IRGA, da nur eine
Messzelle ben¨otigt wird (absolut messender CO2 -Gasanalysator).
3.2.2 Messverfahren bei einem geschlossenen System
In geschlossenen Gaswechselmesssystemen zirkuliert die zu messende Luft kontinuierlich und mit konstantem Durchfluss durch Pumpe, Blattkammer und Messzelle des
IRGAs. In festgelegten Zeitabst¨anden ∆t wird der Partialdruck von CO2 und H2 O
in der Luft gemessen. Durch Division mit dem Luftdruck k¨onnen daraus rechnerisch
die Molenbr¨
uche f¨
ur CO2 - und die H2 O-Konzentrationen der Luft bestimmt werden.
Wenn das eingespannte Blatt Photosynthese betreibt, sinkt der CO2 -Gehalt im
System. Gleichzeitig kommt es dazu, hervorgerufen durch die Transpiration des Blatule in betr¨achtlichem Maße aus dem Blatt in das Gaswechselsystes, dass H2 O-Molek¨
tem u
¨bertreten. Dadurch ¨andert sich st¨andig die CO2 - und H2 O-Konzentration im
¨
gesamten System. Aus den Anderungsraten
(Ct − Ct+1 )/∆t l¨aßt sich die Assimilation
und mit (Ht − Ht+1 )/∆t die Transpiration mit den folgenden Gleichungen berechnen:
A=
(Ct − Ct+1 ) Vs
µmol m−2 s−1
∆t B
(3.1)
T =
(Ht − Ht+1 ) Vs
mmol m−2 s−1
∆t B
(3.2)
wobei Ct und Ct+1 die CO2 -Konzentration in µmol CO2 /mol Luft bzw. Ht und Ht+1
in mmol H2 O/mol Luft die Wasserdampfkonzentration am Anfang und Ende eines
ucksichtigt dabei, als eine rein rechnerische Gr¨oße, die efMessintervalls ist. Vs ber¨
fektive Luftmenge im System (in mol), die abh¨angig ist von dem Gesamtvolumen des
19
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
Systems, der Temperatur und des Luftdruckes und B die projizierte assimilierende
Blattober߬ache.
¨
Wird die Anderung
der H2 O- und CO2 -Konzentration durch einen Nebenschluss
kompensiert, muss dies bei der Berechnung der jeweiligen Transpiration bzw. Photosyntheserate ber¨
ucksichtigt werden. Die ausf¨
uhrlichen Berechnungen von Vs sind
in der Literatur [29, 30] aufgef¨
uhrt.
3.2.3 Offene Gaswechselsysteme
Die Abbildung 3.2 zeigt das Schema eines einfachen, offenen, differentiellen Gaswechselsystems mit den erforderlichen Systemkomponenten. Diese bestehen aus der ei-
Luft
Durchflussmesser
Referenzzelle
Messzelle
Blattkammer
IRGA
Abbildung 3.2: Prinzipieller Aufbau eines einfachen, offenen, differentiellen Gaswechselmesssystems
gentlichen Blattkammer als Messk¨
uvette f¨
ur das zu untersuchende Blatt, dem Durchflussmesser und dem IRGA f¨
ur die Messung des Partialdruckes von CO2 und H2 O.
Da die Konfiguration der offenen Systeme je nach biologischer Fragestellung stark
20
3.2 Gaswechselanalytische Messverfahren
variiert, wird hier nur grundlegend auf das einfache Gaswechselsystem eingegangen
und auf die Literatur [7] verwiesen, wo weitere Modelle beschrieben sind.
Vorteile des offenen im Vergleich zum geschlossenen System bestehen darin, dass
Konzentrations¨anderungen von CO2 und Wasserdampf aufgrund eines Durchsatzes
von Luft bekannter Zusammensetzung durch die Blattkammer begrenzt werden [31].
Weiterhin lassen sich offene Systeme zur Messung von dynamischen Ver¨anderungen
bei der Photosynthese besser verwenden als geschlossene, denn sie registrieren dynamische, im Sekundenbereich liegende Ver¨anderungen der CO2 -Konzentration relativ
zu einem konstanten Wert.
3.2.4 Messverfahren bei einem offenen System
Im einfachen offenen System (Abb. 3.2) wird Luft u
¨ber ein Pumpsystem oder aus
einem Druckzylinder in das Messsystem geleitet und der Luftstrom, der in die Blattkammer eintritt, ermittelt. Nach dem Verlassen der Blattkammer wird die CO2 - und
H2 O-Konzentration in der Messzelle des IRGA gemessen und mit den Messwerten
aus der Referenzzelle verglichen. Danach tritt die Luft aus dem IRGA aus und wird
nicht wieder in das System zur¨
uckgef¨
uhrt. Aus der Differenz der CO2 -Konzentration
der Luft nach dem Austritt aus der Blattkammer und der vor dem Eintritt in diese,
dem Luftstrom F (mol s−1 ) und der Blattoberfl¨ache B (m2 ) folgt die Nettoassimilationsrate mit folgender Gleichung:
A=
∆C
F
B
µmol m−2 s−1
(3.3)
Analog gilt f¨
ur die Berechnung der Transpirationsrate:
T =
∆H
B
F
mmol m−2 s−1
(3.4)
mit ∆H als der Differenz der Wasserdampfkonzentration nach dem Austritt und vor
dem Eintritt in die Blattkammer. Die Transpirationsrate f¨
uhrt im Ausgang der Blattkammer zu einem Anstieg des Wasserdampfpartialdruckes und damit zu einer Erniedrigung des Partialdruckes aller u
unnungs¨brigen Gase. Dieser sogenannte Wasserverd¨
21
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
effekt muß als Korrekturwert bei der Berechnung der CO2 -Austauschraten unbedingt
ber¨
ucksichtigt [32] oder noch besser experimentell vermieden [29] werden.
3.3 Gaswechselsystem der Universit¨
at Duisburg-Essen
Die Gaswechselanlage ist im gesamten Automatisierungssystem eine zentrale Einrichtung. Mit deren Hilfe kann der Einfluss auf die physikalischen Prozessgr¨oßen von
Gaswechsel und Translokation gesteuert, aber auch Informationen u
¨ber den Verlauf
der Prozessgr¨oßen erfasst werden. Da die Konzeption des Automatisierungssystems
auf dieser Anlage basiert, werden im weiteren einige grundlegende Aspekte vorgestellt.
Abb. 3.3 (a) zeigt das stark vereinfachte Gesamtschema der Gaswechselanlage.
Dargestellt sind die Einzelkomponenten sowie die Wege der Eingangsgase durch die
gesamte Anlage. Hinsichtlich der wissenschaftlichen Anforderungen kann die Gaswechselanlage sowohl als geschlossene, periodisch geschlossene oder offene betrieben
werden. Eine einfache Darstellung der unterschiedlichen Einsatzarten zeigen Abb. 3.3
(b) und Abb. 3.3 (c). Aufgrund dieses modularen Aufbaus kann die Gaswechselanlage f¨
ur die unterschiedlichen pflanzenphysiologischen Experimente flexibel konfiguriert
werden.
Einige Details zu diesem System: Als Gase werden hier nur CO2 -freie Luft und CO2
verwendet. Sind zus¨atzliche Eingangsgase erforderlich, so kann die Anlage erweitert
werden, indem zu den beiden Massendurchfluss-Kontrollern MFC1 und MFC2 weitere parallel angeordnet werden. Die Eingangsgase werden u
¨ber die Gasmischkammer
MX1 zusammengef¨
uhrt. Mit diesen Eingangselementen und dem IRGA kann eine
spezifizierte Gaskonzentration im Gesamtsystem eingestellt werden. Die erforderliche
Luftfeuchte wird mit den Elementen: Luftbefeuchter (Hm1) und K¨altefalle (DP1)
realisiert.
22
3.3 Gaswechselsystem der Universit¨at Duisburg-Essen
A
a
IRGA1
GP2
MFM1
H1
LC
Loop 1
Loop 2
CComp
PD1
H2
3 2
CS2
MV2
LinT
4 1
MV1
2
1
DP2
3
4
GP3 DP3
Gas Exit
CS1
IRGA2
Gas Supply
MFC1
F1
F2
NV1
NV2
A
R
PRP
F1
Air*
MX1
GP1
Hm1 DP1
MFC2
CO 2
Cc
B
b
IRGA 1
D
d
IRGA 1
LC
MV2
Loop 1
Loop 2
Position of MV1
open: 1-2, 3-4
closed: 1-4, 3-2
2
1
3
4
R
A
Loop 2
MV2
LC
MV1
IRGA 2
R
A
IRGA 2
Loop 1
T1
T2
DP1
DP2
MV1
R
A
IRGA 2
Abbildung 3.3: Vereinfachte Gesamtdarstellung der Gaswechselanlage, (a) Gesamtdarstellung der Gaswechselanlage mit ihren Einzelkomponenten und die Wege der
Eingangsgase, (b) geschlossenes Gaswechselsystem, (c) offenes Gaswechselsystem (d)
¨
Testanordnung zur Uberpr¨
ufung des Einflusses des Wasserdampfpartialdruckes auf
die CO2 -Differenzmessungen im IRGA2, (Air): CO2 freie Luft, (CComp): CO2 Kompensationseinheit, (CO2 ): Kohlendioxid, (CS): Messanschluss, (DP): K¨altefalle, (F): Durchflussmesser, (GP): Gaspumpe, (H): Feuchtesensor, (IRGA1): absolut
IRGA, (IRGA2): differentieller IRGA; Analysierende (A)- und Referenz (R) Messzelle,
(LC): Blattkammer, (LintT): Kammer zum Testen der Linarit¨at des IRGA, (MFC):
Massendurchfluss-Kontroller, (MFM): Massendurchfluss-Messger¨at, (MV): Magnetventil, (MX): Gasmischkammer, (NV): Nadelventil, (PD): differentieller Druckmesser,
(PRP): Druckreferenzpunkt, (R): Referenzzelle IRGA2, (T): Temperatur, Quelle: [29]
23
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
Mit den beiden Magnetventilen MV1 und MV2 kann das Gaswechselsystem sowohl
als offenes oder geschlossenes System konfiguriert werden. Dazu k¨onnen MV2 Loop
1 und Loop 2 miteinander verbunden werden. Zusammen mit der Stellung von MV1
ist das System geschlossen Abb. 3.3 (b) oder offen Abb. 3.3 (c). Im offenen System
gelangt eine Teilmenge der Eingangsluft in die Referenzzelle des differentiell messenden IRGA2. Die Hauptmenge der Eingangsluft wird in die Blattkammer geleitet. Die
aus der Blattkammer austretende Luft wird mit der zweiten Messzelle des IRGA2
analysiert und danach nicht wieder in die Anlage zur¨
uckgef¨
uhrt. Das Messverfahren des offenen Systems ist in dem Kapitel Messverfahren bei einem offenen System
(Kapitel 3.2.4) beschrieben.
Bei einem geschlossenen System zirkuliert die zu messende Luft kontinuierlich und
mit konstantem Druck durch die Pumpe, Blattkammer und dem absolut messenden
IRGA1. Die Grundlagen f¨
ur das Messprinzip sind in dem Kapitel Messverfahren bei
einem geschlossenen System (Kapitel 3.2.2) erkl¨art.
Weitere Informationen und eine ausf¨
uhrliche Beschreibung und die Spezifikationen
der Gaswechselanlage sind in der Literatur [29, 33] zu finden.
3.4 Translokationsmessungen
3.4.1 Grundlagen Stofftransport
Die Organisation der h¨oheren Pflanzen ist durch die Gliederung in die drei Grundorgane Wurzel, Sprossachse und Bl¨atter gekennzeichnet [22]. Der Stofftransport zwischen diesen Organen, aber auch innerhalb derselben, verl¨auft haupts¨achlich in speziell entwickelten Ferntransportbahnen, die f¨
ur einen effektiven Austausch von Wasser,
N¨ahrstoffen oder Assimilationsprodukten zwischen Wurzel und Blatt zust¨andig sind.
Die Leitbahn, in der Wasser und N¨ahrstoffe von den Wurzeln zu den oberirdischen
Pflanzenteilen transportiert werden, ist das Xylem. Im Gegensatz dazu transpor-
24
3.4 Translokationsmessungen
tiert das Phloemgewebe Photosyntheseprodukte aus den ausgewachsenen Bl¨attern
zu wachsenden und speichernden Pflanzenteilen [34].
Die Leitbahnen (siehe Abb. 3.4) mit Xylem und Phloem durchziehen die gesamte
Pflanze. Das Phloem befindet sich auf der nach außen gewandten Seite der Trans-
Phloem
Xylem
Leitbündel
Abbildung 3.4: Querschnittsdarstellung des Leitb¨
undels vom Ranunculus repens (dt.
Bez. Hahnenfuss), Quelle: [35]
lokationsgewebe und bildet in B¨aumen z.B. die Innenseite der Rinde aus. Der Ferntransport der Assimilate findet in den sogenannten Siebelementen statt. Diese walzenf¨ormigen Siebelemente bilden eine Siebr¨ohre mit Siebplatten zwischen den einzelnen Elementen. Diese Siebplatten sind mit Poren versehen und erm¨oglichen dadurch
einen mehr oder weniger ungeordneten Stofftransport durch die Siebr¨ohren. Neben
den Siebelementen befinden sich Geleitzellen, die in einem funktionellen Zusammenhang mit den Siebelementen am Ferntransport beteiligt sind. Sie bilden zusammen
den Siebelement-Geleitzellen-Komplex [22].
Die Transportrichtung der Assimilate erstreckt sich von den source- zu den sink Geweben. Als source bezeichnet man jedes exportierende Organ, in der Regel ein
ausgewachsenes Blatt, das mehr photosynthetische Assimilate produziert als es selbst
25
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
verbraucht. Nicht-photosynthetische Organe der Pflanze, aber auch Organe, die nicht
ausreichend Photosyntheseprodukte f¨
ur eigenes Wachstum erzeugen k¨onnen, sind
auf den Import von organischen Stoffen angewiesen und werden als sink bezeichnet.
Wurzeln, Knollen, sich entwickelnde Fr¨
uchte, aber auch noch nicht ausgewachsene
Bl¨atter, die Kohlenhydrate ben¨otigen, sind Beispiele f¨
ur sink Gewebe [34].
Die im Phloem translozierten Substanzen sind vor allem Kohlenhydrate. Saccharose ist der am h¨aufigsten in den Siebelementen vorkommende Zucker, daneben findet
man auch einige Oligosaccharide wie Raffinose, Stachyose u.a. [19]. Auch andere
organische Substanzen werden im Phloem transportiert, so kommt Stickstoff vor
allem in Form von Aminos¨auren im Phloem vor. Die Konzentrationen an diesen
Verbindungen sind jedoch wesentlich geringer als die der Kohlenhydrate. Neben den
Assimilaten wird im Phloem ein Vielzahl weiterer Stoffe transportiert: Phytohormone erm¨oglichen eine Gesamtabstimmung der unterschiedlichen Pflanzenabschnitte
aufeinander [19]. Proteine und RNA-Molek¨
uhle im Phloemsaft vermitteln eine Art
Fernkommunikation [17].
Des weiteren spielt das Phloem eine wichtige Rolle bei der Wechselwirkung der
Pflanze mit phytopathogenen Organismen. Einerseits wurden Viren und Bakterien in
den Siebelementen gefunden, andererseits werden im Phloem Substanzen transportiert, die zu der sogenannten systemisch aktivierten Resistenz f¨
uhren. Hier werden
von einem befallenen Pflanzenteil Substanzen in befallsfreie Pflanzenteile u.a. via
Phloem transportiert, wodurch deren Resistenzniveau erh¨oht wird [36].
Die Gewinnung und Analyse von Phloemsaft erweist sich als sehr schwierig, da der
Saft aus einzelnen Siebelementen entnommen werden m¨
usste. H¨aufig werden aber bei
der Phloemsaftentnahme benachbarte Zellen besch¨adigt, wodurch die Zusammensetzung der Fl¨
ussigkeit ver¨andert wird. Um derartige Phloemsaftverunreinigungen bei
der Probenentnahme zu vermeiden, wird der Saft h¨aufig mit Hilfe von Blattl¨ausen
(Aphiden) gewonnen. Diese stechen mit ihrem R¨
ussel in ein einzelnes Siebelement eines Blattes oder eines Blattstiels. Der in den Siebelementen herrschende Turgordruck
dr¨
uckt den Saft in den Verdauungstrakt der Blattlaus. Schneidet man den R¨
ussel ab,
26
3.4 Translokationsmessungen
dann l¨asst sich ein relativ unver¨anderter Phloemsaft gewinnen und analysieren [34].
Phloemtransport dient haupts¨achlich dem Ferntransport von photosynthetisch gewonnenen Kohlenhydraten. Bevor die organischen Substanzen in den Leitbahnen
transloziert werden k¨onnen, m¨
ussen sie zun¨achst aus den photosynthetisch aktiven
Zellen in die Siebelemente gelangen. Dies wird als Phloembeladung bezeichnet. Im
ersten Schritt der Phloembeladung fließen Photosyntheseprodukte u
¨ber einen Kurzstreckentransport in die N¨ahe der Siebelemente der kleinsten Blattadern. Im zweiten
Schritt, der Siebelementbeladung, wird Zucker in die Geleitzellen und Siebelemente
aufgenommen. Gelangen diese in die Siebelemente, dann werden sie zu den sink Bereichen exportiert. Dort erfolgt die Entladung der in Phloem transportierten Verbindungen. Die Transportzucker verlassen den Siebzellen-Geleitzellen-Komplex und
fließen zu den sink -Zellen. Die Phloembeladung an der source und die Entladung am
sink erzeugen dabei die treibende Kraft f¨
ur die Translokation in den Siebelementen.
Der Mechanismus dieses Transportes wird mit Hilfe des Druckstrom-Modells erkl¨art
[34]. Das Modell besagt, dass eine osmotisch erzeugte Druckdifferenz die treibende
Kraft f¨
ur den Fluss in den Siebelementen ist.
Die Phloembeladung, d.h. der Transfer von Photoassimilaten in die Siebelemente
an der source, ist energiegetrieben. Auf diese Weise kommt es im source Organ zu
einer hoher Konzentration osmotisch aktiver Verbindungen in den Siebelementen.
Dies f¨
uhrt zu einem Einstrom von Wasser aus den benachbarten Zellen und erzeugt
einen hohen Turgordruck. Am anderen Ende des Translokationsweges kommt es aufgrund der (aktiven) Entladung zu einer niedrigen osmotischen Stoffkonzentration in
den Siebelementen des sink. Diese f¨
uhrt zu einem Wasseraustritt aus den Siebelementen in die benachbarten Zellen. Aufgrund dieser Mechanismen wird Wasser mit
den darin gel¨osten Stoffen (Assimilaten) in einer Massenstr¨omung somit von Orten
mit hohem Druck (source) zu Orten mit niedrigem Druck (sink ) transportiert [18].
Die Flussgeschwindigkeiten im Phloem k¨onnen dabei betr¨achtliche Ausmaße erreichen zwischen 0.3 und 1.5 m h−1 [34]. Derartige Flussgeschwindigkeiten werden h¨aufig
mit Hilfe radioaktiv markierter Substanzen gemessen. Bei solchen Experimenten wird
27
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
radioaktiv markiertes CO2 f¨
ur kurze Zeit an einem source Blatt (siehe Abb. 3.5) appliziert (Puls-Markierung) und das Auftreten dieser Substanz im sink -Gewebe oder
an einen bestimmten Ort entlang des Translokationsweges mit geeigneten Detektoren
gemessen.
11
CO2
BK
D6
D5
D4
D3
D2
D1
Abbildung 3.5: Versuchsaufbau f¨
ur Translokationsmessungen, BK: Blattkammer,
D1..D6: Detektoren
Zu diesen radioaktiven Markierungssubstanzen geh¨oren die Kohlenstoff Isotope
14
C (t1/2 = 5730 Jahre) und
11
C (t1/2 = 20, 4 min). Untersuchungen mit
14
C-CO2
werden aufgrund der deutlich h¨oheren Halbwertzeit sowie die Energie der emittierten
Elektronen (β-Teilchen, E = 158 KeV) bei
14
C niedrig ist gegen¨
uber
11
C, wird diese
Methode als destruktiv bezeichnet [19]. Bei der Puls-Markierung wird dem sourceGewebe
14
CO2 angeboten, das anschließend metabolisiert wird und als Assimilat in
den Translokationsweg gelangt. Die untersuchte Pflanze wird nach einer festgelegten Zeit in kleine Proben zerteilt, um das r¨aumliche Verteilungsprofil der mit
markierten Substanzen zu bestimmen.
28
14
C
3.4 Translokationsmessungen
Die Anwendung von
11
C markiertem CO2 ist dagegen eine nicht destruktive Me-
thode, da die nach Positronen-Emission entstehenden γ-Quanten ("Bremsstrahlung"
mit E = 511 KeV) mit Hilfe von Szintillations-Detektoren an den gew¨
unschten Pflanzenteilen von außen gemessen werden [19].
Aufgrund der kurzen Halbwertszeit von
11
C k¨onnen diese Versuche an individuel-
len Pflanzen nach jeweils ca. 3 h beliebig oft wiederholt werden. Der Vorteil dieser
Methode besteht also darin, dass z.B. saisonale Translokationsmuster, aber auch
Geschwindigkeits¨anderungen des Assimilatetransports in Phloem, untersucht werden k¨onnen [37]. Somit lassen sich mit
11
C markierten Assimilaten r¨aumliche und
¨
zeitliche Anderungen
im Transportverhalten von Pflanzen feststellen [38].
3.4.2 Translokationsmessungen
F¨
ur die Durchf¨
uhrung entsprechender Experimente ist das kurzlebige Radioisotop
11
C erforderlich, welches als
11
CO2 mit Hilfe eines Kompakt-Cyclotron (CV-28) im
Radiologischen Zentrum der Universit¨at Duisburg-Essen hergestellt wird. Die Produktion des Radioisotop ist in der Literatur [39] erl¨autert.
In einem Experiment mit 11 C markiertem CO2 wird das 11 CO2 in der Regel in ein
geschlossenes Gaswechselsystem injiziert (vgl. Kapitel 3.2.1). In diesem System ist
ein source Teil einer Pflanze - meistens ein ausgewachsenes Blatt - eingespannt. Das
11
CO2 wird von der Pflanze aufgenommen und in die Photoassimilate eingebaut, die
dadurch radioaktiv markiert werden. Diese markierten Assimilate werden zusammen
mit den unmarkierten u
¨ber die Leitbahnen des Phloem in die weiteren Grundorgane
der Pflanze transportiert.
Mit geeigneten Detektoren und Auswerteelektronik (siehe Abb. 3.6) kann der
Transport der
11
C markierten Assimilate gemessen werden. Als Detektor f¨
ur den
Nachweis der γ-Strahlung (bis E = 960 KeV) werden Szintillationskristalle z.B. NaJ
oder BGO eingesetzt [39]. In solchen Detektoren erzeugt der Einfall eines geladenen Teilchens oder eines γ-Quant ein dem Energieverlust entsprechenden Lichtblitz
29
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
γ-Strahlung
S PMT
•
H
H
H
H
PA
SCA
C
b
+HV
Abbildung 3.6: Stark vereinfachte Darstellung der Auswerteelektronik f¨
ur die Translokationsmessungen, S: Szintillatorkristall, PMT: Photomultiplier mit Photokathode,
PA: Verst¨
arker, SCA: Einzelkanalanalysator, C: Counter/Timer
(Photonen) [40]. Die Registrierung dieser Photonen erfolgt durch Photoeffekt an der
Kathode des Photomultipliers. Die an der Photokathode erzeugten Photoelektronen
werden durch den Photomultiplier verst¨arkt (Verst¨arkung typ. 107 ) [41]. Das Ausgangssignal - Anode des Photomultipliers - wird f¨
ur eine weite Verarbeitung mit dem
Einzelkanalanalysator angepasst. Die standardisierten Ausgangsimpulse des Einzelkanalanalysators werden mit Hilfe des nachgeschalteten Z¨ahlers u
¨ber ein definiertes
Zeitfenster summiert. F¨
ur die Analyse der Messdaten erforderlichen Methoden sind
in der Literatur er¨ortert [39].
30
3.5 Sensoren und Aktoren f¨
ur das GTPROZESSAS
3.5 Sensoren und Aktoren fu
¨r das GTPROZESSAS
In diesem Kapitel wurden die pflanzenphysiologischen Messmethoden aufgezeigt. Dabei ist deutlich geworden, dass die Gaswechselanlage f¨
ur eine Umsetzung der gaswechselanalytischen Messverfahren und die Translokationsmessungen, in Verbindung
mit der Auswerteelektronik f¨
ur die γ-Strahlung, eine wesentliche Grundlage darstellt.
Diese Messmethoden bilden auch f¨
ur das zu konzipierende GTPROZESSAS die Basis. Aufgrund dieser Tatsache ist eine Integration der eingesetzten Aktoren (siehe
Tabelle 3.1 und 3.2) und Sensoren (siehe Tabelle 3.3 und 3.4) in das GTPROZESSAS
erforderlich, welche f¨
ur die Detektion und Steuerung der einzelnen Prozessgr¨oßen
notwendig sind.
Die in den Tabellen aufgef¨
uhrten Aktoren und Sensoren sind dem entsprechenden
I/O-Modul des PXI/SCXI-Datenerfassungssystems (siehe Tabelle 6.1) zugeordnet.
Das entsprechende K¨
urzel charakterisiert in der Excel Steuerdatei eindeutig den I/OKanal.
I/O-Modul SCXI-1124 (Aktoren/Regler)
Kanal
K¨
urzel
Bezeichnung
Funktion im GTPROZESSAS
0
MFC-01
Mass Flow Controller
Durchfluss CO2 -freie Luft
1
MFC-02
Mass Flow Controller
Durchfluss CO2
3
FM1-set
Sipart Regler 1
Durchfluss im System
4
Pd1-set
Sipart Regler 1
Druck in der Blattkammer
5
CG-set
Sipart Regler 1
CO2 -Dosierung u
¨ber V50
2
Tabelle 3.1: Aktoren und Regler f¨
ur das GTPROZESSAS
Zus¨atzlich werden Massendurchflussmesser und -regler (siehe Abb. 3.5) des Herstellers Bronkhorst eingesetzt. Sowohl die Messger¨ate wie auch die Regler werden
u
¨ber einen Feldbus RS-485 untereinander verbunden und k¨onnen u
¨ber einen entsprechenden Controller mit dem Host-System u
¨ber die RS-232 Schnittstelle kommunizieren.
31
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
I/O-Modul SCXI-1163 (Aktoren)
Kanal
K¨
urzel
Bezeichnung
Funktion im GTPROZESSAS
0
V1
Magnetventil
Eingang Stickstoff
1
V2
Magnetventil
Eingang CO2 -freie Luft
2
V3
Magnetventil
Eingang Sauerstoff
3
V4
Magnetventil
Eingang CO2
5
V6
Magnetventil
Eingang Pr¨
ufgas
6
V7
Magnetventil
Eingang Pr¨
ufgas
7
V8+GP5
Magnetventil/Gaspumpe
Gasversorgung der Referenzseite
10
MV1
Mehrwegeventil
Umschaltung Luft/Gasmischung
11
MV2
Mehrwegeventil
Umschaltung auf Absorber 1
12
MV3
Mehrwegeventil
Umschalter auf Dreyer 1
13
MV4.1
Verteilerventil
Stickstoff
14
MV4.2
Verteilerventil
Luft/Gasmischung Line 2
15
MV4.3
Verteilerventil
Gasmischung/Luft Line 1
17
MV5
Mehrwegeventil
¨offnet/schließt das System
18
MV6
Mehrwegeventil
¨offnet/schließt
19
MV7.1
Verteilerventil
Ausgang
20
MV7.2
Verteilerventil
Ausgang Absorber 2
21
MV7.3
Verteilerventil
Ausgang Absorber 3
22
MV10
Verteilerventil
Diff.-Bal.
23
MV12
Verteilerventil
24
MV13
Verteilerventil
25
MV15
Verteilerventil
26
CG-0/1
Sipart Regler 5
24 V f¨
ur CO2 -Regelung
27
FG-0/1
Gebl¨
ase Klimakammer
Frischluft
28
AG-0/1
Absorber Klimakammer
CO2 -Absorption
4
8
9
16
11
C-Bypass
29
30
31
Tabelle 3.2: Diskrete Aktoren f¨
ur das GTPROZESSAS
32
3.5 Sensoren und Aktoren f¨
ur das GTPROZESSAS
I/O-Modul SCXI-1100 (Sensoren)
Kanal
K¨
urzel
Typ
Bezeichnung
Funktion im GTPROZESSAS
0
Ce1
D
Binos 4.1
CO2 absolut im geschlossenen System
1
Ce2
D
Binos 4.11
CO2 absolut im geschlossenen System
2
Cd
D
Binos 100
CO2 Differenz im geschlossenen System
4
he
G
Vaisala HMP130 Y
Feuchte relativ vor Blattkammer
5
ho
G
Vaisala HMP130 Y
Feuchte relativ hinter Blattkammer
6
te
G
Vaisala HMP130 Y
Temperatur von he (Eingang)
7
to
G
Vaisala HMP130 Y
Temperatur von ho (Ausgang)
Tylan FM 360
Durchflussrate im System
3
8
9
10
11
12
13
FM1
MFM
Pa1
D
Honeywell 142PC15AL
Luftdruck (Atmosph¨are)
Pd1
D
Honeywell 142PC15AL
Differenzdruck Blattkammer/Atmosph¨are
20
tKK
G
Stankowitz hd7-W24S
Temperatur in KK (Schaltschrank)
21
hKK
G
Stankowitz hd7-W24S
Feuchte relativ in KK (Schaltschrank)
22
CG
D
WMA-2(C)
CO2 absolut in der Klimakammer (KK)
23
eLC
D
WMA-2(C)
CO2 absolut in der externen Blattkammer
14
15
16
17
18
19
24
25
26
27
28
29
30
(he*)
31
(ho*)
Tabelle 3.3: Sensoren f¨
ur das GTPROZESSAS, D: Drucksensor, G: Ger¨at mit analogem
Ausgang f¨
ur Temperatur und Feuchte, MFM: Mass Flow Meter
33
3 Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden
I/O Modul SCXI-1112 (Sensoren)
Kanal
K¨
urzel
Typ
Bezeichnung
Funktion im GTPROZESSAS
0
tC
T
Ni/CrNi
Temperatur Blattkammer
1
tS
T
Ni/CrNi
Temperatur Blatt
2
tG
T
Ni/CrNi
Temperatur außerhalb Blattkammer
3
tD*
T
Ni/CrNi
Temperatur Taupunkt-Thermostat (DP3)
4
tD5
T
Ni/CrNi
Temperatur Taupunkt-Thermostat (DP5)
5
6
7
Tabelle 3.4: Temperatur-Sensoren f¨
ur das GTPROZESSAS, T: Thermoelement
RS-232 (Sensoren/Aktoren)
K¨
urzel
Bezeichnung
Funktion im GTPROZESSAS
MFC-11
Mass Flow Meter/Controller F-232M
Durchfluss CO2 -freie Luft
MFC-12
Mass Flow Meter/Controller F-232M
Durchfluss CO2
MFC-21
Mass Flow Meter/Controller F-200C
Durchfluss CO2 -freie Luft
MFC-22
Mass Flow Meter/Controller F-200C
Durchfluss CO2
Tabelle 3.5: Sensoren und Aktoren mit entsprechender Schnittstelle f¨
ur eine Kommunikations u
¨ber die RS-232
34
4 Anforderungen an das
GTPROZESSAS
Im Kapitel 2 wurde der Ist-Zustand des bisher eingesetzten Messsystems charakterisiert sowie die Defizite aufgezeigt. Dabei ist deutlich geworden, dass die dabei
eingesetzte Technologie keine Grundlage f¨
ur ein neues Mess- oder Automatisierungssystem sein kann.
Aufgrund dieser Tatsache entwickelte sich die Grundidee f¨
ur den Entwurf eines
GTPROZESSAS (siehe Abb. 4.1), welches die Defizite des alten Systems kompensiert
sowie die Anforderungen aus den neuen wissenschaftlichen Fragestellungen ber¨
ucksichtigt. Dazu beinhaltet das zuk¨
unftige Softwaresystem des GTPROZESSAS die
Gaswechsel- und Translokationsmessungen, ein bildgebendes Messverfahren und die
Steuerung der pflanzenphysiologischen Prozesse. Die Vorteile dieser Integration sind
u.a., dass eine korrelierte online Analyse der Messdaten aus den einzelnen Messsystemen, eine Synchronisierung der einzelnen Messsysteme aber auch eine Kommunikation zwischen den Rechenprozessen gegeben ist.
Als zentraler Punkt ist die Steuerung der pflanzenphysiologischen Prozesse zu sehen. Die Idee dabei ist, mit Hilfe einer Steuerdatei und einer programmierbaren
Steuerung die ¨außeren Parameter der Gaswechsel- und Translokationsprozesse beeinflussen zu k¨onnen aber auch Parameter des Messsystems (Speicherintervall der
Datenarchivierung, Integrationszeit Bilderfassung u.a.) zu modifizieren. Dieses beinhaltet ein Vielzahl von Vorteilen gerade in Bezug auf eine flexible Erstellung und
Durchf¨
uhrung von komplexen wissenschaftlichen Experimenten aus dem Bereich der
35
4 Anforderungen an das GTPROZESSAS
DB
Softwaresystem
Steuern/Messen
Steuerdatei
Kalibrierungsdatei
LabVIEW Treiber
Fernüberwachung
und Steuerung
Internet
Hardwaresystem
FireWire
Basler
Digital-Kamera
Standardschnittstellen
Sensoren/Aktoren
GT-Prozesse
8487
8487
LI-7000
LI-7000
Integration von Komponenten aus dem Ist-Zustand
Abbildung 4.1: Grundidee f¨
ur den Entwurf des GTPROZESSAS
36
Mess- oder
Automatisierungsgeräte
Pflanzenphysiologie.
In Analogie zu der Steuerdatei f¨
ur die Beeinflussung der Prozesse soll f¨
ur das
Messsystem eine entsprechende Datei f¨
ur die Kalibrierung der einzelnen Sensoren
importiert werden. F¨
ur den Anwender ergibt sich aus dieser Vorgehensweise die
M¨oglichkeit, sein Messsystem neu zu konfigurieren ohne Eingriff in die Anwendersoftware. Dieses erh¨oht zugleich die Flexibilit¨at hinsichtlich des Einsatzes unterschiedlicher Sensoren.
F¨
ur eine effektive Erstellung der komplexen Anwendersoftware soll als Entwicklungsumgebung LabVIEW eingesetzt werden. Die modular aufgebaute Architektur
der Entwicklungsumgebung erm¨oglicht, eine große Anzahl von Zusatzmodulen und
spezielle Tools zu integrieren und f¨
ur eine Entwicklung der Applikation zu nutzen.
Aber nicht nur zur Erstellung der Applikation kann LabVIEW eingesetzt werden,
sondern durch die vorhandene Treiberstruktur ist eine schnelle Integration von unterschiedlichen Hardwarekomponenten, aus dem Bereich der Mess,- Steuer- und Regelungstechnik, gegeben. Dieses beinhaltet u.a. diskrete- und analoge Ein- Ausgabekan¨ale, Ger¨ate, welche u
¨ber standardisierte, multifunktionale Schnittstellen kommunizieren k¨onnen sowie entsprechende Schnittstellen f¨
ur Win32 Anwendungen. Diese
Aspekte sollen f¨
ur das GTPROZESSAS genutzt werden.
Aufbauend auf dieser Grundidee soll ein Konzept f¨
ur das GTPROZESSAS entwickelt werden. Dazu wird zun¨achst ein Kriterienkatalog erstellt, der den aktuellen
Technologien entsprechend einzuhalten ist, um einen Fortschritt bei dem Einsatz des
GTPROZESSAS zu erlangen. Es wird mit Anforderungen begonnen, die sich auf den
allgemeinen Aufbau beziehen. Danach werden die funktionalen Anforderungen an
die Automation f¨
ur die Steuerung der Gaswechsel- und Transportprozesse sowie an
das Messsystem gestellt.
37
4 Anforderungen an das GTPROZESSAS
4.1 Allgemeine Anforderungen
Die allgemeinen Anforderungen an das GTPROZESSAS sollen weniger die abzubildende Funktionalit¨at ber¨
ucksichtigen, es soll vielmehr sichergestellt werden, dass das
GTPROZESSAS dem Anspruch gerecht wird, in diesem wissenschaftlichen Bereich
universell einsetzbar zu sein. Dazu geh¨oren:
• Struktur
• Modularer Aufbau
• Erweiterbarkeit
Struktur
Durch die umfangreichen und komplexen Automatisierungsfunktionen - diese beinhalten u.a. messen, steuern und regeln der Prozessgr¨oßen, Prozess¨
uberwachung, Prozessauswertung - die durch das GTPROZESSAS auszuf¨
uhren sind, ist sicherzustellen, dass eine Strukturierung in einzelne, durch die Funktionen definierte Teilsysteme erfolgt. Diese Vorgehensweise erh¨oht die Transparenz des Gesamtsystems und
erm¨oglicht, das GTPROZESSAS den jeweiligen Erfordernissen flexibel anzupassen.
Dazu sind u.a. die Module f¨
ur die Steuerung der einzelnen Prozesse deutlich von den
Modulen f¨
ur das Messsystem zu unterscheiden.
Modularer Aufbau
Das GTPROZESSAS muß einen modularen Aufbau besitzen, um entsprechend seines
Einsatzes konfigurierbar zu sein. Dabei ist die Modularit¨at differenziert zu betrachten f¨
ur den Hard- und Softwarebereich. Die Modularit¨at im Hardwarebereich muß
sicherstellen, dass bei Bedarf einzelne Module ersetzt, aufger¨
ustet oder vorhandene
auf den aktuellen Stand der Technologie angepasst werden k¨onnen. Eine Zielsetzung
dabei ist sicherlich auch, die Ausfallzeiten des GTPROZESSAS zu minimieren.
Die Module im Softwarebereich m¨
ussen Funktionsgruppen abbilden. Dazu ist unter dem Begriff Funktionsgruppe ein bin¨arer, wiederverwendbarer Softwareteil zu
38
4.2 Funktionale Anforderungen
verstehen, der unabh¨angig oder zusammen mit weiteren Teilen eine gesamte Softwareapplikation ausmachen kann.
Erweiterbarkeit
Die Erweiterbarkeit des GTPROZESSAS sei als einer der wichtigsten Punkte der allgemeinen Anforderungen genannt. Gerade weil der Einsatz dieses Systems im Forschungsbereich liegt, wo nicht in einem eng abgegrenzten Bereich gearbeitet wird,
sondern sich durch die wissenschaftlichen Anforderungen st¨andig ¨andernde Fragestellungen ergeben, muß das GTPROZESSAS nicht nur flexibel eingesetzt, sondern
auch genauso flexibel erweitert werden k¨onnen.
4.2 Funktionale Anforderungen
In dem Kapitel Allgemeine Anforderungen wurde auf die Anforderung an die Struktur des Gesamtsystems eingegangen. Diese soll sich in Bezug auf die abzubildenden
Funktionalit¨aten des GTPROZESSAS eindeutig differenzieren. Aus diesem Aspekt
ergeben sich die zwei Basismodule: Steuerung der pflanzenphysiologischen Prozesse
und das Messsystem. Im weiteren wird ausf¨
uhrlich auf die funktionalen Kriterien,
welche an diese Module gestellt werden, eingegangen.
4.2.1 Anforderungen an die Steuerung der
pflanzenphysiologischen Prozesse
Wissenschaftliche Experimente im Bereich der Pflanzenphysiologie charakterisieren
sich durch komplexe und zeitaufwendige Versuchsabl¨aufe von wenigen Stunden bis
mehreren Tagen. F¨
ur die Steuerung des Versuchsablaufes dieser Experimente m¨
ussen
eine Vielzahl von Prozessgr¨oßen parallel oder sequentiell, zeitsignifikant und spezifisch f¨
ur den Versuchsablauf gesteuert werden. In Abb. 4.2 ist dieses exemplarisch
f¨
ur ein typisches Experiment aus dem Bereich der Gaswechselmessungen dargestellt.
39
4 Anforderungen an das GTPROZESSAS
Bei diesem Experiment m¨
ussen in dem Zeitraum von t0 bis tn ein Vielzahl von unterschiedlichen Ereignissen ausgef¨
uhrt werden.
Sicherlich kann versucht werden, mit Hilfe einer manuellen Steuerung den Anforderungen an den Versuchsablauf gerecht zu werden. Dieses w¨
urde jedoch bedeuten,
dass eine st¨andige Interaktion durch den Anwender notwendig ist, um die Prozessgr¨oßen zu beeinflussen. Gerade die daraus resultierenden Konsequenzen in Bezug
auf Reproduzierbarkeit des Experiments, die Flexibilit¨at und der zeitliche begrenzt0
Start Experiment
t1
Start Datenaufzeichnung
t2
Magnetventil V3 und V4 ¨offnen
t3
Erh¨
ohung CO2 -Konzentration
t4
Start lineare Druckerh¨ohung
p6
t4
tn
-
t
Ende Experiment
?
Abbildung 4.2: Typischer Versuchsablauf f¨
ur ein wissenschaftliches Experiment aus
dem Bereich der Pflanzenphysiologie
te Rahmen f¨
ur die Versuchsdurchf¨
uhrung sowie die mit der manuellen Steuerung
verbundenen funktionalen Einschr¨ankungen sind f¨
ur die neuen wissenschaftlichen
Fragestellungen aus dem Forschungsvorhaben nicht mehr akzeptabel. Aus diesen
Gr¨
unden definiert sich die zentrale Aufgabe an die Steuerung der pflanzenphysiologischen Prozesse: Komplizierte, reproduzierbare wissenschaftliche Experimente u
¨ber
eine spezielle Steuerdatei und einer programmierbaren Steuerung zu beeinflussen.
Eine manuelle Steuerung des Experiments u
¨ber eine Benutzeroberfl¨ache ist dabei
40
4.2 Funktionale Anforderungen
nur als Erg¨anzung zu sehen, z.B. f¨
ur eine Fehlerdiagnose, Kalibrierung der einzelnen
Komponenten des Gesamtsystems oder zur Organisation eines Testlaufs, bevor das
eigentliche Experiment startet.
F¨
ur die Umsetzung dieser Anforderungen ist eine spezielle Steuerdatei zu entwickeln, womit der Anwender die Durchf¨
uhrung seines Experiments im Vorfeld planen und mit Hilfe der programmierbaren Steuerung umsetzen kann. Die programmierbare Steuerung ist dabei als unabh¨angiges Modul zu betrachten, ohne Eingriffsm¨oglichkeit in den Softwarebereich. Durch diese Vorgehensweise wird gleichzeitig eine Optimierung bez¨
uglich des Einsatzes des GTPROZESSAS erzielt, da keine
Einarbeitung in die Anwendersoftware notwendig ist und die Versuchsdurchf¨
uhrung
unabh¨angig von der Applikation und reproduzierbar entwickelt werden kann. F¨
ur
die unterschiedlichen Forschungsvorhaben er¨offnet sich aus dieser Vorgehensweise
erst die M¨oglichkeit, Experimente durchzuf¨
uhren, die auf einem breiten Spektrum
wissenschaftlicher Fragestellungen basieren.
Bei der Umsetzung der zu konzipierenden Steuerdatei sind die spezifischen Eigenschaften bei der Versuchsdurchf¨
uhrung im Bereich der Pflanzenphysiologie zu
ber¨
ucksichtigen, die sich aus den unterschiedlichen wissenschaftlichen Forschungsvorhaben ergeben. Diese Anforderungen an die Versuchsdurchf¨
uhrung lassen sich in
die folgenden Bereiche aufteilen:
• Modularit¨at und Erweiterbarkeit
• Steuerung der Prozessgr¨oßen
• Kommunikation mit dem Messsystem
• Steuerung der Experimente
Modularit¨
at und Erweiterbarkeit
Damit eine Automatisierung der Versuchsdurchf¨
uhrung auch effektiv auf neue Experimente transformiert werden kann, soll die konzipierte Steuerdatei modular aufgebaut - bezogen auf die Einzelfunktionen - und flexibel erweiterbar - bezogen auf
die Struktur - sein. Diese Modularit¨at und Erweiterbarkeit seien als der wichtigste
41
4 Anforderungen an das GTPROZESSAS
Punkt f¨
ur die konzeptionelle Grundlage genannt.
Steuerung der Prozessgr¨
oßen
Grundlegend muß sichergestellt werden, dass sich mit Hilfe der Steuerdatei und der
programmierbaren Steuerung alle Prozessgr¨oßen selektiv beeinflussen lassen. Diese
Prozessgr¨oßen sollen zus¨atzlich entsprechenden spezifizierten Parametern zugeordnet
werden. Damit besteht die M¨oglichkeit, den Prozess direkt zu beeinflussen und das
Experiment flexibel zu steuern.
Kommunikation mit dem Messsystem
Da die Softwarestruktur des GTPROZESSAS modular aufgebaut wird, ist eine Kommunikation zwischen den Prozessen des Messsystems und der Steuerung erforderlich.
Damit soll sichergestellt werden, dass ein Austausch von Daten zwischen den parallel
ablaufenden Prozessen m¨oglich ist. Dazu ist eine geeignete Schnittstelle zu definieren, welche den Informationsaustausch steuert.
Steuerung der Experimente
F¨
ur die Versuchsdurchf¨
uhrung ist eine programmierbare Ablaufsteuerung erforderlich, mit welcher der Anwender in der Lage ist, sein Experiment zeitsignifikant
und/oder mit entsprechenden Bedingungen auszuf¨
uhren. Bedingungen definieren sich
als komplexe Abfragen oder als Verkn¨
upfungen der Prozessgr¨oßen.
42
4.2 Funktionale Anforderungen
4.2.2 Anforderungen an das Messsystem
Allgemeine Anforderungen
Neben dem Modul f¨
ur die Steuerung der pflanzenphysiologischen Prozesse besitzt
das Messsystem eine wichtige Stellung im GTPROZESSAS. Zentrale Aufgabe dieses Moduls ist die Erfassung, Analyse, Pr¨asentation und Archivierung der physikalischen Prozessgr¨oßen von Gaswechsel-, Translokationsprozessen und dem bildgebenden Messverfahren. Dabei ist sicherlich bei der Konzeption der Erfassung und
Analyse der Messdaten eine große Bedeutung zuzuordnen, da die Pr¨asentation (¨
uber
Graph- und Chart-Darstellung) und Archivierung (filebasierte Datenbank) auf grundlegenden Funktionen basieren und nur funktional in das Messsystem integriert werden. Die allgemeinen Anforderungen strukturieren sich in die Bereiche:
• Aufbau des Messsystems
• Erfassung der Messdaten
• Analyse der Messdaten
• Integration der pflanzenphysiologischen Messmethoden
Aufbau des Messsystems
Grundlegend soll das Messsystem so aufgebaut werden, dass der Anwender die einzelnen pflanzenphysiologischen Prozesse und das bildgebende Verfahren selektiv ausw¨ahlen und in ihren Anteilen flexibel kombinieren kann. Dabei ist sicherzustellen,
dass bei allen Kombinationen eine synchrone und periodische Messdatenerfassung
gew¨ahrleistet ist.
Erfassung der Messdaten
Die Programme f¨
ur die Messwerterfassung m¨
ussen so aufgebaut werden, dass der
Einsatz als unabh¨angiges Einzelprogramm - Modul - m¨oglich ist, aber gleichzeitig
auch in das GTPROZESSAS zu integrieren sind. Dadurch besteht die M¨oglichkeit,
43
4 Anforderungen an das GTPROZESSAS
die komplexen Programme selektiv zu testen, die einzelnen Bestandteile der Anlage
zu u
ufen, einzustellen oder zu kalibrieren. Damit soll das GTPROZESSAS f¨
ur
¨berpr¨
konkrete Experimente anzupassen und auch f¨
ur zuk¨
unftige Fragestellungen leicht zu
modifizieren sein.
Die Messdatenerfassung muß sicherstellen, dass eine periodische - bezogen auf das
Modul - und eine synchrone - bezogen auf die weiteren Module - Messdatenerfassung gew¨ahrleistet ist. Dabei ist neben der zeitsignifikanten Erfassung auch eine
Optimierung bez¨
uglich einer minimalen Prozessorzeit notwendig. Dieses ist deshalb
ein wichtiger Punkt, da bei der Bildverarbeitung mit rechenintensiven Anwendungen
bei der Bilddatenanalyse zu rechnen ist.
Analyse der Messdaten
Die Aufgabe der Analyse der Messdaten ist, die einzelnen physikalischen Prozessmesswerte zu kalibrieren (vgl. Kapitel 4.2.3) und die pflanzenphysiologischen Zusammenh¨ange zu berechnen. Diese Vorgehensweise soll schon w¨ahrend des Versuchsablaufes f¨
ur die Interpretation der experimentellen Daten genutzt werden.
Integration der pflanzenphysiologischen Messmethoden
Bei den beiden Prozessen f¨
ur den Gaswechsel und die Translokation werden spezifische Messmethoden eingesetzt, welche auf den in dem Kapitel Grundlagen der
pflanzenphysiologischen Messmethoden (Kapitel 3) beschriebenen Prinzipien basieren. Diese Messverfahren sind als die Grundlage f¨
ur die hier durchgef¨
uhrten Experimente an Pflanzen anzusehen. Aus diesem Grunde m¨
ussen die aufgezeigten Messverfahren angepasst und in das GTPROZESSAS integriert werden.
Bei einer Anzahl von wissenschaftlichen Fragestellungen ist es erforderlich, die
pflanzenphysiologischen Messverfahren mit einem bildgebenden Messverfahren zu
kombinieren. Damit k¨onnen parallele Informationen in Bezug auf Blattgeometrie,
Blattmorphologie und Blattwachstum detektiert werden (siehe Kapitel 4.2.4).
44
4.2 Funktionale Anforderungen
4.2.3 Anforderungen an die Gaswechsel- und
Translokationsmessungen
Als Erg¨anzung zu den allgemeinen Anforderungen an das Messsystem werden im
folgenden die spezifischen Anforderungen an die Gaswechsel-und Translokationsmessungen gestellt:
• Kalibrierung der Prozessgr¨oßenmessungen
• Integration von Messkomponenten
Kalibrierung der Prozessgr¨
oßenmessungen
Die Prozessgr¨oßen m¨
ussen bezogen auf die physikalischen Einheiten und Maßzahlen
kalibriert werden. Dazu ist ein geeignetes Verfahren mit dem Ziel zu entwickeln, die
einzelnen Prozessgr¨oßen ohne Eingriff in das Softwaresystem kalibrieren zu k¨onnen.
Diese Vorgehensweise erh¨oht die Transparenz und erlaubt dem Anwender ein hohes
Maß an Flexibilit¨at in Bezug auf die Konfiguration der eingesetzten Sensoren.
Integration von Messkomponenten
Komplexe Messsysteme beinhalten eine Vielzahl unterschiedlicher Messkomponenten (Datenerfassungskarten, I/O-Systeme, Messger¨ate uvm.) f¨
ur die Erfassung der
einzelnen Prozessgr¨oßen. Diese Fragmentierung l¨asst sich nicht immer vermeiden,
da f¨
ur spezifische Anforderungen geeignete Messverfahren/Messger¨ate ben¨otigt werden. Durch die Fragmentierung ist es oftmals aufwendig, die Messdaten physikalisch
auf eine Plattform zu konzentrieren und sie dann auch noch mit einer geeigneten
Applikation zu erfassen bzw. zu analysieren. F¨
ur komplexe Experimente in wissenschaftlichen Bereichen ist eine Fragmentierung auf der Ebene der Auswertesoftware
nicht akzeptabel.
Aus diesen Gr¨
unden ist es bei der Konzeption des GTPROZESSAS notwendig,
diesen Aspekt auf der Hardware- und Softwareebene von vorne herein zu ber¨
ucksich-
45
4 Anforderungen an das GTPROZESSAS
tigen. Dabei ist die Zielsetzung, ein offenes System zu entwickeln, das eine effektive
Integration von Messkomponenten gew¨ahrleistet.
4.2.4 Anforderungen an das bildgebende Messverfahren
Neben dem Konzept f¨
ur die Steuerung der Gaswechsel- und Translokationsmessungen
ist die M¨oglichkeit, ein optisches Messverfahren mit Hilfe der Bilderfassung einzusetzen, als eine wesentliche Erweiterung des GTPROZESSAS zu sehen.
Dieses optische Messverfahren wird im ersten Ansatz als Erg¨anzung zu den Gaswechselmessungen f¨
ur die Bestimmung der Blattfl¨ache ben¨otigt, da diese als rein
rechnerische Gr¨oße in die Formel f¨
ur die Photosyntheserate eingeht. F¨
ur zuk¨
unftige
Experimente soll dieses Messverfahren ausgedehnt werden z.B. auf die Bereiche der
Fluoreszenzmessungen oder zur Detektion von Pflanzenwachstum. Daher ist bei der
Konzeption zu ber¨
ucksichtigen, dass im ersten Ansatz dieses Verfahren als Erg¨anzung
zu sehen ist, zu einem sp¨ateren Zeitpunkt soll es jedoch auf weitergehende experimentelle Fragestellungen anwendbar und somit als eigenst¨andiges Messverfahren
einsetzbar sein.
4.3 Anforderungen an die Entwicklungsumgebung
Der zentrale Punkt zur Realisierung von komplexen Aufgabenstellungen aus dem
Bereich Mess- und Automatisierungstechnik ist die Auswahl einer geeigneten Entwicklungsumgebung. Die Grundlage daf¨
ur ist das Anforderungsprofil, welches sich
aus den Anforderungen an das GTPROZESSAS und aus den Erfahrungen im wissenschaftlichen Bereich definiert. Dieses beinhaltet:
• Integration von physikalischen Schnittstellen
• Schnittstelle zwischen Microsoft Windows basierten Applikationen
• Betrachtung als einheitliches und geschlossenes Gesamtsystem
46
4.3 Anforderungen an die Entwicklungsumgebung
Integration von physikalischen Schnittstellen
Bussysteme gewinnen in der rechnergest¨
utzten Mess- und Automatisierungstechnik
immer gr¨oßere Bedeutung. Sie stellen standardisierte physikalische Schnittstellen zur
Verf¨
ugung, an welchen Komponenten unterschiedlichster Funktionen in beliebigen
Konstellationen zusammengeschaltet werden k¨onnen. Nur so l¨asst sich ein hoher
Grad an Flexibilit¨at und Modularit¨at, wie er heute f¨
ur Mess- und Automatisierungssysteme gefordert wird, erreichen.
Bei der Entwicklungsumgebung muß sichergestellt werden, dass diese unterschiedlichen standardisierten Schnittstellen (RS-2321 , IEEE 4882 , IEEE 802.33 , IEEE 13944 )
durch eine geeignete I/O-Treibersoftware (z.B. VISA5 -Standard) bedient werden. Damit wird die Voraussetzung geschaffen, dass unterschiedliche Messkomponenten, die
diese Standards unterst¨
utzen, effektiv in das GTPROZESSAS zu integrieren sind.
1
RS-232: Der RS (Recommended Standard) Standard definiert die spezifischen Leitungen und
Signale, die durch serielle Kommunikations-Controller verwendet werden und stellt damit eine
¨
einheitliche Grundlage f¨
ur die Ubertragung
serieller Daten zwischen unterschiedlichen Ger¨aten
dar.
2
IEEE 488: Bit-Parallele, Byte-Serielle Kommunikation mit Hilfe eines Bussystems zwischen
Ger¨
aten aus dem Bereich der Mess- oder Automatisierungstechnik und einem Steuerrechner.
3
IEEE 802.3 (Ethernet): Weit verbreitete, herstellerneutrale Vernetzungstechnologie, mit der im
lokalen Netzwerk und einem entsprechenden Protokoll definierte Datenraten u
¨bertragen werden
k¨
onnen.
4
IEEE 1394 (FireWire): Serielle Schnittstelle mit Datenraten bis 400 Mbit/s, welche im wesentlichen f¨
ur den Einsatz in der Bildverarbeitung (Digitalkamera) konzipiert ist.
5
VISA: Virtual Instrumentation Software Architecture. VISA stellt ein einheitliches, hersteller¨
ubergreifendes Fundament f¨
ur die Entwicklung und Integration von Ger¨atetreibern dar, die
unabh¨
angig vom Messger¨
atetyp, Bus- oder Betriebssystem sind.
47
4 Anforderungen an das GTPROZESSAS
Schnittstelle zwischen Microsoft Windows basierten Applikationen
Flexibilit¨at im Softwarebereich bedeutet heutzutage, u
¨ber standardisierte Kommunikationsschnittstellen Daten mit weiteren Applikationen auszutauschen, aber auch
Funktionen, Methoden und Objekte ferngesteuert aufzurufen und zu manipulieren.
F¨
ur Windows Applikationen ist z.B. ActiveX6 als Standard in diesem Bereich zu nennen. Die Entwicklungsumgebung muß sicherstellen, dass eine Kommunikation zwischen Microsoft Windows basierten Applikationen auf der Softwareebene unterst¨
utzt
wird.
Betrachtung als einheitliches und geschlossenes Gesamtsystem
Komplexe Anwendungen aus dem Bereich der Mess- und Automatisierungstechnik
bestehen aus einer Vielzahl einzelner Messkomponenten. Die Entwicklungsumgebung
muss sicherstellen, dass diese nicht fragmentiert, sondern als das zu messende Objekt
betrachtet werden.
Die Umsetzung dieser aufgef¨
uhrten Anforderungen durch die Entwicklungsumgebung ist die Grundlage zur Realisierung des Gesamtsystems und erf¨
ullt die u
¨bergeordnete Forderung nach einem flexibel zu konfigurierenden GTPROZESSAS auch f¨
ur
zuk¨
unftige Forschungsvorhaben. In dem Kapitel Auswahl der Entwicklungsumgebung
(Kapitel 5) wird ausf¨
uhrlich auf diese Aspekte eingegangen.
6
ActiveX ist eine von Microsoft konzipierte Standard Schnittstelle, die eine Kommunikation sowie Steuerung zwischen Windows Applikationen erm¨oglicht und um Dokumente oder Code in
anderen Anwendungen zu integrieren.
48
5 Auswahl der
Entwicklungsumgebung
Bei der Konzeption eines komplexen Gesamtsystems aus dem Bereich der Mess- und
Automatisierungstechnik ist die Frage, mit welchen Entwicklungswerkzeugen dieses Konzept umgesetzt werden kann, von großer Bedeutung. Diese Entscheidung ist
gekoppelt mit dem Kriterienkatalog, der sich aus den Anforderungen an das Gesamtsystem ergibt. Umgekehrt kann sich das eingesetzte Entwicklungswerkzeug auch auf
die Konzeption auswirken, indem es z.B. spezielle Tools oder entsprechende Treiber
zur Verf¨
ugung stellt, welche schon im Vorfeld bei der Konzeption ber¨
ucksichtigt werden k¨onnen. Beide Gesichtspunkte sollten daher nicht getrennt, sondern miteinander
verkn¨
upft betrachtet werden. Gerade dieser Aspekt ist auch bei der Konzeption des
ucksichtigt worden. Im weiteren werden die EntscheidungskriGTPROZESSAS ber¨
terien f¨
ur den Einsatz von LabVIEW1 als Entwicklungsumgebung ausf¨
uhrlich diskutiert.
Hinsichtlich der Auswahl einer geeigneten Entwicklungsumgebung zur L¨osung von
Aufgabenstellungen aus dem Bereich Mess- und Automatisierungstechnik sind f¨
ur
den Entwickler heutzutage eine große Anzahl von textorientierten, objektorientierten Programmiersprachen aber auch grafische Entwicklungswerkzeuge verf¨
ugbar. Die
grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW besitzt hinsichtlich ihres Einsatzes in
der Mess- und Automatisierungstechnik eine Sonderstellung. Mit Recht kann zum
1
LabVIEW: Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench. LabVIEW ist ein Softwareprodukt von National Instruments, 11500 N Mopac Expwy, Austin TX 78759-3504
49
5 Auswahl der Entwicklungsumgebung
heutigen Zeitpunkt gesagt werden, dass sich LabVIEW im Verlauf der letzten Jahre
zum Industriestandard [42] in den Bereichen der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik entwickelt hat. Textbasierende Entwicklungswerkzeuge werden immer h¨aufiger
in den Bereichen Medizintechnik, Physik, Bildverarbeitung, Kommunikationstechnik
oder Signalanalyse durch die grafische Entwicklungsumgebung LabVIEW ersetzt.
Aber nicht nur der erreichte Industriestandard zeichnet LabVIEW aus, sondern
die Bandbreite zur L¨osung von Aufgabenstellungen aus den Bereichen Mess- und Automatisierungstechnik. Dabei sind vor allem das einfache Programmierkonzept sowie
die umfangreichen speziellen Tools und Module zu nennen, die es dem Entwickler
erlauben, seine Applikation m¨oglichst effizient zu realisieren [43].
5.1 LabVIEW in der Mess- und
Automatisierungstechnik
Zun¨achst 1986 von Jeff Kodosky konzipiert, hat sich LabVIEW in den letzten Jahren
kontinuierlich weiterentwickelt und das Konzept der virtuellen Instrumentierung, das
sich mittlerweile in vielen Bereichen der Mess- und Automatisierungstechnik etabliert
hat, entscheidend gepr¨agt. Mit diesem Konzept ist der Sprung vom konventionellen
Messger¨at u
¨ber die PC-gesteuerte Instrumentierung bis hin zu anpassungsf¨ahigen
virtuellen Messsystemen gelungen. Damit wurde der Wandel von herstellerdefinierten Messger¨aten zu anwenderdefinierten Messsystemen vollzogen. Von besonderer
Bedeutung f¨
ur den Anwender hierbei ist, dass seine gesamte Anwendung, bestehend
aus vielen einzelnen Messkomponenten, als ein logisch geschlossenes, einheitliches
Gesamtsystem erscheint. Mit dieser Art der Abstraktion ist ein wichtiger Schritt zur
¨
Uberschaubarkeit
und Vereinfachung bei der Realisierung von komplexen Aufgabenstellungen gemacht worden.
Unter LabVIEW erstellte Programme werden als Virtuelle Instrumente (VI) bezeichnet. Diese Metapher weist auf den Ursprung der Entwicklungsumgebung in der
50
5.1 LabVIEW in der Mess- und Automatisierungstechnik
Messtechnik hin und erkl¨art somit die Strukturierung in Frontpanel und Steuerprogramm. Gleich der Frontplatte eines Instrumentes, welche die Bedienelemente
tr¨agt und als Schnittstelle zwischen Mensch und Ger¨at dient, ist das Frontpanel
die Bedienoberfl¨ache eines Programms, die es dem Benutzer erm¨oglicht, mit dem
Programm in Interaktion zu treten. Dabei sind die Grenzen von der Nachbildung
einer Ger¨at-Frontplatte bis hin zur komplexen Prozessvisualisierung fließend. Die
LabVIEW Umgebung enth¨alt dazu leistungsf¨ahige, auf die Mess- und Automatisierungstechnik zugeschnittene Bibliotheken, die in dem Steuerprogramm, das die
eigentliche Funktionalit¨at der VIs bestimmt, Verwendung findet.
Programme unter LabVIEW werden nicht im konventionellen, sequenziellen Textmodus geschrieben, sondern als Blockschaltbild im Sinne einer Datenflussdarstellung
mit grafischen Werkzeugen erstellt. Bestandteile dieses Blockschaltbildes k¨onnen sowohl einfache mathematische Operationen wie Addieren, Multiplizieren oder andere
sein, als auch komplexe Funktionen wie zum Beispiel eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder selbstdefinierte Unterprogramme. Die Abarbeitung ist rein datenflussorientiert im Unterschied zu den textbasierenden Paradigmen, welche auf
Kontrollflussmechanismen aufbauen [44, 45]. Dieser Ansatz ist eine wesentlich elegantere Methode zur Erzeugung paralleler Programmstrukturen. Gerade im Zeitalter der parallelisierenden Strukturen gew¨ahrleistet der Datenflussansatz eine leichte
Transformation der Applikation auf leistungsf¨ahigen Rechnerarchitekturen lokal oder
im Netzwerk.
Ein Compiler erzeugt aus dem grafisch erstellten Blockschaltbild einen optimierten
Maschinencode, der bez¨
uglich der Ablaufgeschwindigkeit mit bekannten Textsprachen wie C zu vergleichen ist. Durch diese Ans¨atze unterscheidet sich LabVIEW
deutlich von den anderen Programmiersprachen hinsichtlich Programmerstellung
und -abarbeitung [46, 47].
Alternativ kann aber auch mit einer textorientierten Programmiersprache und mit
Hilfe von LabWindows/CVI oder dem Measurement Studio die Applikation erstellt
werden [43]. Bei LabWindows/CVI handelt es sich um eine auf ANSI-C-basierte Ent-
51
5 Auswahl der Entwicklungsumgebung
wicklungsumgebung. Die Integration von Bibliotheken f¨
ur Datenerfassung, -analyse,
-pr¨asentation und -archivierung erm¨oglicht dem Entwickler, ein Mess- oder Automatisierungssystem individuell zu erstellen. Im Gegensatz dazu wird bei der Verwendung des Measurement Studio die Applikation mit Visual Basic oder Visual
ur Visual C++ stehen dem Anwender eine Vielzahl messtechnikbaC++ erstellt. F¨
sierten C++ -Klassen und entsprechende Werkzeuge f¨
ur die Benutzerober߬achen zur
Verf¨
ugung. Visual Basic benutzt dagegen definierte ActiveX-Steuerelemente f¨
ur die
Datenerfassung, Ger¨atesteuerung sowie das Arbeiten im Netzwerk.
5.2 Grafisch oder Textorientiert?
Das Steuerprogramm kann zum einen in einer textorientierten Standard Programmiersprache und mit Hilfe des Measurement Studio oder LabWindows/CVI realisiert
werden oder in der grafischen Programmiersprache LabVIEW. Unabh¨angig von einander bilden alle Umgebungen eine leistungsf¨ahige Basis f¨
ur die Entwicklungen von
kompletten Mess- und Automatisierungssystemen, weil sie einen gemeinsamen Kern
von grundlegenden Funktionalit¨aten unterst¨
utzen. Die Entscheidung dar¨
uber, welche
Programmierphilosophie zum Einsatz kommen soll, muß aufgrund der Aufgabenstellung getroffen werden, die sie zu leisten hat.
F¨
ur eine effektive Entwicklung der Applikation stehen dem Entwickler in allen
Entwicklungsumgebungen von National Instruments zus¨atzliche spezielle Tools und
Module zur Verf¨
ugung. Dabei ist jedoch zu beachten, dass nur bei der grafischen
Programmierumgebung LabVIEW das gesamte Spektrum dieser Zusatztools und
-module verf¨
ugbar ist. F¨
ur das Measurement Studio und LabWindows/CVI muß
im Einzelfall entschieden werden, ob die daf¨
ur verf¨
ugbaren Tools und Module zur
L¨osung der Aufgabenstellung ausreichend sind.
52
5.3 Fazit
5.3 Fazit
LabVIEW blickt auf mehr als 17 Jahre Erfahrung in der Technik zur¨
uck und empfiehlt sich als ausgereiftes, weltweit eingesetztes Software Produkt, dass heutzutage zum Industriestandard im Bereich der Mess- und Automatisierungstechnik zu
z¨ahlen ist. Durch die modular aufgebaute Architektur der Entwicklungsumgebung
ist es m¨oglich, geeignete Zusatzmodule und spezielle Tools zu integrieren und damit
die Applikation f¨
ur einen Einsatz im Bereich PC-gest¨
utzter Mess- und Automatisierungssysteme effizient zu entwickeln.
Das Einsatzgebiet umfasst die Instrumentensteuerung, Datenerfassung und -analyse, Bildverarbeitung, Feldbussystemen bis zu den multifunktionalen Schnittstellen
im Bereich der Hard- und Software. Die Basis daf¨
ur ist eine transparente und offene
Integration der Entwicklungsumgebung in die Softwarearchitektur [43] von National Instruments. Durch den grafischen Programmieransatz differenziert sich jedoch
LabVIEW deutlich gegen¨
uber den weiteren Entwicklungsumgebungen (C, C++ ) in
Bezug auf die Programmerstellung und -abarbeitung. Gerade aber der datenflussorientierte Ansatz bei der Abarbeitung der Applikation er¨offnet eine leichte Verteilung
von Software-Modulen auf mehrere Prozessorsysteme lokal oder im Netzwerk.
Die wichtigsten Aspekte bezogen auf die Auswahl von LabVIEW als Entwicklungsumgebung f¨
ur das Gesamtsystem sind im folgenden zusammengefasst:
• die offene Softwarestruktur
• die schnelle Integration von Hardwarekomponenten in das Gesamtkonzept
• die Bandbreite hinsichtlich des Einsatzes zur L¨osung von Aufgabenstellungen aus dem Bereich Mess- und Automatisierungstechnik
• eine effiziente Entwicklungsumgebung
Aus den diskutierten Gesichtspunkten ist LabVIEW eine moderne und zukunftsweisende Entwicklungsumgebung, welche die in dem Kapitel Anforderungen an die
53
5 Auswahl der Entwicklungsumgebung
Entwicklungsumgebung (Kapitel 4.3) aufgef¨
uhrten Aspekte beinhaltet und sich damit
f¨
ur das GTPROZESSAS anbietet.
54
6 Konzept des GTPROZESSAS
In dem Kapitel Anforderungen an das GTPROZESSAS (Kapitel 4) wurden die Anforderungen an die Funktionen, Gestalt und Einsatzm¨oglichkeiten an das GTPROZESSAS
gestellt. Im Verlauf dieses Kapitels soll nun ein grunds¨atzliches Konzept
entwickelt werden, was diesen Anforderungen gerecht wird.
6.1 Grundkonzept fu
¨r das GTPROZESSAS
Die prim¨are Forderung bez¨
uglich des Einsatzes des Systems ist die Automation von
Versuchsdurchf¨
uhrungen bei Gaswechsel- und Translokations-Experimenten. Dies
bedeutet, dass mit Hilfe einer zu konzipierenden Steuerdatei komplexe wissenschaftliche Experimente geplant und durch das GTPROZESSAS ausgef¨
uhrt werden, ohne
das ein Eingriff in das Softwaresystem erfolgt. Aufgrund der großen Bedeutung sollen
diese Forderungen als prim¨are Grundlage in die Konzeption einfließen.
6.1.1 Struktur
Mit den Anforderungen l¨asst sich die in Abb. 6.1 dargestellte Grundstruktur bez¨
uglich der Funktionalit¨at des GTPROZESSAS entwickeln. Diese Struktur beinhaltet
als zentrale Einheit das GTPROZESSAS, welches u
¨ber geeignete Schnittstellen eine Kopplung zu den einzelnen pflanzenphysiologischen Prozessen sowie einen Dialog
mit dem Anwender erm¨oglicht. Durch diese Grundstruktur ist sichergestellt, dass die
55
6 Konzept des GTPROZESSAS
Anwender
GTPROZESSAS
GWP
TLP
PE
Abbildung 6.1: Entwickelte Grundstruktur aus der Funktionalit¨at des GTPROZESSAS,
GWP: Gaswechselprozesse, TLP: Translokationsprozesse, PE: Prozesserweiterung
physikalischen Prozessgr¨oßen beeinflusst und kontrolliert werden k¨onnen, Interaktionen durch den Anwender mit dem System m¨oglich sind und die Visualisierung der
Prozessgr¨oßen gew¨ahrleistet ist.
Aufbauend auf dieser Grundstruktur k¨onnen die technischen Einrichtungen1 , die
f¨
ur die Umsetzung der Funktionalit¨at erforderlich sind, konkretisiert werden. In Abb.
6.2 ist das daf¨
ur entwickelte Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS aufgezeigt. Dabei
ist als die wichtigste technische Einrichtung das Automatisierungs-Computersystem
zu nennen, mit der zentralen Aufgabe der Ausf¨
uhrung der Automatisierungsfunktionen, zu denen im wesentlichen das Messen, Steuern und Regeln der Prozessgr¨oßen
¨
sowie die Prozess-Uberwachung
zu z¨ahlen sind. F¨
ur die weitere konzeptionelle Umsetzung dieser Funktionen wird das Automatisierungs-Computersystem in die beiden
Bereiche Hardware- (Rechnerhardware und Prozessperipherie) und Softwaresystem
(Anwender- und Systemsoftware) aufgeteilt.
¨
Uber
eine entsprechende Schnittstelle zu den pflanzenphysiologischen Prozessen ist
1
Der Begriff technische Einrichtungen bezeichnet Bestandteile, die f¨
ur eine Automatisierung erforderlich sind. Die Gesamtheit dieser Einrichtungen wird als Automatisierungssystem bezeichnet.
56
6.1 Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS
ein Informationsaustausch bez¨
uglich des Verlaufes und der Steuerung der Prozessgr¨oßen m¨oglich. Dazu erfassen die Sensoren die physikalischen Gr¨oßen (Temperatur,
Druck, Luftfeuchte u.a.) und wandeln sie in elektrische Signale um, welche u
¨ber
entsprechende Messkomponenten dem Automatisierungs-Computersystem f¨
ur eine
weitere Verarbeitung zur Verf¨
ugung stehen.
In umgekehrter Richtung werden die vom Rechnersystem gelieferten Signale mit
Hilfe entsprechender Einrichtungen an die Aktoren oder Stellglieder (Ventile, Relais
u.a.) u
¨bermittelt. Mit dieser Schnittstelle ist das Automatisierungs-Computersystem
in der Lage, die physikalischen Prozessgr¨oßen zu detektieren und entsprechend zu
steuern.
GTPROZESSAS
Mensch-ProzessKommunikation
AutomatisierungsComputersystem
Softwaresystem
Hardwaresystem
Sensoren/ Aktoren Gaswechselund Translokationsprozesse
Abbildung 6.2: Blockschaltbild des entwickelten Grundkonzepts f¨
ur das GTPROAS mit den erforderlichen technischen Einrichtungen
ZESS
57
6 Konzept des GTPROZESSAS
F¨
ur den Dialog mit dem Anwender ist eine Schnittstelle konzipiert worden, welche
die M¨oglichkeit einer intuitiven Bedienbarkeit der Steuerung (siehe Kapitel 6.2.2)
und eine Pr¨asentation der Prozessgr¨oßen des GTPROZESSAS gew¨ahrleistet.
Die erweiterte Forderung nach einem modularen Aufbau des GTPROZESSAS, bezogen auf das Hard- und Softwaresystem, wurde bereits mehrfach diskutiert. Dies
ergibt sich aus sich a¨ndernden wissenschaftlichen Forschungsvorhaben und damit gekoppelten neuen Fragestellungen. Aus diesem Grunde ist diese Forderung von großer
Bedeutung und stellt eine wichtige Grundlage f¨
ur die weitere Konzeption des Hardund Softwaresystems. Aufgrund dieser Tatsache ist zu definieren, was unter dem
Begriff Modularit¨at, bezogen auf das Hard- und Softwaresystem, zu verstehen ist.
Bei Hardwaresystemen ist unter Modularit¨at ein vereinfachtes Konfigurieren, Rekonfigurieren, Integrieren und Reparieren von Systemkomponenten aus dem Bereich
der Mess- und Automatisierungstechnik zu verstehen. Die Modularit¨at beinhaltet f¨
ur
Anwender auch, bei Bedarf einzelne Module/Komponenten aufzur¨
usten, vorhandene
dem aktuellen Stand der Technologie anzupassen, ohne das Gesamtsystem ersetzen zu m¨
ussen sowie eine deutliche Verbesserung in Bezug auf die Ausfallzeiten des
ur die Konzeption des HardwaresysGTPROZESSAS. Diese wichtigen Aspekte sind f¨
tems (siehe Kapitel 6.1.3) speziell bei der Prozessperipherie ber¨
ucksichtigt worden.
Analoges gilt auch f¨
ur das Softwaresystem (siehe Kapitel 6.1.6), jedoch ist dabei
unter Modularit¨at die Strukturierung der Anwendersoftware in unabh¨angige Einzelprogramme (Modulen) zu verstehen, welche gleichzeitig integraler Bestandteil des
Gesamtsystems sind. Mit diesen Einzelprogrammen lassen sich die komplexen Anwenderprogramme mit Hilfe paralleler Strukturen effizient erstellen und erweitern.
Gerade im Zeitalter der Parallelisierung gew¨ahrleistet dieser Ansatz eine leichte Verteilung der Aufgaben auf leistungsf¨ahige Mehrprozessorsysteme zur Reduzierung der
Programmlaufzeit. Dieser Aspekt ist insbesondere in Bezug auf bildgebende Verfahren und daraus resultierende, rechenintensive Auswertungen bei der Bildanalyse
vorteilhaft.
58
6.1 Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS
6.1.2 Technische Einrichtungen
In diesem Kapitel wurde die grundlegende Struktur f¨
ur das GTPROZESSAS konzipiert, basierend auf der Funktionalit¨at der Anforderungen. Aus der entwickelten
Struktur definieren sich die technischen Einrichtungen f¨
ur das GTPROZESSAS, um
den gestellten Anforderungen gerecht zu werden. In der Abb. 6.3 ist eine Gesamt¨
darstellung dieser strukturell zusammengefasst. In der Ubersicht
ist auch die weitere
Strukturierung des Hard- und Softwaresystems dargestellt, welches erst im weiteren
¨
Verlauf der Arbeit diskutiert wird. Dieses soll dem Leser jedoch einen besseren Uberblick hinsichtlich der weiteren Konzeption vermitteln, auf welche ausf¨
uhrlich in den
folgenden Kapiteln eingegangen wird.
6.1.3 Aufbau des Hardwaresystems
Im letzten Kapitel wurde die Grundstruktur f¨
ur das GTPROZESSAS ausf¨
uhrlich
er¨ortert. Dabei ist die zentrale technische Einrichtung das Automatisierungs-Computersystem, welches sich in das Soft- und Hardwaresystem differenziert (vgl. Abb.
6.3). Die Aufgabe des Hardwaresystems, welches die physikalischen Voraussetzungen
zur Verf¨
ugung stellt, definiert sich aus den Funktionalit¨aten an das GTPROZESSAS.
Dabei ist der wesentliche Aspekt, die Kommunikation mit den Sensoren und Aktoren der Gaswechsel- und Translokationsprozesse sowie eine Interaktion mit dem
Anwender zu gew¨ahrleisten. F¨
ur die Umsetzung dieser Funktionalit¨at sind eine Anzahl von Anforderungen wie modularer Aufbau, Erweiterbarkeit sowie eine schnelle
Integration von unterschiedlichen Ger¨aten aus dem Bereich der Mess- und Automatisierungstechnik bei der Konzeption ber¨
ucksichtigt worden.
Aus diesen Anforderungen ist die Grundstruktur f¨
ur das in Abb. 6.4 dargestellte
Hardwaresystem des GTPROZESSAS entwickelt worden. Dieses beinhaltet konkret
f¨
ur die Integration von Einzelger¨aten die standardisierten Schnittstellen RS-232/
-485, IEEE 488 (IEC), IEEE 1394 (FireWire) und IEEE 802.3 (Ethernet). Damit
ist gew¨ahrleistet, dass Einzelger¨ate aus dem Bereich der Mess- und Automatisie-
59
6 Konzept des GTPROZESSAS
GT PROZESSAS
Mensch-Prozess
Kommunikation
Automatisierungscomputersystem
Prozess-Schnittstelle
Sensoren und Aktoren
Softwaresystem
Anwendersoftware
ProzessSteuerung
Messsystem
Hardwaresystem
Systemsoftware
Rechnerhardware
Prozessperipherie
Betriebssystem
Manuelle
Steuerung
Gaswechselmessungen
PXI/SCXISystem
Programmierbare
Steuerung
Translokationsmessungen
Einzelgeräte
Bildgebendes
Messverfahren
Erweiterungen
Erweiterungen
Abbildung 6.3: Strukturelle Gesamtdarstellung der technischen Einrichtungen f¨
ur das
GTPROZESSAS
60
6.1 Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS
Rechnerhardware
Lichtwellenleiter
PXI/SCXI-System
RS-232, IEEE 488,
IEEE 1394, IEEE 802.3
Einzelgeräte
Digitale- Analoge I/O
Sensoren und Aktoren für Gaswechselund Translokationsprozesse
Abbildung 6.4: Konzeptioneller Aufbau des Hardwaresystems f¨
ur das GTPROZESSAS
rungstechnik (z. B. Infrarot Gasanalysator, Digitalkamera, Regler, Distributed I/OSysteme usw.) effektiv in ein vorhandenes System integrierbar sind.
Neben den Einzelger¨aten ist die zentrale Komponente f¨
ur die Kommunikation mit
den Sensoren und Aktoren ein kombiniertes PXI2 /SCXI-3 Datenerfassungssystem,
welches u
ubertragung und Lichtwellenleiter mit dem Rech¨ber eine serielle Daten¨
nersystem verbunden ist. Aufgrund der Bandbreite dieses Systems wird im weiteren
auf die wichtigsten Gesichtspunkte der Konzeption, auf Aspekte der Konfiguration
des Datenerfassungssystems sowie auf die Vor- und Nachteile f¨
ur den Einsatz im
GTPROZESSAS eingegangen.
Das PXI-System basiert auf einem Modultr¨ager - dem sogenannten Chassis - und
kann mit einer Steuereinheit - dem Controller - sowie unterschiedlichen I/O-Modulen
2
PXI: PCI eXtension for Instrumentation. Der PXI-Standard basiert auf dem PCI-Bus Konzept
wird jedoch mit zus¨
atzlichen Steuerleitungen deutlich in der Funktionalit¨at erweitert.
3
SCXI: Signal Conditioning eXtension for Instrumentation. Das SCXI-System ist ein Signalkonditionierungssystem in Kombination mit Messwerterfassungskarten oder dem PXI-System.
61
6 Konzept des GTPROZESSAS
f¨
ur den Einsatz im GTPROZESSAS kombiniert werden. Die offene standardisierte
PXI-Plattform [48] hat viele Vorteile gegen¨
uber weiteren Systemen, da es auf einem industrietauglichen, leicht erweiterbarem Konzept basiert sowie auf dem CompactPCI4 -Standard aufbaut. Dieser wird um spezielle Trigger- und Synchronisationsm¨oglichkeiten f¨
ur die Belange der Mess-, Pr¨
uf- und Automatisierungstechnik erweitert. Gerade dieser Gesichtspunkt ist ein wichtiger Aspekt, damit die M¨oglichkeit
der Kommunikation von unterschiedlichen I/O-Modulen besteht. Im GTPROZESSAS
wird dieses f¨
ur die Synchronisierung der einzelnen I/O-Module des Messsystems eingesetzt.
Der CompactPCI-Standard selbst wiederum basiert auf dem PCI-Bus-Konzept des
Standard-PCs, u
uglich der Modularit¨at, Robustheit, Erweiterbar¨bertrifft es aber bez¨
keit sowie Kompaktheit. PXI und CompactPCI-Module lassen sich innerhalb eines
PXI-Systems beliebig kombinieren. F¨
ur eine Erweiterung des GTPROZESSAS sind
heutzutage eine große Anzahl von Controllern mit entsprechenden Schnittstellen und
Modulen (Digitalisierer, Funktions-Signalgeneratoren, Digitale I/Os, Bilderfassung
und Motorensteuerung usw.) aus dem gesamten Bereich der Mess- und Automatisierungstechnik verf¨
ugbar.
Kombiniert wird das PXI-System mit einem Mehrkanal-Signalkonditionierungssystem SCXI. Ausgestattet mit entsprechenden Einsteckkarten und Modulen kann das
System f¨
ur alle Arten der Signalkonditionierung der I/O-Anforderungen konfiguriert
ur eine Konditionierung von Thermoelewerden. Dieses wird im GTPROZESSAS f¨
menten und analogen Eingangssignalen eingesetzt.
6.1.4 Konfiguration des PXI/SCXI-Datenerfassungssystems
In dem Kapitel Einsatz des GTPROZESSAS (Kapitel 8) wird an zwei Beispielen, aus
dem Bereich der Gaswechselmessungen, die Bandbreite f¨
ur den Einsatz des kon4
PCI: Peripheral Component Interconnect. Eine von Intel eingef¨
uhrte Spezifikation, die ein lokales
Bussystem auf der Basis der PCI-Spezifikation definiert.
62
6.1 Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS
zipierten GTPROZESSAS aufgezeigt. Daf¨
ur ist eine entsprechende Konfigurierung
des PXI/SCXI-Datenerfassungssystems - Controller und I/O-Module - erforderlich.
Einige Aspekte dazu werden im weiteren diskutiert.
Die grundlegende Funktion des PXI/SCXI-Datenerfassungssystems ist, die Schnittstelle zwischen den Sensoren und Aktoren f¨
ur die Gaswechsel- und Translokationsprozesse und dem Host-System zu realisieren. Dieses wird mit entsprechenden I/OModulen, welche in der Tabelle 6.1 aufgezeigt sind, umgesetzt. Die an diese gestellten
funktionalen Anforderungen ergeben sich aus den pflanzenphysiologischen Messverfahren (siehe Kapitel 3) sowie aus den eingesetzten Aktoren, die f¨
ur eine Steuerung
der Prozesse erforderlich sind.
I/O Module
Kan¨
ale
Beschreibung
Funktion
PXI-6031E
64
100kS/s Multifunktions-I/Os
Gaswechselmessungen
PXI-6602
8
Z¨
ahler/Timer
Translokationsmessungen
PXI-6602
8
Z¨
ahler/Timer
Translokationsmessungen
PXI-6704
8
Analoge Ausg¨ange
Prozess-Steuerung
SCXI-1112
8
Verst¨
arker f¨
ur Thermoelemente
Gaswechselmessungen
SCXI-1100
32
Multiplexer/Verst¨arker
Gaswechselmessungen
SCXI-1124
6
Analoge I/Os
Prozess-Steuerung
SCXI-1163
32
Digitale I/Os
Prozess-Steuerung
Tabelle 6.1: Konfiguration der I/O-Module f¨
ur das PXI/SCXI-Datenerfassungssystem
und deren Funktion im GTPROZESSAS
Als Modultr¨ager (PXI-1010) wird dabei ein kombiniertes Datenerfassungssystem
eingesetzt, bestehend aus 8 PXI-Slots und 4 SCXI-Signalkondionierungs-Slots, welches u
¨ber ein MXI-3 (Multichassis configurations for PXI) Interface (PXI-8335) mit
dem Rechnersystem kommuniziert. Die MXI-3 Technologie beruht auf dem Prinzip
der Architektur der PCI-zu-PCI Br¨
ucke, teilt jedoch die Br¨
ucke in zwei H¨alften und
verbindet sie mit einer seriellen Daten¨
ubertragung u
¨ber Lichtwellenleiter. Aufgrund
¨
der hohen Datenrate bis zu 1,5 Gbit/s der seriellen Ubertragung
ist damit auch die
63
6 Konzept des GTPROZESSAS
notwendige Transferrate des PCI-Buses im Gesamtsystem sichergestellt. Der Vorteil
gegen¨
uber weiteren Bussystemen ist die potentialfreie Verbindung und die Sicherheit
der Daten¨
ubertragung bezogen auf ¨außere St¨oreinfl¨
usse.
F¨
ur eine ausf¨
uhrliche Beschreibung des eingesetzten Controllers und der einzelnen
I/O-Module (siehe Tabelle 6.1) sowie deren Spezifikationen wird auf die umfangreiche
Literatur von National Instruments verwiesen [49].
6.1.5 Erweiterung des Hardwaresystems f¨
ur
Echtzeitapplikationen
Ein wesentlicher Aspekt hinsichtlich der Erweiterung des GTPROZESSAS ist, Applikationen aus dem Bereich der Regelungstechnik in Zusammenhang mit einem Echtzeitbetriebssystem zu kombinieren. Die Zielsetzung dabei ist, unabh¨angige Regelsysteme f¨
ur die im Experiment ben¨otigte Klimakammer einzusetzen, wobei gleichzeitig
eine Kommunikation mit dem Host-Rechner gegeben sein muß. Die Kommunikation ist erforderlich, da ausgehend von der jeweiligen Aufgabenstellung die Sollwerte
der Regler vor oder im Experiment modifiziert werden m¨
ussen. Erforderlich ist ggf.
auch ein Datalogging der physikalischen Messgr¨oßen im Reglersystem, welche f¨
ur die
auf dem Host-Rechner laufende Applikation als Grundlage einer erweiterten DatenAnalyse ben¨otigt werden.
F¨
ur diese Applikationen unter Echtzeitbedingungen, bei denen Stabilit¨at und
Rechtzeitigkeit gefordert sind, k¨onnen entsprechende RT (Real Time) Controller
(z.B. PXI-RT Controller oder FieldPoint Module von National Instruments) als Embedded Computer Systeme5 eingesetzt werden. Durch den Einsatz dieser Controller
ur eine Erweiterung der Applikation in Bezug auf
¨offnet sich das GTPROZESSAS f¨
5
Der Begriff Embedded Computer System bezeichnet einen eingebauten Rechner ohne Benutzeroberfl¨
ache, aber einem Echtzeit-Betriebssystem. National Instruments integriert in ihren embedded Produkten das Echtzeit-Betriebssystem Phar Lap Runtime ETS (Embedded Tool Suite)
Kernel von dem Hersteller Venturcom, Inc. 29 Sawyer Road, Waltham, MA 02453.
64
6.1 Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS
dedizierte Echtzeitsysteme, aus dem Bereich der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik [50]. Damit kann auf allen Applikationsebenen mit der gleichen Programmiermethodik gearbeitet werden, wie bei Standard LabVIEW Anwendungen [51]. Das
bedeutet, die Applikation wird auf einem Standard Windows-PC entwickelt und zur
Programmausf¨
uhrung vom Hostrechner kompiliert auf die entsprechende Zielhardware - die RT Controller - heruntergeladen. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil,
dass die ansonsten zeit- und damit kostenintensiven Schnittstellen zwischen diesen
Aufgabengebieten entfallen. LabVIEW-RT [44, 51] verbindet mit diesem Konzept die
Mess-, Steuer- und Regelungsanwendungen mit den Vorteilen der Echtzeitf¨ahigkeit.
F¨
ur den Einsatz im GTPROZESSAS k¨onnen vier echtzeitf¨ahige Zielplattformen
eingesetzt werden: Die Datenerfassungskarten PCI RT-Serie, PXI-RT Controller,
PXI-RT FPGA6 basierte Controller und die FieldPoint-20xx-Module. Grundlegend
ist f¨
ur alle genannten Zielplattformen ein autonomes embedded Echtzeit Rechnersystem, auf dem LabVIEW Applikationen unabh¨angig vom Betriebssystem des HostRechners ausgef¨
uhrt werden. Bis auf die RT-Datenerfassungskarte (PCI-Bus) k¨onnen
alle Controller u
¨ber das Ethernet oder seriell (RS232) mit dem Host-System kommunizieren. Die Datenerfassungskarten der RT-Serie eignen sich f¨
ur Anwendungen, bei denen Steuerungskomponenten mit geringem Platzbedarf in ein Windowsbasiertes System, als klassische PC-Steckkarte, zu integrieren sind. Diese RT Controller haben jedoch deutliche Nachteile gegen¨
uber anderen Systemen, da keine Erweiterungsm¨oglichkeiten gegeben sind und die geringe I/O Anzahl und Vielfalt nur
einen eingeschr¨ankten Einsatz von Applikationen zul¨asst.
PXI RT-Controller sind ausgelegt f¨
ur leistungsstarke Echtzeitanwendungen, die
eine enge Synchronisierung einer Vielzahl von I/O-Modulen der Datenerfassung und
Signalkonditionierung erfordern. Durch die M¨oglichkeit der Erweiterbarkeit sind die6
FPGA: Field Programmable Gate Array. Ein FPGA ist ein programmierbarer Schaltkreis,
welcher aus vielen identischen Logikbl¨ocken aufgebaut ist. Diese k¨onnen entsprechend ihrer
gew¨
unschten Funktion programmiert und untereinander verbunden werden. Die Funktionalit¨
at
wird dabei mit einer Hardwarebeschreibungssprache entwickelt oder l¨aßt sich wie in diesem Fall
direkt aus dem LabVIEW Programm generieren.
65
6 Konzept des GTPROZESSAS
se RT Controller f¨
ur den Einsatz im GTPROZESSAS geeignet, da auch die ProzessSteuerung und das Messsystem auf PXI/SCXI basiert. Die Integration der Controller
hat die Konsequenz, dass dann das PXI/SCXI-Datenerfassungssystem unter Echtzeitbedingungen l¨auft. Dieses beinhaltet, dass die gesamten Messdaten nur u
¨ber das
Ethernet oder die RS232 Schnittstelle dem Host-System zur Verf¨
ugung stehen. Aufgrund der großen Datenmengen (Bildverarbeitung, I/O-Kan¨ale u.a.) und der komplexen Programme f¨
ur die Prozess-Steuerung und das Messsystem ist diese Vorgehensweise unter der Anforderung der Echtzeitf¨ahigkeit nicht umzusetzen.
FieldPoint [52] ist eine Plattform f¨
ur verteilte und modulare I/O-Systeme, die
speziell f¨
ur den Einsatz in verteilten Systemen konzipiert ist. Mit Hilfe von FieldPoint kann ein solches I/O-System auch mit Computern jeder beliebigen Plattform,
welche mit TCP/IP arbeiten, mit weiteren FieldPoint-Modulen und beliebigen anderen Ethernet- bzw. seriellen Ger¨aten kommunizieren, wodurch ein zuverl¨assiges,
intelligentes und verteiltes System konzipiert werden kann. Anwendungen, die sich
besonders f¨
ur diese Konfiguration eignen, sind embedded Applikationen wie Fernsteuerungen oder Regelungen in einem Netzwerk, wo ein zuverl¨assiger Echtzeitbetrieb gefordert ist. Die Kombination aus FieldPoint und dem GTPROZESSAS bildet
daher eine ideale L¨osung in Bezug auf die Kommunikation (siehe Abb. 6.5) mit dem
Host-System und den Echtzeitanwendungen [53].
- FP-Modul
- FP-Modul
HostSystem
Ethernet
p
p
p
p
p
- FP-Modul
Abbildung 6.5: Kommunikation von FieldPoint-Modulen mit dem Host-System
66
6.1 Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS
Fazit
Durch die Kombination des PXI/SCXI-Systems k¨onnen die Vorteile des PXI-Systems
im Bereich der Signalverarbeitung flexibel mit Modulen des SCXI-Systems zur Signalkonditionierung, in Bezug auf Funktionalit¨at, Leistung und Kosten optimiert werden. Durch den modularen Aufbau gew¨ahrleistet der PXI/SCXI-Standard eine offene
Plattform, die leicht auf differenzierte Fragestellungen - durch den Einsatz unterschiedlicher Controller sowie I/O-Module - angepasst werden kann.
Die M¨oglichkeit, unabh¨angige Regler unter Echtzeitbedingungen einzusetzen, ¨offnet das GTPROZESSAS f¨
ur Applikationen, wo Stabilit¨at und Rechtzeitigkeit gefordert sind. Dieser Aspekt ist eine wesentliche Zielsetzung f¨
ur eine Erweiterung des
GTPROZESSAS und erh¨oht zugleich die Flexibilit¨at.
6.1.6 Aufbau des Softwaresystems
Im Kapitel Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS (Kapitel 6.1) ist die grundlegende Struktur des Softwaresystems definiert, welche sich in die beiden Bereiche f¨
ur
die System- und Anwendersoftware aufteilt (vgl. Abb. 6.3). Dabei beinhaltet die
Systemsoftware f¨
ur das GTPROZESSAS nur das Betriebssystem, da keine weiteren
systemspezifischen Programme ben¨otigt werden. Die Anwendersoftware unterteilt
sich in die Programmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung und das Messsystem, welche
ausf¨
uhrlich in dem Kapitel 6.2 Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung und im
Kapitel 6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem konzipiert werden.
Im weiteren wird auf die Aspekte zur Auswahl des Betriebssytems eingegangen,
mit welchem die Anforderungen an das GTPROZESSAS umgesetzt werden k¨onnen.
Ein wichtiger Gesichtspunkt ist dabei die eingesetzte Entwicklungsumgebung LabVIEW, da keine weiteren spezifischen Anforderungen an das Betriebssytem gestellt
werden.
67
6 Konzept des GTPROZESSAS
Softwaresystem
Anwendersoftware
Programmmodule
für die
ProzessSteuerung
Programmmodule
für das
Messsystem
Systemsoftware
Betriebssystem
Abbildung 6.6: Softwaresystem des GTPROZESSAS mit den beiden Bereichen Systemund Anwendersoftware
Systemsoftware
Das GTPROZESSAS ist bez¨
uglich der Auswahl der Systemsoftware f¨
ur ein Microsoft
Win32 Betriebssystem konzipiert worden. Die Gr¨
unde daf¨
ur sind in Verbindung mit
der Entwicklungsumgebung LabVIEW zu sehen. Grunds¨atzlich sind erstellte LabVIEW Applikationen unabh¨angig von der Plattform, also auch vom Betriebssystem.
Eine auf einem Windows System erstellte Applikation ist auch unter weiteren Betriebssystemen wie Linux, Solaris oder Macintosh ablauff¨ahig und umgekehrt [54].
Das gilt, solange keine spezifischen Eigenschaften des Betriebssystems benutzt werden. Dieses ist aber sowohl in der Prozess-Steuerung wie auch im Messsystem der
ur die KommunikaFall. Dort wird das DDE7 -Protokoll als ein Microsoft Standard f¨
7
DDE: Dynamic Data Exchange. DDE ist ein Standard Protokoll zur Kommunikation zwischen
Windows Applikationen. Im M¨
arz 1996 hat Microsoft den DDE Standard in ActiveX umbenannt
und funktional erweitert.
68
6.1 Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS
tion mit Microsoft Excel (vgl. Kapitel 6.2.3) und u
ur
¨ber entsprechende Server auch f¨
externe Ger¨ate eingesetzt.
Dieses ist jedoch nicht als der prim¨are Grund zu sehen, da bez¨
uglich dem DDE
Standard ggf. auch andere L¨osungsans¨atze f¨
ur weitere Plattformen konzipiert werden k¨onnten. Zum heutigen Zeitpunkt ist die Software-Unterst¨
utzung der HardwareKomponenten von National Instruments, durch eine geeignete Treiber-Ebene hinsichtlich der weiteren Betriebssysteme nur teilweise gew¨ahrleistet. Dieses bedeutet,
dass der Aspekt der Erweiterbarkeit des GTPROZESSAS deutlich einschr¨ankt ist.
Gerade dieser Gesichtspunkt stellt jedoch f¨
ur das laufende Forschungsvorhaben eine
wichtige Basis dar. Aus diesem Grunde sind dahingehende Einschr¨ankungen nicht
akzeptabel.
Grundstruktur der Programmmodule im GTPROZESSAS
Grundlegend wird die Anwendersoftware, wie in Abb. 6.6 dokumentiert, unterteilt in
die beiden Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung und das Messsystem. Diese
Unterteilung ergibt sich aus den funktionalen Anforderungen an die Anwendersoftware f¨
ur die Steuerung der Prozesse und der Messdatenerfassung.
Bei der Konzeption Softwarestruktur ist eine synchrone (bezogen auf die Prozesse und bildgebenden Verfahren) und periodische (bezogen auf die Prozessgr¨oßen)
Messdatenerfassung ber¨
ucksichtigt worden. Aus diesen Anforderungen l¨aßt sich die
in Abb. 6.7 dargestellte Grundstruktur f¨
ur die Module der Prozess-Steuerung und
des Messsystems entwickeln. Die Struktur beinhaltet einen parallelen Ansatz mit
den daraus resultierenden Vorteilen in Bezug auf die Erstellung einer synchronen
und periodischen Messwerterfassung.
Sicherlich gew¨ahrleistet der parallele Ansatz nicht prinzipiell auch eine periodische
Erfassung der Prozessgr¨oßen, aber er unterst¨
utzt die daf¨
ur erforderlichen Techniken
und erm¨oglicht, falls erforderlich, auch eine Transformation auf weitere Rechnersysteme. Dabei ist zu bemerken, dass vor allem in Bezug auf die Entwicklungsumgebung
69
6 Konzept des GTPROZESSAS
Start
Programmmodule
für die
ProzessSteuerung
Daten
Programmmodule
für das
Messsystem
Ende
Abbildung 6.7: Grundlegende Softwarestruktur f¨
ur die Programmmodule der Anwendersoftware im GTPROZESSAS
die Technik der parallelen Programmierung durch den Datenfluss orientierten Ansatz
der Abarbeitung von LabVIEW Applikationen effizient umzusetzen ist.
F¨
ur eine periodische Erfassung der Prozessgr¨oßen wird f¨
ur die Gaswechsel- und
Translokationsmessungen die Technik der ereignisorientierten Datenerfassung eingesetzt. Damit besteht die M¨oglichkeit einer kontinuierlichen Messdatenerfassung
mit dem Vorteil, dass die Erfassung der Prozessgr¨oßen nicht durch Interaktionen
der Prozess-Steuerung des Anwenders oder durch Prozesse des Betriebssystems in
ihrer Ausf¨
uhrbarkeit beeinflusst werden. Die Konzeption der ereignisgesteuerten Datenerfassung wird ausf¨
uhrlich in dem Kapitel Programmmodule f¨
ur das Messsystem
(Kapitel 6.3) dargestellt.
Durch die funktionale Trennung der Programmmodule ist eine Kommunikation
zwischen der Prozess-Steuerung und dem Messsystem u
¨ber global definierte Variablen m¨oglich. Diese ist notwendig f¨
ur die Ausf¨
uhrung der in der Excel Steuerdatei
integrierten Steuer-Funktionen f¨
ur das Messsystem, zu denen u.a. die Steuerung der
70
6.2 Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung
Datenaufzeichnung oder der Zeitpunkt der Bilderfassung zu z¨ahlen ist. Mit dieser
Schnittstelle kann die Prozess-Steuerung an das Messdatensystem Steueranweisungen u
¨bergeben und gleichzeitig auf alle Prozessgr¨oßen global zugreifen. Diese Vorgehensweise beinhaltet das Prinzip der Modularit¨at, gew¨ahrleistet gleichzeitig eine
Kommunikation zwischen den einzelnen Modulen und erm¨oglicht damit eine korrelierte Datenanalyse.
6.2 Programmmodule fu
¨r die Prozess-Steuerung
Im Kapitel Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS (Kapitel 6.1) wurde die Umsetzung
der entsprechenden Anforderungen an die Steuerung der pflanzenphysiologischen
Prozesse ausf¨
uhrlich diskutiert. Dabei ist ein wesentlicher Aspekt, u
¨ber eine Steuerdatei und der programmierbaren Steuerung externe Parameter der Gaswechsel- und
Translokationsprozesse zu beeinflussen.
6.2.1 Allgemein
F¨
ur die Umsetzung dieser Anforderung durch das GTPROZESSAS ist die zentrale
Frage, auf welcher Basis diese spezielle Steuerdatei entwickelt wird. Die grundlegenden Anforderungen an diese sind im Kriterienkatalog (siehe Kapitel 4.2.1) definiert.
Dabei ist neben der Funktionalit¨at ein wichtiger Aspekt, dass die Steuerung der Prozesse nicht durch einen Eingriff in das Softwaresystem erfolgt. Diese Vorgehensweise
f¨
ur die Steuerung der Prozesse beinhaltet eine Reihe von Vorteilen - z.B. zeitoptimal,
da keine Einarbeitung in die vorhandene Anwendersoftware erforderlich ist, eine effektive Umsetzung der Versuchsdurchf¨
uhrung, da im Vorfeld das Experiment geplant
werden kann sowie eine leichte Erweiterung auf neue wissenschaftliche Experimente.
Grunds¨atzlich wird diese Steuerdatei mit Hilfe einer Microsoft Excel Tabelle erstellt. Dieses bedeutet, dass nicht befehlsorientiert, sondern mit einer entsprechenden
Tabelle gearbeitet wird. Diese Vorgehensweise erlaubt dem Anwender die Erstellung
71
6 Konzept des GTPROZESSAS
der Versuchsdurchf¨
uhrung mit einer Microsoft Standard Software und erh¨oht zus¨atzlich die funktionale Transparenz, was ausf¨
uhrlich in dem Kapitel Die Microsoft Excel
Steuertabelle (Kapitel 6.2.5) aufgezeigt wird. Die aus dieser Tabelle erzeugte Microsoft Excel Steuerdatei wird mit Hilfe des in Abb. 6.8 dargestellten Programmmoduls
der programmierbaren Steuerung eingelesen und entsprechend der durch den Nutzer
erstellten Vorgaben abgearbeitet.
Manuelle
Steuerung
Excel Steuerdatei
Programmierbare
Steuerung
Abbildung 6.8: Stark vereinfachte Struktur der Programmmodule f¨
ur die ProzessSteuerung
Erg¨anzend zu der automatisierten ist die manuelle Steuerung konzipiert worden.
Grunds¨atzlich ist der Anwender mit beiden Steuerungen in der Lage, alle physikalischen Prozessgr¨oßen zu beeinflussen. Hinsichtlich ihres Einsatzes unterscheiden
sich die beiden Steuerungen jedoch deutlich. Die manuelle Steuerung wird im wesentlichen zur Fehlerdiagnose, Grundeinstellung des Systems, Kalibrierung und der
Durchf¨
uhrung von Versuchsabl¨aufen mit gezielter Eingriffsm¨oglichkeit eingesetzt.
Im Gegensatz dazu ist die programmierte Steuerung f¨
ur komplexe Versuchsabl¨aufe
von wenigen Minuten bis mehreren Tagen mit exakt reproduzierbaren Versuchsbedingungen entwickelt.
72
6.2 Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung
6.2.2 Manuelle Steuerung
Die manuelle Steuerung ist so konzipiert, dass der Benutzer die M¨oglichkeit hat, alle
Aktoren des gesamten GTPROZESSAS interaktiv mit Hilfe einer entsprechenden Benutzeroberfl¨ache anzusteuern. Die daf¨
ur entwickelte Benutzerober߬ache ist in Abb.
¨
6.9 aufgezeigt. Uber
das LabVIEW Tab Control Element kann eine entsprechende
Oberfl¨ache f¨
ur Digital out, Analog out, MFC, Licor-7000 und Settings ausgew¨ahlt
werden, mit welcher der Anwender in der Lage ist, den Aktor zu steuern. Exemplarisch ist in der Abbildung die Oberfl¨ache f¨
ur Digital out dargestellt. Diese wird f¨
ur
Abbildung 6.9: Benutzeroberfl¨ache f¨
ur die manuelle Steuerung des GTPROZESSAS
73
6 Konzept des GTPROZESSAS
Aktoren (Magnetventile) eingesetzt, die u
¨ber einen digitalen I/O-Kanal angesteuert
werden.
Die Benutzeroberfl¨ache ist dahingehend erweitert worden mit der zus¨atzlichen
M¨oglichkeit, bei der Abarbeitung der Excel Steuerdatei, den Status (siehe Abb.
6.10) aller Aktoren im Gaswechselsystem sowie die Abarbeitung der Excel Steu-
Abbildung 6.10: Benutzerober߬
ache f¨
ur die Anzeige des Ist-Zustands der Aktoren im
Gaswechselsystem
erdatei darzustellen. Damit soll sichergestellt werden, dass der Anwender bei der
manuellen und programmierbaren Steuerung den Ist-Zustand des GTPROZESSAS
u
¨berwachen kann.
74
6.2 Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung
Die Schnittstelle zu den einzelnen Prozessen ist das PXI/SCXI-Datenerfassungssystem mit den entsprechenden I/O-Modulen (siehe Tabelle 6.1) und Ger¨ate aus dem
Bereich der Mess- und Automatisierungstechnik wie z.B. Massendurchflusscontroller
oder K¨altefallen.
Diese statische Ansteuerung der Aktoren ist aber f¨
ur die Durchf¨
uhrung von komplexen Versuchsabl¨aufen nicht ausreichend. Im Gaswechselsystem wird u.a. eine steigende reproduzierbare CO2 -Konzentration f¨
ur die Untersuchung des Einflusses von
CO2 auf die Photosyntheserate oder eine lineare Druckerh¨ohung in der Blattkammer (vgl. Kapitel 8) ben¨otigt. F¨
ur diese Anwendungsf¨alle muß der entsprechende
Aktor mit Hilfe einer zu spezifizierenden Rampenfunktion angesteuert werden. Eine
entsprechende Funktion wurde f¨
ur dieses Experimente konzipiert und ist integraler
Bestandteil der Prozess-Steuerung.
Bei der Durchf¨
uhrung des Experimentes kann f¨
ur die Rampenfunktion gezielt ein
entsprechender Aktor ausgew¨ahlt, Startwert, Endwert und Rampendauer als Parameter definiert sowie die Funktion zeitsignifikant gestartet werden.
Mit der Entwicklungsumgebung LabVIEW k¨onnen dazu beliebig komplexe, leistungsf¨ahige Module erstellt werden, womit Daten von einem Auftrag zu einem oder
mehreren, parallelen Auftr¨agen geleitet werden, um so unabh¨angige Programme mit
den entsprechenden Parametern auszuf¨
uhren. Die Methodik dieser Programmierung
ist in LabVIEW durch die Notification Funktion umzusetzen [55].
Bei der manuellen Steuerung wie auch u
¨ber die Microsoft Excel Steuerdatei kann
der Zeitraum, zu der die Daten aufgezeichnet u
¨ber eine Start/Stop Bedingung gesteuert sowie das Speicherintervall flexibel definiert werden. Dieses ist notwendig
zur Kompression der entstehenden Datenmengen, wenn bei komplexen Versuchsverl¨aufen u
¨ber einen Zeitraum von einigen Stunden bis mehreren Tagen gemessen
wird. Dabei ist eine Datenaufzeichnung in der Regel nur in bestimmten Zeitfenstern
erforderlich. Diese Vorgehensweise hat f¨
ur das Experiment den Vorteil, dass durch
die beiden Parameter die Datenaufzeichnung flexibel dem Versuchsablauf angepasst
werden kann.
75
6 Konzept des GTPROZESSAS
6.2.3 Programmierbare Steuerung
Die f¨
ur die programmierbare Steuerung erforderliche Steuerdatei wird, wie bereits
erw¨ahnt, mit Hilfe einer Microsoft Excel Tabelle erstellt. Diese eignet sich besonders daf¨
ur, da die Struktur transparent und leicht erweiterbar, auf den Windows
Plattformen verf¨
ugbar sowie von vielen Nutzern Microsoft Excel bereits von anderen Anwendungen bekannt ist. Unterst¨
utzt wird dieses noch durch die Tatsache,
dass zu Microsoft Excel u
¨ber das DDE-Kommunikationsprotokoll eine entsprechende Schnittstelle zur Verf¨
ugung steht, um die Datei leicht in eine weitere Windows
Applikation zu importieren (siehe Kapitel 6.2.4).
Excel
Steuerdatei
Abarbeitung
ja
Zeile
N ≤ Nmax
nein
Ende
Abbildung 6.11: Programmstruktur der programmierbaren Steuerung f¨
ur die Abarbeitung der Microsoft Excel Steuerdatei
Der funktionale Umfang der Microsoft Excel Steuerdatei beinhaltet alle M¨oglichkeiten der manuellen Steuerung. Das umfasst die statische und die u
¨ber Funktionen
definierte Ansteuerung aller Aktoren, die Anpassung der Datenaufzeichnung an die
Versuchsdurchf¨
uhrung sowie die Steuerung der Bilderfassung. Da die M¨oglichkeit
der selektiven Ansteuerung eines jeden Aktors besteht, kann zus¨atzlich auch u
¨ber
die Microsoft Excel Steuerdatei eine beliebige Funktion (vgl. manuelle Steuerung)
76
6.2 Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung
durch den Anwender definiert werden, jedoch mit einer begrenzten Zeitaufl¨osung.
Diese ergibt sich aus der Zeit f¨
ur die Abarbeitung der Excel Steuerdatei und der
Spezifikation der entsprechenden Hardware-Komponente (typ. Zeitaufl¨osung f¨
ur das
SCXI-1163 Modul ist 1,4 ms).
Die Abbildung 6.11 zeigt eine vereinfachte Programmstruktur der programmierbaren Steuerung. Die Abarbeitung der Steuerdatei erfolgt zeilenorientiert mit einer
¨
sequenziellen Auswertung der einzelnen Spalten. Uber
die Benutzerober߬ache (vgl.
Abb. 6.12) wird eine dem Versuch entsprechende Microsoft Excel Steuerdatei vor-
Abbildung 6.12: Benutzeroberfl¨ache der programmierbaren Steuerung f¨
ur die Abarbeitung der Excel Steuerdatei
77
6 Konzept des GTPROZESSAS
gegeben (Excel Worksheet) und f¨
ur eine Abarbeitung durch das GTPROZESSAS
eingelesen.
6.2.4 Die Schnittstelle zu Microsoft Excel
Der Datenaustausch zwischen dem GTPROZESSAS und Microsoft Excel wird mit
Hilfe des DDE-Protokolls realisiert. Der von Microsoft entwickelte Standard steuert
dabei die Kommunikation von unterschiedlichen 32-bit-Programmen. Da der Standard auch von LabVIEW [56] unterst¨
utzt wird, kann eine entsprechende Applikation
z.B. Microsoft Excel starten, eine vorhandene Tabelle ¨offnen und die darin abgelegten
Daten ver¨andern oder importieren.
Die Prozess-Steuerung nutzt diese Technik, um die mit Microsoft Excel erzeugte
Steuerdatei in die Versuchsapplikation zu importieren. Die Abb. 6.13 zeigt das LabVIEW Programmmodul, mit welchem die Prozess-Steuerung die in der Benutzeroberfl¨ache vorgegebene Steuerdatei (Excel Datenfile) importiert. Mit Hilfe des DDE
Abbildung 6.13: Programmmodul f¨
ur das Importieren der Microsoft Excel Steuerdatei
Standards wird zuerst das Excel File ge¨offnet, die erforderlichen Daten importiert
und danach die Kommunikation mit Excel beendet. Die importierten Daten werden mit Spreadsheet String To Array Funktion f¨
ur die weitere Verarbeitung in der
Prozess-Steuerung konvertiert.
78
6.2 Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung
Analoges gilt auch f¨
ur das Messsystem. Dort wird mit dem gleichen Verfahren eine
Microsoft Excel Datei f¨
ur die Kalibrierung der einzelnen Prozessgr¨oßen importiert.
Das heißt, in der Datei sind entsprechende Kalibrierungsfaktoren f¨
ur die einzelnen
Sensoren definiert. In dem Kapitel Programmmodule f¨
ur das Messsystem (Kapitel
6.3) ist dieses ausf¨
uhrlich beschrieben.
6.2.5 Die Microsoft Excel Steuertabelle
In den letzten Kapiteln wurde die Microsoft Excel Steuerdatei vorgestellt. In diesem
Kapitel wird auf den grundlegenden Aufbau, Einsatz und die Erweiterungsm¨oglichkeiten der entwickelten Tabelle eingegangen.
In Abbildung 6.14 ist beispielhaft eine typische Microsoft Excel Steuertabelle f¨
ur
Gaswechsel-Experimente dargestellt mit einem kurzen Versuchsverlauf von 4 Stunden 20 Minuten. In der Tabelle werden die einzelnen Funktionalit¨aten der Versuchsdurchf¨
uhrung der entsprechenden Zeile zugeordnet. Die daf¨
ur erforderlichen Parameter sind in den entsprechenden Spalten definiert. Dazu ist eine Unterteilung in die
Bereiche Funktionen/Kommentar, K¨
urzel, Versuchsablauf und Parameter gegeben.
Die Spalte Funktionen/Kommentar ist f¨
ur eine Dokumentation hinsichtlich der
¨
eingesetzten Funktion vorgesehen. Uber
die symbolischen K¨
urzel wird eindeutig ein
Ger¨at mit Adresse oder ein I/O-Modul mit entsprechendem Kanal identifiziert. Das
bedeutet, dass bei der Abarbeitung der Datei dem K¨
urzel die Adresse oder der
Kanal des entsprechenden Aktors mit Hilfe einer in der Applikation integrierten
Zuordnungstabelle automatisch zugewiesen wird. Diese Vorgehensweise erh¨oht die
Transparenz der Tabelle und f¨
uhrt zu einer schnellen Interpretation des Versuchsablaufes.
Die Parameter f¨
ur die symbolischen K¨
urzel werden aus den folgenden Spalten Di¨
gital/Analog out oder Ger¨at selektiv zugeordnet. Nur zur besseren Ubersicht
wird
in der Tabelle noch unterschieden, ob es sich um einen digitalen-, analogen Ausgang
oder ein konkretes Ger¨at handelt. Da u
urzel der Aktor eindeutig identifi¨ber das K¨
79
6 Konzept des GTPROZESSAS
1
0
Pos. Funktion / Kommentar
2
Kürzel
5
Datum - Uhrzeit
TT.MM.JJ. HH:MM:SS
Formate/Bereiche -->
6
Versuchsablauf
Rel.Zeit
8
11
Bedingungen
MUX/RS232
Digital
Wert
0/1
13
14
15
16
17
19
20
Parameter
H:MM:SS
Analog out
Wert 1 Wert 2
[V]
[V]
Rampendauer
MM
Messdaten
Start Intervall
1/0
s
Gerät
Wert1
Wert2
OPEN SYSTEM: LC 350/350 ppm eLC LC 350/350 ppm
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
Startbedingungen
CO2-freie Luft ext. LC
CO2 ext. LC
Line 2: OFF
Line 1:ON
CO2-freie Luf LINE1
CO2 LINE1
CO2-freie Luf LINE2
CO2 LINE2
System öffnen
KK CO2-Dosierung: AUS
KK CO2: Niedrig
KK Flow: AUS
KK CO2-Absorber: AUS
Druckdifferenz = 0 mbar
H ref = H analysator
Referenzkanal
MFC-01
MFC-02
MV4.2
MV4.3
MFC-11
MFC-12
MFC-21
MFC-22
MV5
CG-0/1
CG-set
FG-0/1
AG-0/1
Pd1-set
MV13
V8+GP5
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
300
301
302
303
304
305
Versuch
Start der Datenaufzeichnung
DAQ
Bezugszeit
Druck = 0 mbar
CO2 eLC-Rampe 350-2000
CO2 eLC=350
Druck = 1 mbar
CO2 eLC-Rampe 350-2000
CO2 eLC=350
Druck = 2 mbar
CO2 eLC-Rampe 350-2000
CO2 eLC=350
Druck = 0 mbar
Ende
KK CO2-Dosierung: AUS
KK CO2
KK CO2-Absorber: AUS
Datenaufzeichnung
Meßwerterfassung: ENDE
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
0:00:00
5,000
0,020
0
0
100
2
100
0
0
0
0,000
0
0
4,982
1
1
0:00:00
Pd1-set
MFC-02
MFC-02
Pd1-set
MFC-02
MFC-02
Pd1-set
MFC-02
MFC-02
Pd1-set
06.03.03 - 19:00:00
06.03.03 - 19:00:00
06.03.03 - 19:20:00
06.03.03 - 20:01:00
06.03.03 - 20:20:00
06.03.03 - 20:40:00
06.03.03 - 21:21:00
06.03.03 - 21:40:00
06.03.03 - 22:00:00
06.03.03 - 22:41:00
06.03.03 - 23:00:00
0:00:00
0:20:00
1:01:00
1:20:00
1:40:00
2:21:00
2:40:00
3:00:00
3:41:00
4:00:00
CG-0/1
CG-set
AG-0/1
DAQ
DAQ
06.03.03 - 23:20:00
06.03.03 - 23:20:00
06.03.03 - 23:20:00
06.03.03 - 23:20:00
06.03.03 - 23:20:00
4:20:00
4:20:00
4:20:00
4:20:00
4:20:00
1
60
10
4,982
0,020
0,020
4,990
0,020
0,020
4,998
0,020
0,020
4,982
3,500
40
3,500
40
3,500
40
0
0,000
0
1
0
60
Abbildung 6.14: Microsoft Excel Tabelle f¨
ur die Steuerung von pflanzenphysiologischen Experimenten
ziert ist, k¨onnte die Tabelle auch weiter komprimiert werden, was aber die Lesbarkeit
erschweren w¨
urde.
Eine Steuerung des Versuchsablaufes ist u
¨ber das Datum, die Uhrzeit und u
¨ber
spezielle Bedingungen m¨oglich. Falls alle drei Steuerungsm¨oglichkeiten genutzt werden, so wird nach Priorit¨atsschema abgearbeitet. Dabei wird dem Datum die h¨ochste
und den Bedingungen die niedrigste Priorit¨at zugeordnet. Im allgemeinen ist immer ein zeitsignifikanter Bezug f¨
ur die Steuerung des Versuchsablaufes vorgegeben.
Das heißt, die Steuerung wartet immer bis Datum und Uhrzeit aus der Microsoft
Excel Steuerdatei mit den entsprechenden Systemgr¨oßen u
¨bereinstimmt und arbeitet danach die weiteren Spalten der Excel Zeile ab.
80
6.2 Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung
Abb. 6.15 zeigt das Programmodul, welches Datum und Uhrzeit aus der Excel
Steuerdatei auswertet. Dazu wird aus der abzuarbeitenden Excel Zeile die entsprechende Spalte (5) mit der Information von Datum und Uhrzeit selektiert. Eine While
Loop vergleicht die Systemzeit mit der in der Excel Steuerdatei definierten Zeitin-
Abbildung 6.15: Programmmodul f¨
ur die Auswertung von Datum und Uhrzeit aus
der Microsoft Excel Steuerdatei
formation. Falls diese Bedingung erf¨
ullt ist, wird das Programmodul beendet und
die n¨achste Spalte durch die Prozess-Steuerung abgearbeitet. Alternativ kann die
Startbedingung f¨
ur die Abarbeitung der Excel Steuerdatei u
¨ber die in Abb. 6.12
dargestellte Benutzeroberfl¨ache definiert werden. Die zeitliche Steuerung f¨
ur die Abarbeitung f¨
ur die n¨achste Zeile wird dann aus den relativen Zeitangaben (Spalte 6)
in der Steuerdatei berechnet.
81
6 Konzept des GTPROZESSAS
Zus¨atzlich besteht die M¨oglichkeit, die Zeitsignifikanz mit den spezifischen Bedingungen zu koppeln. Bedingungen k¨onnen z. B. if/and/or Verkn¨
upfungen der Prozessgr¨oßen mit einer Konstanten oder weiteren Prozessgr¨oßen sein. Erg¨anzt mit entsprechenden Vergleichsbedingungen kann so zum Beispiel mit der if <Messkanal> =
<Konstante> mit einer Anweisung so lange gewartet werden, bis eine Prozessgr¨oße
eine vorgegebene Schwelle erreicht hat. Mit Hilfe der Bedingungen lassen sich beliebig
komplexe Abfragen konstruieren, um auf diesem Wege einen Versuchsablauf u
¨ber die
Microsoft Excel Steuerdatei flexibel den experimentellen Anforderungen anzupassen.
Abbildung 6.16: Auswertemodul f¨
ur den Start der Rampenfunktion u
¨ber die Microsoft
Excel Steuerdatei
Die Spalten f¨
ur die Parameter sind eingeteilt in die Bereiche zur Ansteuerung
der Aktoren (Digital out, Analog out, Ger¨at), die M¨oglichkeit, die Rampendauer
sowie Start/Stop Bedingungen und Speicherzyklus f¨
ur die Datenaufzeichnung zu
definieren.
In der Excel Steuerdatei (Abb. 6.14) ist an Position 205 beispielhaft aufgezeigt, wie
eine Rampenfunktion f¨
ur einen Aktor, welcher analog anzusteuern ist, definiert wird.
Das entsprechende Programmmodul ist in Abb. 6.16 dargestellt. Dieses verarbeitet
die f¨
ur die Rampe definierten Parameter (Spalte 14 und 15) und das K¨
urzel f¨
ur die
82
6.2 Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung
Zuweisung des Aktors. Mit Hilfe der LabVIEW Notification Funktion werden die
Rampenparameter an das in der Initialisierung definierte Programm u
¨bergeben und
dieses gestartet.
Bei der programmierbaren Steuerung werden f¨
ur eine statische Ansteuerung von
Aktoren weitere Module (Analog out, Digital out) ben¨otigt. Beispielhaft daf¨
ur wird
in Abb. 6.17 ein Programmmodul f¨
ur digital anzusteuernde Aktoren (z.B. Magnetventile) dargestellt.
Abbildung 6.17: Auswertemodul f¨
ur den Parameter Digital out der Excel Steuerdatei
Nach der Auswertung des K¨
urzels f¨
ur die Auswahl des Aktors wird diesem ein
entsprechender Parameter aus Spalte 11 der Steuerdatei zugewiesen. Kanal und Parameter werden mit Hilfe des SCXI-1163 Moduls (vgl. Tabelle 6.1) ausgegeben. Es
besteht die M¨oglichkeit, in einer Excel Zeile mehrere Kan¨ale f¨
ur Digital out gleichzeitig zu definieren. Dabei ist zu beachten, dass dann sowohl K¨
urzel wie auch die
Parameter durch ein Semikolon getrennt werden m¨
ussen.
83
6 Konzept des GTPROZESSAS
6.3 Programmmodule fu
¨r das Messsystem
Im Kapitel Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS (Kapitel 6.1) wurden die Umsetzungen der entsprechenden Anforderungen an die Softwarestruktur des Messsystems
er¨ortert. Dabei ist als wesentlicher Ansatz eine synchrone und periodische Messdatenerfassung f¨
ur die einzelnen pflanzenphysiologischen Prozesse und das bildgebende
Verfahren zu entwickeln.
Das Messsystem in Abb. 6.18 ist so konzipiert, dass die M¨oglichkeit der Auswahl
bez¨
uglich der Messungen f¨
ur die Gaswechsel-, Tanslokationsprozesse und dem bild-
Auswahl
?
GWM
?
TLM
?
?
BM
EW
Abbildung 6.18: Stark vereinfachte Softwarestruktur des Messsystems, GWM: Gaswechselmessungen, TLM: Translokationsmessungen, BM: Bildgebendes Messverfahren,
EW: Erweiterungen
gebenden Verfahren u
¨ber die Benutzeroberfl¨ache besteht. Damit ist der Anwender
in der Lage, seine Messdatenerfassung selektiv und individuell in ihren Anteilen zu
kombinieren und so auf die unterschiedlichen wissenschaftlichen Fragestellungen hin
flexibel zu konfigurieren. Die parallele Programmstruktur unterst¨
utzt eine synchrone Messdatenerfassung bei allen Kombinationen sowie eine leichte Erweiterung des
vorhandenen Messsystems.
Die einzelnen Teilprogramme f¨
ur Gaswechsel-, Translokationsmessungen und das
bildgebende Verfahren sind so konzipiert, dass sie als unabh¨angige Einzelprogramme
ablauff¨ahig, aber gleichzeitig auch im Gesamtsystem zu integrieren sind.
84
6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem
6.3.1 Gaswechselmessungen
Die Grundlagen f¨
ur die Konzeption der Gaswechselmessungen sind die in dem Kapitel
Anforderungen an das Messsystem (Kapitel 4.2.2) angesprochenen Aspekte. Aus
diesen Kriterien sind die Aufgaben an das Modul f¨
ur die Gaswechselmessungen mit
einer periodischen Messdatenerfassung, Analyse-, Pr¨asentation- und Archivierung
der Messdaten abzuleiten. Aus diesen Anforderungen ist die in Abb. 6.19 dargestellte
Grundstruktur entwickelt worden.
Initialisierung
DAQ
Ereignissteuerung
Messdatenerfassung
-analyse
-präsentation
-archivierung
nein
Stopp
DAQ
ja
Ende
Abbildung 6.19: Programmstruktur des Messsystems f¨
ur die Gaswechselprozesse,
DAQ: Data Acquisition
Grundlegend ist das Messsystem f¨
ur die Gaswechselprozesse so konzipiert, dass eine asynchrone kontinuierliche Messdatenerfassung durchgef¨
uhrt wird. F¨
ur eine Umsetzung dieser Technik wird das PXI/SCXI-Datenerfassungssystem mit dem I/O-
85
6 Konzept des GTPROZESSAS
Modul PXI-6031E (vgl. Kapitel 6.1.3) eingesetzt. Es steuert mit einem HardwareTiming [57] die Abtastung der Messsignale und speichert sie in einem zu konfigurierenden Buffer. Diese Methodik der Messwerterfassung hat den Vorteil, dass die
Erfassung nicht durch Anwenderinteraktionen unterbrochen werden kann, wie das
z.B. bei einem Software-Timing der Fall ist.
Die zentrale Steuerung der Programmausf¨
uhrung wird u
¨ber die DAQ-Ereignissteuerung gew¨ahrleistet. Diese u
¨berwacht die Messdatenerfassung und synchroni-
Sensoren
Messger¨
ate
Erweiterung
?
PXI/SCXI-Datenerfassungssystem
?
LabVIEW APIs
?
Messdaten
Abbildung 6.20: Stark vereinfachte Struktur der Messdatenerfassung f¨
ur die Gaswechselmessungen
siert diese mit dem Anwenderprogramm u
¨ber einen entsprechenden Programmauf¨
ruf. Uber
die DAQ-Ereignissteuerung greift damit das Programm in bestimmten vorgegebenen Zeitabst¨anden auf die zwischengespeicherten Messdaten des PXI/SCXIDatenerfassungssystems zu. Bei jedem Programmaufruf werden parallel, wie in Abb.
6.20 dargestellt, die Daten der externen Ger¨ate (z.B. Gasanalysator und Massendurchflussmesser f¨
ur Gase) erfasst. Die Schnittstellen zwischen den Programmmodulen und dem Hardwaresystem bilden entsprechende von National Instruments ent-
86
6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem
wickelte APIs8 . Mit Hilfe dieser APIs k¨onnen die einzelnen LabVIEW Funktionen
f¨
ur die Datenerfassung mit den eingesetzten Mess- und Automatisierungskomponenten kommunizieren. Die Technik, die f¨
ur die DAQ-Ereignissteuerung bei LabVIEW
zur Verf¨
ugung steht, basiert auf den DAQ-Occurrence Funktionen [55]. Mit diesen
besteht die M¨oglichkeit, das Anwenderprogramm auf ein externes DatenerfassungsEreignis zu synchronisieren, welches hier der Erfassung einer bestimmten Anzahl von
Abtastungen entspricht.
Die Vorteile einer solchen DAQ-ereignisgesteuerten Programmierung ist eine zeitlich pr¨azise Messdatenerfassung und die Tatsache, dass keine Prozessorzeit in An-
Abbildung 6.21: Programmierung der DAQ-Ereignissteuerung f¨
ur die Gaswechselmessungen in LabVIEW
spruch genommen wird, solange auf das Ereignis gewartet wird. Gerade in Bezug auf
die parallelen Strukturen des Messdatensytems ist eine Optimierung der Einzelprogramme, bez¨
uglich einer minimalen Prozessorzeit, von Vorteil.
Die Abb. 6.21 zeigt beispielhaft die Initialisierung der DAQ-Ereignissteuerung f¨
ur
das PXI-6031E Modul. Dazu wird das Modul mit der LabVIEW Funktion AI CON8
API: Application Programming Interface. Eine API ist die offengelegte Programmierschnittstelle einer Applikation oder eines Betriebssystems. Die Methoden einer API erlauben es, eigene
Funktionen zu integrieren und die Kommunikation zwischen verschiedenen Anwendungen sowie
zwischen Anwendungen und Hardwarekomponenten zu erm¨oglichen.
87
6 Konzept des GTPROZESSAS
FIG initialisiert, die Occurrence Funktion konfiguriert und die Messwerterfassung
mit der AI START Funktion kontinuierlich mit 10 Hz gestartet.
Die Messdatenerfassung kann leicht mit zus¨atzlichen Ger¨aten erweitert werden.
In den folgenden beiden Kapiteln wird beispielhaft aufgezeigt, wie zwei Einzelger¨ate
in das Messsystem integriert werden k¨onnen. Dieses sind zum einen ein CO2 /H2 OGasanalysator, der direkt u
¨ber die physikalische Schnittstelle angesteuert wird und
zum anderen Massendurchfluss-Messger¨ate, welche indirekt u
¨ber einen DDE-Server
integriert werden.
Integration des CO2 /H2 O-Gasanalysators
Der LI-70009 ist ein CO2 - und H2 O-Infrarot-Gasanalysator, der im GTPROZESSAS
f¨
ur die Analyse der CO2 - und H2 O-Konzentration eingesetzt wird. Eine Kommunikation ist u
¨ber die serielle RS-232 Schnittstelle gegeben. Damit besteht die M¨oglichkeit,
das Ger¨at in das konzipierte Messsystem zu integrieren. Ein Nachteil ist, dass ein
Ger¨atetreiber f¨
ur LabVIEW nicht verf¨
ugbar ist. Die entsprechende Treiber-Software
mußte zus¨atzlich erstellt werden.
Die Entwicklungsumgebung LabVIEW unterst¨
utzt daf¨
ur eine große Anzahl von
Funktionen f¨
ur die Kommunikation u
¨ber die physikalischen Schnittstellen mit Hilfe
des VISA Standards, der zur Steuerung beliebiger Ger¨atearten eingesetzt werden
kann. Damit ist der Programmierer in der Lage, eine geeignete Treiber-Software [58]
zu erstellen.
In Abb. 6.22 ist die Initialisierung f¨
ur den in Abb. 6.23 entwickelten Ger¨atetreiber des Licor-7000 dargestellt. Die Basis daf¨
ur ist der schon angesprochene VISA
¨
Standard, welcher f¨
ur eine bidirektionale Ubertragung
von Daten u
¨ber die serielle
Schnittstelle RS-232 genutzt wird. Dieser entwickelte Ger¨atetreiber bildet die Grundlage f¨
ur eine Kommunikation des Messsystems mit dem Licor-7000.
9
Hersteller: LI-COR Inc., 4308 Progressive Avenue, Lincoln, NE 68504
88
Abbildung 6.22: Initialisierung des LabVIEW Ger¨atetreibers f¨
ur den LI-7000
6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem
89
6 Konzept des GTPROZESSAS
Abbildung 6.23: LabVIEW Ger¨atetreiber f¨
ur den LI-7000
90
6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem
Integration der Massendurchfluss-Messger¨
ate f¨
ur Gase
Die Massendurchflussmesser der EL-FLOW-Baureihe10 werden im GTPROZESSAS
f¨
ur die Detektion der unterschiedlichen Massendurch߬
usse von Gasen eingesetzt.
Durch den internen Feldbus RS-485 k¨onnen mehrere Einzelger¨ate angeschlossen und
u
¨ber einen Controller ausgelesen werden [59].
Die Kommunikation (Abb. 6.24) des Messsystems mit dem Controller wird indirekt u
¨ber einen DDE-Server realisiert. Der Server steuert den Datenaustausch mit
der entsprechenden Applikation (Messsystem) u
¨ber die DDE-Schnittstelle und u
¨ber
die physikalische Schnittstelle RS-232 die Kommunikation mit dem Controller der
Massendurchflussmessger¨ate. Der Vorteil eines solchen Verfahrens ist die schnelle In-
Messdaten- system
Abbildung
6.24:
-
DDE
DDE
Server
Prinzipielle
Darstellung
Massendurch
flussRS-232 Messger¨
ate
der
Messdatenerfassung
f¨
ur
die
Massendurchfluss-Messger¨
ate u
¨ber einen DDE-Server
tegration der externen Ger¨ate in das Gesamtsystem, da der gesamte Datenaustausch
u
¨ber den Server erfolgt. Damit entf¨allt, dass eine aufwendige Treiber-Software erstellt werden muß. Der DDE Standard wird von LabVIEW unterst¨
utzt, so dass
die Massendurchfluss-Messger¨ate einfach in das Messsystem eingebunden werden
k¨onnen.
Die Abb. 6.25 zeigt das LabVIEW Programmmodul f¨
ur eine Kommunikation mit
dem Bronkhorst DDE-Server. Die Verbindung zum Server wird ge¨offnet, das entsprechende Massendurchfluss-Messger¨at mit C(1) ausgew¨ahlt und mit dem Befehl P(8)
werden die Daten vom Server angefordert.
10
Hersteller: Bronkhorst High-Tech B.V., Nijverheidsstraat 1A, 7261 AK Ruurlo, Netherlands
91
6 Konzept des GTPROZESSAS
Abbildung 6.25: Programmmodul f¨
ur die Kommunikation mit dem Bronkhorst Server
Flow-DDE
Die beiden Beispiele haben aufgezeigt, wie die Prozessgr¨oßen mit Hilfe der unterschiedlichen standardisierten Schnittstellen -Physikalische- und Softwareschnittstellen- in die Messdatenverarbeitung importiert werden k¨onnen. Diese Vorgehensweise
hat den Vorteil, dass die einzelnen Prozessgr¨oßen nicht mehr fragmentiert, sondern
als das zu messende Objekt betrachtet werden k¨onnen. Die Prozessgr¨oßen sind damit
zentral f¨
ur die weitere Analyse im Messsystem verf¨
ugbar.
Analyse der Messdaten
Die Analyse der Messdaten ist neben der Messdatenerfassung als das zentrale Modul
bei den Gaswechselmessungen zu sehen, wo Messdaten mit grundlegenden Funktionen (Linearisierung, Mittelwertbildung, Kalibrierung) sowie aufwendigen Verfahren
analysiert werden. Dabei ist eine wichtige Zielsetzung, komplexe pflanzenphysiologische Zusammenh¨ange zu interpretieren.
Aufgrund der Bandbreite der Datenanalyse wird im folgenden nur auf die wichtigsten konzeptionellen Aspekte eingegangen.
• Bei allen analogen Messdaten vom PXI/SCXI-Datenerfassungssystem werden
nach jedem Ereignis (Abtastung 10Hz, Ereignissteuerung 1Hz) der Mittelwert
92
6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem
und die Standardabweichung berechnet. Damit wird die Genauigkeit verbessert,
und es kann gleichzeitig auch eine Aussage u
¨ber die Stabilit¨at des Eingangssignals gemacht werden.
• F¨
ur eine pr¨azise Messung der Temperatur (Messdaten vom Verst¨arker f¨
ur die
Thermoelemente SCXI-1112) werden die Messfehler der Hardwarekomponenten
ber¨
ucksichtigt. Dies beinhaltet eine Korrektur der Offsetspannung der Messverst¨arker und eine CJC (Cold Junction Compensation) Kompensation [60, 61].
Beide Korrekturen werden funktional durch das SCXI-1112 Modul unterst¨
utzt.
Aus den korrigierten Messdaten wird die Temperatur in Abh¨angigkeit von dem
eingesetzten Typ (J,K,T,E,R,S,N,B) des Thermoelementes berechnet.
A
1 Last File >
2
3
0
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
Kanal
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
B
C
1
2
Kuerzel
Ce1
Ce2
Cd
--he
ho
te
to
tC
tS
tG
tD
tD5
FM1
--Pa1
--Pd1
----tKK
hKK
CG
eLC
------------(he*)
(ho*)
Ce1VP
Ce2VP
Cd (a0)
Cd (a1)
HaCIRcorr
Datum
05-10-00 (D1)
D
3
E
4
F
5
6
a0
-51,51780514
a1
450,32459893
0,00000000
1,00000000
04-11-2002
04-11-2002
06-09-00
06-09-00
13-12-2002
13-12-2002
13-12-2002
13-12-2002
13-12-2002
27-06-00
9,11580630
10,34927555
-20,36412031
-20,82548691
0,25135038
0,20471757
-0,47152888
0,73033300
1,01643040
26,66845778
10,05543766
10,21690835
20,21152104
20,33794048
40,18190450
40,71365532
40,40649200
40,72855271
40,12604568
409,46465391
27-06-00
822,84438068
74,89425992
24-07-02
-326,71700618
65,50589701
*06-09-00
*06-09-00
18-09-00
04-07-02
0,00000000
0,00000000
-0,56257386
-3,86637552
5,00000000
10,00000000
399,44587382
386,94710121
11/4/2002
11/4/2002
26-10-00
14,30748959
1,02476324
-1,28170513
1,00277130
0,08103550
0,01387457
0,00208449
0,00047938
0,00000004
0,00001242
LeakOS
date
0,00000010
*
03-11-00
date
a2
77,66345576
G
a3
-1,75985753
H
G01 V298 Cal
I
12/13/2002
7
8
a4
a5
1,19760990
1,17779858
-0,93152207
23,24204246
Abbildung 6.26: Microsoft Excel Datei f¨
ur die Kalibrierung der physikalischen Prozessgr¨
oßen
93
6 Konzept des GTPROZESSAS
• F¨
ur die Kalibrierung der Prozessgr¨oßen wird eine entsprechende Microsoft
Excel Kalibrierungsdatei, wie sie in Abb. 6.26 dargestellt ist, importiert. Diese
beinhaltet ein K¨
urzel f¨
ur die Zuweisung des entsprechenden Messkanals, den
Zeitpunkt der Spezifizierung der Koeffizienten und die Koeffizienten a0 ...a5 . Mit
Hilfe dieser Tabelle besteht die M¨oglichkeit, aus den einzelnen Sensordaten die
physikalische Prozessgr¨oße mit einem Polynom 5ter Ordnung zu berechnen.
Die erforderlichen Koeffizienten werden durch Einzelmessungen bestimmt oder
sind durch die Spezifikationen der Sensoren vorgegeben.
Das f¨
ur diese Berechnungen erforderliche LabVIEW Programmmodul ist in
Abb. 6.27 dargestellt. Die kalibrierten Messwerte werden mit Hilfe der LabVIEW Funktion Formula Node aus den Messdaten (Rohdaten) und den Para-
Abbildung 6.27: Programmmodul zur Auswertung der Microsoft Excel Datei f¨
ur die
Kalibrierung der physikalischen Prozessgr¨oßen
metern der Kalibrierungsdatei berechnet.
Dieser Ansatz der Kalibrierung hat f¨
ur den Anwender den Vorteil, dass Transparenz und Flexibilit¨at des Experiments optimiert werden, sowie die M¨oglichkeit besteht, dass Messsystem neu zu konfigurieren ohne die Anwendersoftware zu modifizieren. Dieses bietet außerdem die M¨oglichkeit, KalibrationsKoeffizienten zu archivieren, um von denen und aus evtl. Abweichungen auf
¨
Anderungen
bei den Messkomponenten zu schließen.
94
6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem
• F¨
ur die Auswertung eines Experimentes sind die Berechnungen der pflanzenphysiologischen Zusammenh¨ange wie z.B. CO2 -Austauschraten oder Transpirationsraten notwendig. Die Abb. 6.28 zeigt das Programmmodul f¨
ur die Berechnungen der Gaswechselmessungen, die f¨
ur eine online Interpretation des
Experimentes notwendig sind. Die Voraussetzungen daf¨
ur stellt die Struktur
des Messsystems (vgl. Abb. 6.20). Wie diese Berechnungen verdeutlichen, ist
damit eine korrelierte Messdatenanalyse von unterschiedlichen Messkomponenten (z.B. PXI/SCXI-Messsystem und Licor-7000) gegeben und kann durch die
Abbildung 6.28: Programmmodul f¨
ur die Berechnung der pflanzenphysiologischen Zusammenh¨
ange bei den Gaswechselmessungen
95
6 Konzept des GTPROZESSAS
Struktur des Messsystems leicht erweitert werden z.B. durch zus¨atzliche Informationen aus der Bilddatenanalyse.
Die Berechnung einfacher mathematischer Zusammenh¨ange ist mit den grafischen Werkzeugen von LabVIEW u
¨ber mathematische Einzelfunktionen oder
u
ur kom¨ber eine zeichenorientierte Darstellung (Formula Node) m¨oglich. F¨
plexere Berechnungen oder Algorithmen ist es effektiver, externe textbasierte Funktionsroutinen in Form einer DLL11 einzubinden. LabVIEW verwendet
daf¨
ur ein spezielles Blockdiagrammelement (Call Library Function Node), um
eine DLL unter Windows aufzurufen. Sollte es erforderlich sein, konventionellen, textbasierten Quelltext in eine Applikation zu importieren, so kann das
mit dem Code Interface Node realisiert werden. Der ausf¨
uhrbare Quelltext wird
aufgerufen, wenn der Knoten ausgef¨
uhrt wird, wobei Eingabedaten des Blockdiagramms an den externen Quelltext u
¨bergeben werden. Die von der externen
Routine zur¨
uckgegebenen Daten werden an das Blockdiagramm u
¨bergeben.
Analog ist die Technik der Daten¨
ubergabe auch bei dem Aufruf einer DLL.
Pr¨
asentation der Messdaten
Nach der Analyse der Prozessgr¨oßen k¨onnen neben den gemessenen Prozessgr¨oßen
auch die berechneten pflanzenphysiologischen Zusammenh¨ange dargestellt werden.
Damit ist eine schnelle Interpretation der Versuchsdurchf¨
uhrung gegeben. Die eingesetzten Verfahren f¨
ur die Pr¨asentation und Archivierung der Prozessgr¨oßen basiert
auf grundlegenden Funktionen.
Der Anwender kann die Prozessgr¨oßen mit Hilfe der Diagramm- (Chart) oder Graphen-Darstellung pr¨asentieren. Bei der Chart-Darstellung k¨onnen die Daten nach
jedem Ereignis selektiv ausgew¨ahlt und mit dem entsprechenden Zeitbezug visualisiert werden. Damit besteht die M¨oglichkeit, den Ist-Zustand der Prozessgr¨oßen zu
u
¨berwachen.
11
DDL: Dynamic Link Librarie. Eine DLL ist eine Bibliothek gemeinsamer Funktionen, die eine
Applikation w¨
ahrend der Ausf¨
uhrung einbinden kann, nicht w¨ahrend der Kompilierung.
96
6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem
Im Gegensatz dazu stellen Graphen Daten von bereits erzeugten Arrays in einem
Zuge dar. Diese Darstellung wird eingesetzt, um die archivierten Daten zu pr¨asentieren. Der Anwender kann einen Datenfile importieren und die entsprechenden Daten
zur Visualisierung ausw¨ahlen. Damit besteht die M¨oglichkeit, die zur¨
uckliegenden
aufgezeichneten Messdaten zu kontrollieren.
LabVIEW stellt f¨
ur die Diagramm- und Graphen-Darstellung die leistungsf¨ahigen
Funktionen Waveform Chart und Waveform Graph zur Verf¨
ugung. Mit Hilfe dieser
beiden Funktionen kann die Applikation zur grafischen Darstellung effizient erstellt
und flexibel konfiguriert werden.
Daten-Archivierung
F¨
ur die Archivierung der Daten wird eine filebasierte Datenbank Architektur eingesetzt. Die Tabelle 6.2 zeigt den Aufbau eines Datenfiles in der Datenbank. Archiviert
werden der Zeitpunkt der Datenerfassung mit Datum und Uhrzeit, alle Rohdaten
Name Datenfile
Metadaten
Datum
Uhrzeit
Rohdaten
Berechnete Daten
Erweiterung
3.08.03
10.23.40
4
10,4
2
...
7
10
2,2
...
...
3.08.03
10.25.20
1,1
8
3,02
...
3,08
11
2
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
Tabelle 6.2: Aufbau eines Datenfiles f¨
ur die filebasierte Datenbank
(gemessenen Daten) sowie die aus den Messdaten berechneten Informationen. Die
Position der Daten im File ist in Tabelle 6.3 dargestellt. Die Steuerzeichen zur Trennung der einzelnen Spalten sind das tab character und f¨
ur die Spalten das end of
line character.
97
6 Konzept des GTPROZESSAS
Position
L¨ange
Datum
1
1
Uhrzeit
2
1
Rohdaten
3..50
47
Berechnete Daten
51..71
20
Erweiterung
72..
..
Tabelle 6.3: Position der Daten im archivierten Datenfile
Eine Identifikation der einzelnen Positionen ist u
¨ber die im Datenfile vorhandenen Metadaten, welche in Abb. 6.29 dargestellt sind, gegeben. In diesem werden bei
der Erstellung des Datenfiles zus¨atzliche Informationen u
¨ber die archivierten Daten
gespeichert. Aufgrund der Metainformationen und der ASCII12 -Datei ist eine Auswertung des Datenfiles mit Standard Programmen wie z.B. Origin, SigmaPlot oder
Microsoft Excel gegeben, welches bei dem Einsatz eines Relationalen Datenbankmodells nicht direkt m¨oglich ist. Damit besteht die M¨oglichkeit einer erweiterten
Datenanalyse oder Dokumentation der Messergebnisse.
12
ASCII: American Standard Code for Information Interchange. Mit ASCII wird ein Codierungsschema bezeichnet, das jedem Zeichen aus einem Zeichensatz eine eindeutige Nummer zuordnet.
Zur Codierung werden 7 oder 8 Bits verwendet, wodurch bis zu 256 Zeichen (Buchstaben, Ziffern, Satzzeichen, Steuerzeichen und andere Symbole) dargestellt werden k¨onnen. ASCII wurde
1968 mit der Intention entwickelt, Daten¨
ubertragungen zwischen divergierenden Hardware- und
Softwaresystemen zu standardisieren. Mit der ASCII Darstellung wird in den meisten Minicomputern und in allen Personal Computern gearbeitet.
98
6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem
<Start-Metadaten>
//Kommentar
//Position
: Datentyp : Bezeichnung
: Einheit
Datum
: dd.mm.yy
Uhrzeit
: hh.mm.ss
Rohdaten [1]
: int16
: Durchfluss MFC1
Rohdaten [2]
: int16
: Temperatur Blattkammer :
: int16
: Druck Blattkammer
:
Berechnete Daten [1] : dbl
: CO2 -Austauschraten
Berechnete Daten [2] : dbl
: Molarer Massenfluss
: mmol m-2 s-1
: mmol s-1
: Temperatur Blatt
: ◦C
:
.
.
Rohdaten [50]
.
.
Berechnete Daten [20]: dbl
Erweiterung
.
<Ende-Metadaten>
<Start-Daten>
.
.
.
<Ende-Daten>
Abbildung 6.29: Format der Metadaten f¨
ur die filebasierte Datenbank
99
6 Konzept des GTPROZESSAS
6.3.2 Translokationsmessungen
Das Grundkonzept f¨
ur die Translokationsmessungen basiert auf dem Messverfahren,
das im Kapitel Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden (Kapitel 3)
ausf¨
uhrlich er¨ortert wurde. Bei diesem Messverfahren werden mit Hilfe einer geeigneten Signalvorverarbeitung aus der γ-Strahlung einzelne Impulse erzeugt und mit
einer entsprechenden Z¨ahlerstruktur (PXI-6602, vgl. Kapitel 6.1.4) detektiert. Die
prim¨are Aufgabe des Softwaresystems ist es, die Z¨ahlerst¨ande nach einem durch den
Anwender definierten Zeitintervall auszulesen und zu analysieren.
F¨
ur eine Umsetzung dieser funktionalen Anforderung durch das Programmmodul
f¨
ur die Translokationsmessungen ist die Grundstruktur (siehe Programmstruktur f¨
ur
die Gaswechselmessungen Abb. 6.20) konzipiert mit einer DAQ-ereignisorientierten
Programmausf¨
uhrung, Erfassung, Analyse, Pr¨asentation und Archivierung der Messdaten.
Das durch den Anwender zu definierende Messintervall f¨
ur die Auswertung der
Z¨ahlerst¨ande wird mit Hilfe eines Hardwaretiming umgesetzt, also zu einem Gatesignal f¨
ur die einzelnen Z¨ahler des PXI-6602 Moduls. Dieses gemeinsame Gatesignal
(Zeitintervall typ. 10 bis 60 sec), das der Anwender manuell oder u
¨ber die MS Excel
Tabelle vorgeben kann, wird zus¨atzlich f¨
ur die DAQ-Ereignissteuerung ausgewertet.
Diese Vorgehensweise f¨
ur die Konzeption der Translokationsmessungen f¨
uhrt zu
den schon bei den Gaswechselmessungen diskutierten Vorteilen hinsichtlich Genauigkeit der Messwerterfassung sowie einer minimalen Prozessorauslastung.
Eine Synchronisierung der Messwerterfassung in Bezug auf die Gaswechselmessungen und des bildgebenden Messverfahrens erfolgt u
¨ber den PXI-Triggerbus. Mit
Hilfe dieser Bus-Struktur kann der Einsatz unterschiedlicher PXI-Module im Datenerfassungssystem synchronisiert werden [49, 48].
Die komplexen Analyseverfahren f¨
ur Translokation sind ausf¨
uhrlich in der Literatur [37, 39] erl¨autert. Eine Pr¨asentation und Archivierung der Messdaten geschieht
100
6.3 Programmmodule f¨
ur das Messsystem
in Analogie zu den Gaswechselmessungen.
6.3.3 Bildgebendes Messverfahren
Die Gaswechsel- und Translokationsmessungen basieren auf der im Kapitel Grundlagen der pflanzenphysiologischen Messmethoden (Kapitel 3) beschriebenen Gaswechselanlage und damit gekoppelten Messmethoden. Im Gegensatz dazu ist das bildgebende Messverfahren grundlegend neu zu konzipieren. Das Konzept daf¨
ur wird in
dem Kapitel Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren (Kapitel 7) ausf¨
uhrlich aufgezeigt. Die M¨oglichkeit der Steuerung und Integration in das GTPROZESSAS ist in
diesem Kapitel dargestellt worden.
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wurden das Grundkonzept f¨
ur das GTPROZESSAS und die Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung und das Messsystem konzipiert. Dabei ist
neben der Funktionalit¨at die Modularit¨at und Erweiterbarkeit ausf¨
uhrlich diskutiert
worden. Im weiteren sind die wichtigsten Aspekte dahingehend zusammengefasst.
Das Hardwaresystem gew¨ahrleistet durch den Einsatz der standardisierten Schnittstellen und das flexibel konfigurierbare PXI/SCXI-System eine offene Struktur, durch
die eine effektive Integration von Komponenten aus dem Bereich der Mess- und Automatisierungstechnik gegeben ist. Deutlich erweitert wird diese Grundstruktur mit
der M¨oglichkeit, zus¨atzlich Echtzeitapplikationen auf dedizierter Hardware in Verbindung mit einem PXI/SCXI-Datenerfassungssystem oder FieldPoint-Modul einzuur Applikationen aus dem Bereich
setzen. Dieser Aspekt o¨ffnet das GTPROZESSAS f¨
der Regelungstechnik und ist damit eine wesentliche Erweiterungsm¨oglichkeit.
101
6 Konzept des GTPROZESSAS
F¨
ur das Softwaresystem wird das Win32 Betriebssystem als Systemsoftware eingesetzt. Gerade mit der Entwicklungsumgebung LabVIEW gew¨ahrleistet diese Kombination zum momentanen Zeitpunkt einen breitbandigen Einsatz im Bereich des
Hard- und Softwaresystems.
Die Struktur der Anwendersoftware er¨offnet die M¨oglichkeit, einzelne Programmmodule f¨
ur neue oder erweiterte Applikationen einzusetzen, aber auch eine leichte
Transformation von Modulen auf weiteren Rechnersystemen. Dieses kann gerade in
Bezug auf die rechenintensive Bilddatenanalyse von Vorteil sein.
Durch den Einsatz der Programmmodule f¨
ur die Prozess-Steuerung kann der
Anwender seine wissenschaftlichen Experimente effektiv planen und durchf¨
uhren,
und zwar mit der manuellen oder programmierten Steuerung. Dabei ist die programmierte Steuerung deutlich hervorzuheben. Mit deren Hilfe und einer Microsoft
Excel-Steuerdatei sind komplexe Versuchsabl¨aufe mit reproduzierbaren Versuchsbedingungen durchzuf¨
uhren, ohne dass ein Eingriff in das Softwaresystem notwendig
ist. Nicht nur die Flexibilit¨at bez¨
uglich der Versuchsdurchf¨
uhrung ist f¨
ur den Anwender dabei gegeben, sondern auch die konzipierte Struktur der Microsoft Excel
Tabelle erm¨oglicht eine schnelle Einarbeitung, eine effektive Erstellung der Versuchsdurchf¨
uhrung und eine leichte Erweiterung der Funktionalit¨aten.
Die Programmmodule f¨
ur die Gaswechsel- und Translokationsmessungen beinhalten die grundlegenden Funktionen f¨
ur die Erfassung, Analyse, Pr¨asentation und Archivierung der physikalischen Prozessgr¨oßen. Mit Hilfe der Ereignis-Steuerung ist
eine periodische und synchrone Messwerterfassung der pflanzenphysiologischen Prozesse und des bildgebenden Verfahrens gew¨ahrleistet, welche je nach der wissenschaftlichen Fragestellung in ihren Anteilen kombiniert werden k¨onnen. Gerade dieser Ansatz erlaubt es, pflanzenphysiologische Messmethoden mit einem bildgebenden
Messverfahren zu kombinieren. Durch diesen Aspekt eignet sich das GTPROZESSAS
f¨
ur eine leichte Transformation auf zuk¨
unftige Forschungsschwerpunkte.
102
7 Konzept fu
¨r das bildgebende
Messverfahren
Wie schon in dem Kapitel Anforderungen an das bildgebende Messverfahren (Kapitel
4.2.4) aufgezeigt wurde, sollen die pflanzenphysiologischen Messmethoden durch die
M¨oglichkeit erg¨anzt werden, gleichzeitig ein optisches Messverfahren mit Hilfe der
Bilderfassung einzusetzen. Dadurch k¨onnen parallele Informationen in Bezug auf die
morphologischen Gr¨oßen z.B. Blattgeometrie oder Blattwachstum von Pflanzen verarbeitet werden. Damit kann schon w¨ahrend der Versuchsdurchf¨
uhrung eine Analyse
der Messdaten durch das GTPROZESSAS erfolgen. Mit Hilfe der analysierten Blattfl¨ache besteht z.B. die M¨oglichkeit der Interpretation von Photosyntheseraten online.
Durch die M¨oglichkeit der Kombination dieser unterschiedlichen Messverfahren sind
Perspektiven f¨
ur die Untersuchung von neuen wissenschaftlichen Fragestellungen gegeben.
Die Analyse von Bildinformationen ist ein komplexer Prozess und erfordert eine
Kombination grundlegender Bildverarbeitungsoperationen. Diese werden hier konkret auf die Detektion der Blattgeometrie - speziell auf die Berechnung der Blattfl¨ache (vgl. Kapitel 7.3) - von Pflanzen angewandt. Dieser Anwendungsfall ist als
Erg¨anzung zu den Gaswechselmessungen zu sehen, da die Blattfl¨ache als morphologische Gr¨oße in die Berechnung der Photosyntheserate bei Pflanzen eingeht (vgl.
Kapitel 3.2.2).
103
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
Zu einem sp¨ateren Zeitpunkt soll das konzipierte bildgebende Verfahren auf weitere wissenschaftliche Fragestellungen (Fluoreszenzmessungen, Blattwachstum von
Pflanzen uvm.) ausgeweitet werden. Dieser wesentliche Aspekt wurde bei der Konzeption ber¨
ucksichtigt, da dass zu entwickelnde bildgebende Verfahren sowohl auf
der Hardware- wie auch auf der Softwareebene als Grundlage daf¨
ur anzusehen ist.
7.1 Konzeption der Hardwareebene
In dem Kapitel Aufbau des Hardwaresystems (Kapitel 6.1.3) wurde ausf¨
uhrlich auf
die Konzeption des Hardwaresystems f¨
ur das GTPROZESSAS eingegangen. Erg¨anzend dazu werden im weiteren die spezifischen Hardwareeigenschaften f¨
ur die Bilderfassung bezogen auf die Auswahlkriterien der Kamera und des Objektivs, die Kommunikation mit dem GTPROZESSAS sowie die Modularit¨at diskutiert.
Die prim¨are Anforderung beim Einsatz optischer Messverfahren ist die Auswahl
eines geeigneten Sensors, in diesem Fall einer entsprechenden Kamera. Diese Auswahl basiert auf den Spezifikationen, welche sich aus den Messanforderungen f¨
ur
das Experiment ergeben. In dem Anwendungsfall der Bestimmung der Blatt߬ache
kann dieses auch spezifiziert werden. Zum heutigen Zeitpunkt k¨onnen jedoch keine
konkreten Aussagen f¨
ur zuk¨
unftige Experimente gemacht werden. Es kann sich die
Notwendigkeit ergeben, z.B. durch Ersetzen der entsprechenden Kamera, die Bilderfassung auf neue wissenschaftliche Fragestellungen, in denen vielleicht eine verbesserte Aufl¨osung, h¨ohere Genauigkeit oder ver¨anderte Bildwiederholfrequenzen ben¨otigt
werden, anzupassen. Um dieses flexibel und effektiv umsetzen zu k¨onnen, muss die
Modularit¨at der Bilderfassung sicherstellen, dass ein breites Spektrum entsprechend
einzusetzender Kamerasysteme f¨
ur die konzipierte Softwarestruktur zur Verf¨
ugung
steht. Die Zielsetzung bei einem Austausch der Kamera ist, eine schnelle Integration in die Softwarestruktur zu gew¨ahrleisten. Im folgenden wird ausf¨
uhrlich auf die
Umsetzung dieser Zielsetzung eingegangen.
104
7.1 Konzeption der Hardwareebene
Grundlegend unterscheiden sich die heute eingesetzten Kamerasysteme hinsicht¨
lich der Ubertragungstechnik
zwischen Kamera und Auswertesystem in analoge und
digitale. Damit gekoppelt sind die spezifischen Eigenschaften der unterschiedlichen
Kamerasysteme, welche in der Tabelle 7.1 aufgef¨
uhrt sind. Aus dieser Gegen¨
uberstellung ist das breite Einsatzspektrum der digitalen Kamerasysteme zu erkennen. Dabei
Digitalkamera
Analogkamera
¨
Ubertragungstechnik
digital
analog
Daten¨
ubertragung
wenig st¨oranf¨allig
anf¨allig
gegen¨
uber
Rau-
schen und Interferenzen
Pixelau߬
osung
Bildfrequenz
nur abh¨angig vom CCD
meist
Standard-Gr¨oßen
Sensor
(Video Normen)
flexibel konfigurierbar
fest durch die Video Normen
Integrationszeit
flexibel konfigurierbar
fest
Bild-Synchronisation
u
¨ber ein externes Trigger-
nicht m¨oglich
signal oder intern durch die
Applikation m¨oglich
Kommunikation
u
¨ber Standard Schnittstel-
Analoge Framegrabber mit
len oder Digitale Frame-
Digitalausgang erforderlich
grabber
Kosten
teuer
kosteng¨
unstig
Tabelle 7.1: Gegen¨
uberstellung der spezifischen Eigenschaften einer Standard Digitaloder Analogkamera
sind bei den Eigenschaften der Digitalkameras besonders die hohe Pixelau߬osung,
das bessere Signal/Rausch-Verh¨altnis, die flexibel zu konfigurierende Bildwiederholfrequenz und Integrationszeit im Vergleich zu den analogen Kamerasystemen hervorzuheben. Da diese Eigenschaften auch f¨
ur zuk¨
unftige Experimente als die prim¨aren
Gesichtspunkte zu sehen sind, fundamentiert die weitere Konzeption auf der Basis
eines digitalen Kamerasystems.
105
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
F¨
ur die Kommunikation mit dem Rechnersystem besteht bei einer digitalen Kamera die M¨oglichkeit, die Standard FireWire Schnittstelle (FireWire entspricht der
IEEE 1394 Schnittstelle) einzusetzen. Diese Schnittstelle ist bei den aktuellen Rechnersystemen integriert oder kann kosteng¨
unstig nachger¨
ustet werden. Mit diesem Ansatz k¨onnen die Kosten der teuren Digitalkameras zu den herk¨ommlichen analogen
kompensiert werden, da der analoge Framegrabber entf¨allt. Damit wird zus¨atzlich
eine gewisse Modularit¨at erzeugt, da die Treiberebene - in diesem Fall LabVIEW
zu der FireWire Schnittstelle - auch bei Austausch der Kamera beibehalten werden
kann.
Begrenzt ist der Einsatz dieser Schnittstelle durch die in der Spezifikation vorgegebene Datenrate1 von 400 MBit/s. Dieses ist jedoch f¨
ur die pflanzenphysiologischen
Experimente nicht als prim¨ar einzustufen, da die daf¨
ur notwendigen Bildwiederholfrequenzen im niederfrequenten Bereich (0,1..10Hz) liegen. In dem konkreten Experiment f¨
ur die Blatt߬achendetektion wird die Digitalkamera A302f des Herstellers
Basler2 [62] eingesetzt.
F¨
ur Anwendungen der Bildverarbeitung aus dem Bereich der Fl¨achendetektion
hat die Auswahl des Objektivs einen direkten Einfluss auf die Messgenauigkeit. Aus
diesem Grunde werden im weiteren einige Gesichtspunkte bez¨
uglich der Auswahl
eines geeigneten Objektivs er¨ortert.
Bei den normalen Objektiven bewirken Abstands¨anderungen zwischen Objektiv
und Objekt Gr¨oßen¨anderungen der Abbildung in der Bildebene (CCD3 -Sensor). Dies
1
¨
Die Datenrate der Ubertragung
wird im wesentlichen bestimmt durch die Bildwiederholfrequenz
multipliziert mit der Anzahl der Pixel des Sensors.
2
Hersteller: Basler Vision Technologies, 22926 Ahrensberg
3
Charge-Coupled Device CCD-Sensoren bestehen aus einem ein- oder zweidimensionalen Array von Speicherelementen. In dieser integrierten Schaltung sind die einzelnen HalbleiterBauelemente so miteinander verbunden, dass elektronische Ladungen mit Hilfe entsprechender
Steuersignale von einem Element in das n¨achste transportiert werden k¨onnen. CCD-Sensoren
werden bevorzugt als hochau߬
osende optische Bauelemente in digitalen Kamerasystemen eingesetzt.
106
7.1 Konzeption der Hardwareebene
bedeutet, dass das Objekt gr¨oßer erscheint, wenn es weniger weit vom Objektiv entfernt ist, und kleiner, wenn es weiter davon entfernt ist. Um Messfehler mit diesen
Objektiven zu vermeiden, muss die Entfernung zwischen Objekt und Bildebene genau bekannt sein, da aus dem Bild keine Information bez¨
uglich des Abstandes des
Objektes bestimmt werden kann. Der Einsatz dieser Objektive erscheint aus den
diskutierten Gesichtspunkten f¨
ur einen experimentellen Einsatz nicht sinnvoll es sei
den, dass zus¨atzlich ein Maßstab zur Validierung mit abgebildet wird.
V
∆
f
P2 ’
P1
P2
P1 ’
Gegenstand
Aperturblende
Bild
Abbildung 7.1: Telezentrische Abbildung der Gegenstandsebene auf die Bildebene,
¨
P1 -P2 : Gegenstandsebene, P1 ’-P2 ’: Bildebene, f : Brennweite der Linse, ∆V: Anderungen der Objektposition
Im Gegensatz zu den normalen Objektiven wird bei den telezentrischen (siehe Abb.
7.1) dieser Nachteil durch ein ver¨andertes Abbildungssystem kompensiert. Dazu wird
die Blende repositioniert vom bildseitigen Hauptpunkt zum bildseitigen Brennpunkt.
Durch die Verlagerung der Blende in den Brennpunkt wird der Hauptstrahl, das
ist der Strahl durch das Zentrum der Blende im Bildraum, im Objektraum paral¨
lel zur optischen Achse. Damit bewirken Anderungen
in der Objektposition keine
Gr¨oßen¨anderungen in der Abbildung. Das Objekt wird nat¨
urlich um so unsch¨arfer
abgebildet, je weiter es von der scharf eingestellten Objektebene entfernt ist. Das
Zentrum des Unsch¨arfekreises ¨andert jedoch seine Position nicht, womit eine eindeutige Detektion der Objektkanten mit Hilfe einer geeigneten Software m¨oglich ist.
107
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
Zusammenfassend stellen sich die Vorteile f¨
ur den Einsatz eines telezentrischen
Objektivs wie folgt dar: Gr¨oßenkonstante Abbildung selbst schwieriger Formen, keine Gr¨oßenkorrektur der Messergebnisse mehr durch Software, Messobjekt ist innerhalb großer Toleranzen frei positionierbar sowie geringe Empfindlichkeit gegen¨
uber
Streulicht durch den parallelen Strahlengang.
Der Nachteil telezentrischer Objektive ist der, dass der Durchmesser des Objektivs
mindestens so groß wie das zu messende Objekt sein muss. Damit wird die pr¨azise
optische Vermessung großer Teile kostenintensiv. Dieser Aspekt ist jedoch f¨
ur die
Anwendungen der Blatt߬achendetektion nicht als wesentlich einzustufen, da die dort
erforderlichen Objektfelder in den Bereichen von 90x120mm liegen und damit der
Einsatz eines telezentrischen Standard Objektivs4 m¨oglich ist. Weiterhin kann sich
der geringe Arbeitsabstand (Linos Objektiv: 225mm +/-75mm) des Objektivs von
dem Blatt nachteilig auswirken. Dadurch kann ggf. eine Beschattung des Blattes
hervorgerufen werden, welche die Gaswechselprozesse beeinflusst.
7.2 Konzeption der Softwareebene
In dem Kapitel Anforderungen an das bildgebende Messverfahren (Kapitel 4.2.4)
wurden die grundlegenden Kriterien f¨
ur den Einsatz des bildgebenden Verfahrens
er¨ortert. Im weiteren werden die Aspekte hinsichtlich der Konzeption f¨
ur die Steuerung des Zeitpunktes der Bilderfassung sowie die funktionalen Aufgaben diskutiert,
welche diesen Anforderungen gerecht werden.
4
Hersteller ist z.B. Carl Zeiss Jena GmbH, 7740 Jena: Typ 150/8/0,1 Abbildungsmaßstab 1:18,75
[63] oder Linos AG, 37081 G¨
ottingen: Typ TL 1/2-15-120 Abbildungsmaßstab 1:15 [64].
108
7.2 Konzeption der Softwareebene
7.2.1 Grundkonzept
Ein wichtiger Aspekt bei der Bilderfassung ist die M¨oglichkeit, die Erfassung des
Bildes zeitsignifikant zu steuern. Dazu wurde eine Steuerung integriert, die entweder
eine kontinuierliche oder eine ereignisgesteuerte Bilderfassung erlaubt. In dem Modus
der kontinuierlichen Bilderfassung kann die Bildwiederholfrequenz (Frames/s) flexibel konfiguriert werden entsprechend den Spezifikationen der eingesetzten Kamera.
Dagegen k¨onnen im Modus der Einzelbilderfassung die entsprechenden Ereignisse
durch Anwenderinteraktionen in der Benutzerober߬ache, extern u
¨ber die Microsoft
Excel Tabelle sowie durch ein Triggersignal der Hardware vorgegeben werden. Damit
ist eine externe Synchronisierung der Bilderfassung m¨oglich. Grundlegend k¨onnen in
beiden Modi die Integrationszeit des Sensors und die Verst¨arkung im Rahmen der
Spezifikationen der Kamera ver¨andert werden.
Im ersten Ansatz soll die Bildverarbeitung synchron zu den Gaswechsel- und
Translokationsmessungen eingesetzt werden. Dazu werden in beiden Modi die Bildwiederholfrequenz, Integrationszeit oder auch die Ausl¨osung der Ereignisse f¨
ur die
Bilderfassung u
¨ber die Excel Tabelle gesteuert. Mit dieser Vorgehensweise kann die
Bildverarbeitung in das GTPROZESSAS als optisches Messverfahren integriert werden.
F¨
ur eine Optimierung hinsichtlich einer minimalen Prozessorzeit wurde auch bei
dem bildgebenden Verfahren eine ereignisorientierte Datenerfassung konzipiert (vgl.
Gaswechselmessungen). Dabei ist hier als Ereignis das Ende der Daten¨
ubertragung
zwischen Kamera und Rechnersystem, das ist der Zeitpunkt, zu dem das neue Bild im
Speicherbereich des Rechnersystems f¨
ur die Analyse zur Verf¨
ugung steht, definiert.
Der Vorteil dieser DAQ-ereignisgesteuerten Programmierung ist, dass keine Prozessorzeit erforderlich ist, solange auf das Ereignis gewartet wird. Gerade in Bezug auf
die parallelen Strukturen des Messsytems und die rechenintensiven Auswertungen
der Bildverarbeitung ist eine Optimierung der Einzelprogramme bez¨
uglich einer minimalen Prozessorzeit von Vorteil.
109
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
Abbildung 7.2: LabVIEW Programmmodul f¨
ur die Digitalkamera fs302 mit externer
Synchronisierung
110
7.2 Konzeption der Softwareebene
In Abb. 7.2 ist das Programmmodul dargestellt f¨
ur eine Einzelbilderfassung u
¨ber
einen Hardware-Trigger. Daf¨
ur wird die eingesetzte Digitalkamera initialisiert (fs 302:
Mode 0) und die DAQ-Ereignissteuerung konfiguriert. Nach jedem Ereignis stehen
dem Anwender die neuen Bildinformationen zur Verf¨
ugung und k¨onnen so f¨
ur eine
weitere Analyse genutzt werden. Die leistungsf¨ahigen IEEE 1394 Funktionen, welche
daf¨
ur erforderlich sind, werden durch die Entwicklungsumgebung bereitgestellt und
k¨onnen f¨
ur eine effektive Entwicklung der Applikation genutzt werden.
Initialisierung
Steuerung
Bilderfassung
DAQ Ereignissteuerung
Bilddatenerfassung
-analyse
-präsentation
-archivierung
nein
Stopp
DAQ
ja
Ende
Abbildung 7.3: Struktur des Softwaremoduls f¨
ur das bildgebende Messverfahren
111
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
7.2.2 Das bildgebende Verfahren
Die Aufgaben des Anwenderprogramms f¨
ur das bildgebende Verfahren werden entsprechend der in Abb. 7.3 dargestellten Struktur nach der Funktionalit¨at in die
Bilddatenerfassung, -analyse, -pr¨asentation und -archivierung aufgeteilt. Diese Einzelfunktionen sind modular aufgebaut, mit dem Ziel, einzelne Module leicht zu modifizieren oder auszutauschen und so das Programm effektiv auf neue Experimente
anpassen zu k¨onnen.
Bei den einzelnen Modulen differenziert sich die Bilddatenanalyse deutlich von
den u
¨brigen Modulen. In diesem Modul werden die vom Experiment abh¨angigen
Fragestellungen an die Bildverarbeitung mit komplexen Analyseverfahren oder Algorithmen ausgewertet. Dadurch ist der Bilddatenanalyse eine wichtige Aufgabe in
dem Modul zuzuordnen. Dies bedeutet in der Praxis, dass f¨
ur weitere Experimente in
der Regel nur dieses Modul modifiziert/ausgetauscht werden muss, da die Bilddatenerfassung, -pr¨asentation und -archivierung auf allgemein verwendbaren Funktionen
basieren. Weil die Bilddatenerfassung im Kapitel Grundkonzept beschrieben wurde,
wird auf die Konzeption der Analyse, Pr¨asentation und Archivierung der Messdaten
im weiteren eingegangen.
7.3 Analyse der Bildinformation
Die Analyse der Bilddaten ist als das zentrale Modul anzusehen, wo Bildinformationen mit mathematischen Verfahren oder speziellen Algorithmen klassifiziert werden.
Diese Klassifizierung differenziert sich immer deutlich in Abh¨angigkeit von der Zielsetzung der Bildanalyse.
Die Analyse der Bildinformationen ist als ein mehrstufiger Prozess zu betrachten.
Eine Extraktion der Informationen aus einem Bild kann nur durch eine Kombination
mehrerer grundlegender Bildverarbeitungsoperationen erfolgreich gel¨ost werden. Aus
diesem Grund entsteht ein hierarchisches Schema, das in Abbildung 7.4 f¨
ur den
112
7.3 Analyse der Bildinformation
konkreten Anwendungsfall der Blatt߬achendetektion dargestellt ist. Dieses Schema
¨
gibt einen Uberblick
u
¨ber die unterschiedlichen Phasen der Bildverarbeitung und
zugleich eine Zusammenfassung der Punkte, die im weiteren ausf¨
uhrlich diskutiert
werden.
Bildvorverarbeitung
Merkmalsbilder
Segmentierung
Klassifizierung
Abbildung 7.4: Hierarchie der Bildverarbeitungsoperationen von der Bildvorverarbeitung bis zur Klassifizierung
7.3.1 Bildvorverarbeitung
Auf der ersten Verarbeitungsstufe, der Bildvorverarbeitung, k¨onnen eine Reihe unterschiedlicher Operationen stehen. Dazu geh¨oren eine etwaige Verbesserung der Helligkeit und des Kontrastes des Bildes. Eine u
¨bliche Aufgabe ist auch eine Koordinatentransformation zur Restaurierung geometrischer St¨orungen, die bei der Bilderfassung entstehen k¨onnen. Die f¨
ur die Verbesserung/Eleminierung dieser St¨orungen
ben¨otigten Operationen k¨onnen in zwei Klassen, n¨amlich Punktoperationen und geometrische Operationen eingeteilt werden. Die Punktoperationen [65, 66] modifizieren
die Grauwerte einzelner Bildpunkte nur in Abh¨angigkeit vom Grauwert selbst und
eventuell von der Position des Bildpunktes. Im Gegensatz dazu modifizieren geometrische Operationen [67] nur die Position eines Bildpunktes. Ein Bildpunkt wird von
113
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
der Position (x, y) an eine neue Position (x’, y’) verschoben. Die Beziehung zwischen den beiden Koordinaten wird mit Hilfe geometrischer Abbildungsfunktionen
beschrieben. Beide Korrekturen sind f¨
ur die Bearbeitung von elementaren St¨orungen
des Bilderzeugungsprozesses notwendig.
In welchem Umfang diese Operationen bei der Blatt߬achendetektion angewandt
werden m¨
ussen, kann zum momentanen Zeitpunkt nicht gesagt werden. Diese Fragestellung kann f¨
ur die Bildvorverarbeitung erst nach Fertigstellung des physikalischen
Aufbaus abschließend beantwortet werden, da dieses von einer Anzahl von Faktoren
wie optischer Aufbau, Lichtquellen u.a. abh¨angig ist.
Nachdem die St¨orungen, die durch den Bilderfassungsprozess entstanden sind,
mit den aufgezeigten Operationen korrigiert sind und die Bildqualit¨at optimiert ist,
k¨onnen die Merkmalsbilder extrahiert werden. Dabei ist die wesentliche Aufgabe,
das Objekt Pflanzenblatt eindeutig zu identifizieren.
7.3.2 Merkmalsbilder
Eine Anzahl von Verarbeitungsschritten ist f¨
ur die Analyse und Identifikation von
Objekten - hier der Blattfl¨ache - notwendig. Als erstes m¨
ussen geeignete Filteroperationen durchgef¨
uhrt werden, um das interessierende Objekt von anderen Objekten
und dem Bild-Hintergrund zu unterscheiden. Im wesentlichen werden daf¨
ur ein oder
mehrere Merkmalsbilder extrahiert. Grundlegende Werkzeuge f¨
ur diese Aufgabe sind
Mittelung und die Kantendetektion.
Im einfachsten Fall wird das Objekt als Region konstanter Beleuchtungsst¨arke
bzw. konstantem Grauwertes identifiziert. Durch die Mittelung erhalten wir repr¨asentative Mittelwerte der Grauwerte innerhalb des Objekts. Dieser Ansatz beinhaltet
nat¨
urlich ein einfaches Modell des Bildinhalts und funktioniert nur, wenn das interessierende Objekt durch einen nahezu konstanten Grauwert charakterisiert ist.
Dies ist jedoch bei der Blatt߬ache nicht zu erwarten. Dort ist schon aufgrund der
Struktur des Pflanzenblattes mit variierenden Grauwerten zu rechnen. Hinzu k¨onnen
114
7.3 Analyse der Bildinformation
noch weitere Effekte wie z.B. ungleichm¨aßige Beleuchtung oder auch Rauschen kommen, was diese Objekteigenschaften negativ beeinflusst. Um diese Bildeigenschaften
zu kompensieren, mit der Zielsetzung, durch eine Kantendetektion das Objekt eindeutig zu identifizieren, werden im ersten Schritt Mittelungs- oder Gl¨attungsfilter
eingesetzt [68]. Dabei sind wesentliche Kriterien an diese Operationen zu stellen:
Verschiebefreiheit, Isotropie und Erhaltung des Mittelwertes. Unter Verschiebefreiheit ist zu verstehen, dass durch Einsatz dieser Operationen die Ojektposition nicht
ver¨andert wird. Jede Verschiebung bei der Bildvorverarbeitung w¨
urde zu Fehlern bei
der anschließenden Positionsbestimmung und eventuell bei der Berechnung anderer
geometrischer Eigenschaften des Objekts f¨
uhren. Die Isotropie beinhaltet, dass die
Gl¨attung in allen Richtungen gleich ist und somit richtungsunabh¨angig.
Eine große Gruppe von Filterfunktionen, die diese Voraussetzungen erf¨
ullen, sind
die 2D-Rechteckfilter, welche f¨
ur diese Anwendung eingesetzt werden. Die Methode
besteht darin, alle Bildpunkte innerhalb der Filtermaske zu addieren und die Summe durch die Anzahl der Pixel zu teilen. Dazu k¨onnen die Koeffizienten (3x3, 5x5,
7x7, 9x9) des Algorithmus, das ist die Anzahl der Elemente in der Filtermaske, variiert werden. Die Abb. 7.5 verdeutlicht den Einsatz eines 2D-Rechteckfilters mit
3x3 Koeffizienten zur Optimierung hinsichtlich homogener Grauwerte innerhalb des
Objekts.
F¨
ur die Simulationsrechnungen war die Grundlage ein Weissdornblatt mit einer
Au߬osung des Grauwerts von 8 Bit und einer ROI5 von 190 mal 220 Bildpunkten.
Dieses Blatt charakterisiert sich durch unregelm¨aßige Blattkonturen und ist daher
f¨
ur die Simulationsrechnungen mit den eingesetzten Operationen geeignet, da diese
sicherlich direkt auch auf homogene Blattkonturen (z.B. Tabakpflanze) anzuwenden
sind.
Dieser erste Ansatz verdeutlicht, dass mit Hilfe dieser leistungsf¨ahigen Rechteckfilterfunktion das Objekt mit n¨aherungsweise konstanten Grauwerten charakteri5
ROI: Region of Interest. Die ROI definiert einen rechteckigen Bereich innerhalb eines Bildes,
welcher f¨
ur die weitere Bildanalyse relevant ist.
115
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
siert werden kann und damit die M¨oglichkeit einer eindeutigen Objektextrahierung
u
¨ber die Kantendetektion gegeben ist. Eine große Anzahl weiterer Gl¨attungs- oder
Filterfunktionen wie Binomial- oder Medianfilter sind f¨
ur spezielle Anwendungen
verf¨
ugbar. Sie werden in der Literatur [69, 70, 71] beschrieben.
Abbildung 7.5: Links: Original-Darstellung einer Acer pseudo platanus (dt. Bez.
Bergahorn), rechts: Simulationsrechnung bei den Einsatz eines 2D-Rechteckfilters mit
3x3 Koeffizienten f¨
ur eine Optimierung hinsichtlich homogener Grauwerte innerhalb des
Objekts
F¨
ur die Extrahierung des Objekts und damit zur Erzeugung des Merkmalsbildes
ist eine Kantendetektion erforderlich. Diese Operation muss Ver¨anderungen erkennen und Bereiche konstanter Grauwerte (Blattfl¨ache) unterdr¨
ucken. Auf diese Weise
wird ein Merkmalsbild erzeugt, in dem Ver¨anderungen hell erscheinen, w¨ahrend alle
anderen Bereiche dunkel bleiben.
Alle Verfahren f¨
ur die Kantendetektion basieren auf Ableitungsfunktionen. W¨ahrend Gl¨attungsfilter Bereiche konstanter Grauwerte verst¨arken, m¨
ussen bei der Detektion von Kanten Operationen eingesetzt werden, die Grauwertver¨anderungen verst¨arken und Bereiche konstanter Grauwerte unterdr¨
ucken. Alle Funktionen, welche
diese Eigenschaften aufweisen, sind Ableitungsoperatoren. Werden diese Funktionen
116
7.3 Analyse der Bildinformation
zur Kantendetektion eingesetzt, so hat die erste Ableitung an einer Kante ein Maximum oder ein Minimum, die zweite einen Nulldurchgang im Wendepunkt. Beide
Kriterien werden zur Kantendetektion herangezogen. Wie schon bei den Gl¨attungsfaktoren aufgezeigt, werden auch an die Operationen f¨
ur die Detektion der Kante die
Anforderung an Verschiebefreiheit und Isotropie gestellt, d.h. Kanten werden in allen Richtungen gleich gut erkannt und es kommt zu keiner fehlerhaften Bestimmung
der Kantenrichtung. Verfahren, welche die geforderten Kriterien erf¨
ullen, sind die
regularisierten Kantendetektionsverfahren [72]. Bei diesen Verfahren beinhaltet das
Differenzfilter zus¨atzliche Gl¨attungseigenschaften, womit eine deutliche Verbesserung
der Gradientenbestimmung von diskreten Signalen erzielt wird. Die Abbildung 7.6
verdeutlicht den Einsatz eines solchen Verfahrens mit dem Sobel-Algorithmus [73]
Abbildung 7.6: Links: Blattdarstellung nach der Simulationsrechnung mit einem
Rechteckfilter als Filteroperation, rechts: Simulationrechnung mit dem Sobel-Verfahren
f¨
ur die Detektion der Blattkante
f¨
ur die Kantendetektion. Dieser Sobel-Kantendetektor ist leistungsf¨ahig in dem Bereich der diskreten Signalverl¨aufe durch die zus¨atzlichen Gl¨attungseigenschaften und
wird f¨
ur die Simulationsrechnungen eingesetzt.
117
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
Nach der Kantendetektion muss das Objekt als eindeutig segmentiert werden, damit bei der Klassifizierung die Eigenschaften des Objekts - die Blattfl¨ache - bestimmt
werden kann.
7.3.3 Segmentierung
Die Zielsetzung bei der Bildsegmentierung besteht darin, das Bild in verschiedene
Regionen zu unterteilen, wobei jede Region bestimmte Eigenschaft besitzt. In einem
segmentierten Bild sind die elementaren Bildelemente keine Einzelpixel mehr, sondern eine verbundene Menge von Pixeln, die derselben Region angeh¨oren. Ist das
Bild erst einmal segmentiert, so kann jede Region ausgewertet werden, aber auch
die Beziehungen zwischen den einzelnen Regionen charakterisiert werden. Bildsegmentierung spielt daher eine Schl¨
usselrolle bei der quantitativen Auswertung der
Bilddaten. Die daf¨
ur erforderlichen Verfahren beruhen auf Nachbarschaftsoperationen, den morphologischen Operationen f¨
ur Bin¨arbilder6 , mit denen sich die Form
von Objekten analysieren und modifizieren l¨asst. Die komplexen Zusammenh¨ange
der Morphologie, deren Grundlagen auf der Mengentheorie und Topologie basieren,
werden hier nicht angesprochen, sondern auf die Literatur [74, 75, 76] verwiesen.
F¨
ur die konkrete Aufgabe der Detektion der Blatt߬ache stellt eine Segmentierung
des Objekts vom Bild-Hintergrund, d.h. die Regionen konstanter Merkmale und Diskontinuit¨aten die M¨oglichkeit das Objekt eindeutig zu identifizieren dar. Dieses ist
nur dann eine einfache Aufgabe, falls sich das Objekt klar vom Hintergrund unterscheidet. Ist dieses nicht der Fall, dann sind aufwendige Segmentierungstechniken
[77, 78] erforderlich. Sie benutzen verschiedene Optimierungsstrategien, um eine minimale Abweichung zwischen den Bilddaten und einem gegebenen Modell, in dem
das Wissen u
¨ber die Objekte im Bild einfließt, zu erreichen.
Bezogen auf die Anwendung der Detektion der Blattfl¨ache ist dieses relativ einfach, da die Original-Darstellung des Pflanzenblattes (siehe Abb. 7.5 links) einen
6
In einem Bin¨
arbild wird jedem Pixel entweder eine 1 oder 0 zugewiesen.
118
7.3 Analyse der Bildinformation
homogenen Hintergrund aufweist und dadurch das Objekt einfach zu identifizieren
ist. In der Praxis ist dies nicht zu erwarten, da bei einem konkreten experimentellen
Aufbau mit einem Hintergrund d.h. mit weiteren Objekten zu rechnen ist und daher Optimierungsstrategien mit großer Sicherheit eingesetzt werden m¨
ussen. Es ist
daher sinnvoll, schon bei der Bilderfassung zu versuchen, eine Optimierung bezogen
auf den Bild-Hintergrund zu erzielen und damit die Komplexit¨at der Bildanalyse zu
minimieren.
F¨
ur die weitere Analyse werden die schon angesprochenen morphologischen Operatoren ben¨otigt, damit eine Klassifizierung durchgef¨
uhrt werden kann. Diese Operatoren sind nur auf ein Bin¨arbild anzuwenden. Da das von der S/W-Kamera erfasste Bild immer ein Grauwertbild7 ist, muss eine morphologische Bildtransformation
- eine sogenannte Bild-zu-Bild-Transformation - durchgef¨
uhrt werden. Eine sehr weit
verbreitete und einfache Bild-zu-Bild-Transformation ist die Binarisierung oder der
Schwellwertoperator, der alle Pixel des Eingangsbildes, die in einem vorgegebenen
Bereich von Grauwerten liegen, auf den Wert 1 und die verbleibenden auf den Wert 0
abbildet. Die Abb. 7.7 zeigt das zuvor mit dem Kantendetektionsverfahren analysierte Bild, das mit Hilfe des Schwellwertoperators in ein Bin¨arbild transformiert wurde.
Deutlich zu erkennen ist in der rechten Abbildung die Blattkontur, deren Breite der
Ableitungsfunktion entspricht, mit dem Wendepunkt der Kante als Zentrum.
Durch die Binarisierung ist eine Mustererkennung oder Formanalyse m¨oglich. Dazu werden Methoden f¨
ur die Extraktion von Merkmalen eines Objektes ben¨otigt. Die
daf¨
ur eingesetzten Operationen fundamentieren auf dem Verd¨
unnen eines Objektes,
um idealisierte d¨
unne Linien zu setzen, die die Form des Originalobjektes darstellen,
w¨ahrend ihre Homotopie erhalten bleibt. Die daraus resultierenden Linien werden
Skelett oder Mittelachse des Eingangsmusters genannt. Die entsprechenden Transformationen werden als Skelettierung- oder Mittelachsentransformationen [79, 80]
bezeichnet. Eine Detektion von Endpunkten, Mehrfachpunkten und geschlossenen
7
Der Wertebereich der Pixel des Grauwertbildes ist nicht auf die Werte der Menge [0,1] beschr¨ankt,
sondern auf eine endliche Menge von nichtnegativen ganzen Zahlen, welche auf der Quantisierung
der Bilderfassung basieren.
119
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
Abbildung 7.7: Links: Darstellung nach der Simulationsrechnung mit dem SobelVerfahren f¨
ur die Kantendetektion, rechts: Binarisierung des Bildes mit dem Schwellwertoperator
Schleifen eines Skeletts ist die Grundlage f¨
ur die vielen Formerkennungverfahren.
Die Skelettierung l¨asst sich auch auf diskrete Mengen ausweiten. Jedoch ist dabei
zu beachten, dass die diskrete Skelettlinie nicht unendlich d¨
unn ist, da sie eine St¨arke
von mindestens einem Pixel besitzt. Die daf¨
ur eingesetzten Transformation wird homotopische Markierung genannt und beruht auf der Berechnung einer Mittelachse
von dem Skelett einer Menge. Neben den zahlreichen weiteren Skelett Operatio¨
nen wie Offnungen
[81], maximale Scheiben [82] oder Distanzfunktionen [83] liegt
das Anwendungsgebiet der homotopischen Markierung [82] bei der Bestimmung der
Formbeschreibung und ist daher geeignet f¨
ur den Einsatz zur Detektion der Blattkonturen.
In der Abbildung 7.8 ist diese Operation auf das Originalbin¨arbild angewandt worden. Die rechte Abbildung verdeutlicht das Ergebnis dieser Transformation mit einer
signifikanten Blattkontur, welche aus der urspr¨
unglichen Blattkante detektiert wurde.
Zus¨atzlich zu der Skelettierung wurde die Operation der morphologischen Schließung
[84, 85] eingesetzt, mit dem Ziel, kleine L¨ocher und Risse in der Blattkontur zu be-
120
7.3 Analyse der Bildinformation
Abbildung 7.8: Links: Darstellung nach der Bild-zu-Bild-Transformation, rechts:
Formanalyse des Pflanzenblattes durch Skelettierung und nachfolgender morphologischer
Schließung
seitigen. Dieses bewirkt eine Schließung des Objektes, welches eine Grundlage f¨
ur
die Klassifizierung ist.
7.3.4 Klassifizierung
Durch die Segmentierung ist die Form des Objektes extrahiert. Bei der Klassifizierung k¨onnen nun morphologische Operatoren eingesetzt werden, um die Form zu
analysieren und zu ver¨andern oder weitere Parameter wie den mittleren Grauwert,
die Fl¨ache, den Umfang oder andere Formbeschreibungen des Objektes zu ermitteln.
Diese Parameter k¨onnen dann benutzt werden, um Objekte zu klassifizieren.
F¨
ur die Anwendung auf das konkrete Experiment ist der Formparameter die
Fl¨ache. Bei einem diskreten Bin¨arbild ist eine Fl¨ache durch die Anzahl der Bildpunkte gegeben, die zu dem Objekt geh¨oren. Bei der Matrix oder Pixeldarstellung
des Objektes bedeutet daher eine Fl¨achenbestimmung eine einfache Z¨ahlung der
Pixel. F¨
ur einige der zur Fl¨achenbestimmung eingesetzten Verfahren ist vor der Anwendung noch eine einfache F¨
ulloperation durchzuf¨
uhren. Die Abb. 7.9 verdeutlicht
121
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
diese Operation angewandt auf das skelettierte und geschlossene Pflanzenblatt.
Die Berechnung der Fl¨ache ist mit dem Verfahren der Kettenkodierung [86, 87]
durchgef¨
uhrt worden. Der Algorithmus arbeitet ¨ahnlich einer numerischen Integration, ist jedoch weit schneller als bei der Pixelz¨ahlung. Die mit diesem Verfahren
Abbildung 7.9: Links: Skelettiertes und morphologisch geschlossenes Pflanzenblatt,
rechts: Die Darstellung zeigt die Fl¨ache des Pflanzenblattes nach der F¨
ulloperation.
Diese Fl¨
ache wird bei der Berechnung durch das numerische Verfahren der Kettenkodierung ber¨
ucksichtigt.
berechnete Fl¨ache muss kalibriert werden mit der Pixelgr¨oße des eingesetzten CCDSensors (z.B. Digitalkamera A302f von Basler Vision Technologies: Sensortyp Sony
ICX075AL/AK-1/2 inch, Pixelgr¨oße 8,3 µm x 8,3 µm) und dem Abbildungsmaßstab
(z.B. Telezentrisches Objektiv von Carl Zeiss Jena Typ 150/8/0,1: Abbildungsmaßstab 1:18,75) des telezentrischen Objektivs. Eine Validierung der eingesetzten Analyseverfahren und Kalibrierung kann u
¨ber ein definiertes Fl¨achenelement (Rechteck,
Kreis), welches heutzutage mechanisch mit einer ausreichenden Genauigkeit angefertigt werden kann, erfolgen.
Mit der Erfassung und Beschreibung der Form detektierter Objekte mit entsprechenden Operatoren ist die Bildverarbeitung f¨
ur einige Aufgabenstellungen beendet,
f¨
ur andere nicht. Das h¨angt im wesentlichen von der Fragestellung an die Bildverar-
122
7.4 Pr¨asentation der Bilddaten
beitung ab. Dieser Unterschied l¨asst sich am besten an einem praktischen Beispiel
erl¨autern.
Viele Anwendungen der Bildverarbeitung besch¨aftigen sich mit der Analyse der
Formparameter wie Fl¨ache, Umfang oder Form von Objekten. Mit den diskutierten
Methoden k¨onnen diese Formparameter detektiert und die entsprechenden Fragestellungen beantwortet werden. Zum Beispiel kann das Blattwachstum aufgezeichnet und
ausgewertet werden. Diese Vorgehensweise ist f¨
ur eine ganze Reihe wissenschaftlicher
Anwendungen typisch. Sie ist dadurch charakterisiert, dass die zu untersuchenden
Parameter eindeutig und unmittelbar aus den Bildinformationen abgeleitet werden
k¨onnen, wie es beispielhaft bei der Berechnung der Fl¨ache des Pflanzenblattes aufgezeigt wurde.
Die Klassifizierung kann jedoch deutlich weiter gehen. Bei komplexen Anwendungen ergibt sich die Notwendigkeit, verschiedene Objektklassen wie z.B. unterschiedliche Formen in einem Bild zu differenzieren. Die Zuweisung von Objekten zu bestimmten Klassen ist - wie viele andere Aspekte der Bildverarbeitung und -analyse - ein interdisziplin¨ares Problem und nicht spezifisch f¨
ur die Bildanalyse. In diesem Zusammenhang ist die Bildanalyse ein Teil des allgemeinen Forschungsgebietes.
Im weiteren wird noch auf die grundlegenden Funktionen f¨
ur die Pr¨asentation und
Archivierung der Bilddaten eingegangen.
7.4 Pr¨
asentation der Bilddaten
Bei der Pr¨asentation k¨onnen sowohl die gemessenen wie auch die analysierten Bilddaten u
¨ber eine 2-dimensionale Falschfarben-Darstellungen visualisiert werden. Bei
dieser Darstellungsart werden die Dimensionen von Daten (x, y und Helligkeit) in
einem 2D-Intensit¨atsgraphen angezeigt. Dabei entspricht der dritten Dimension die
farbliche Zuordnung. Mit einer Farbskala kann eine Zuweisung der Farben zu den
Zahlenwerten vorgenommen werden.
123
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
7.5 Archivierung der Bilddaten
Die Zielsetzung bei der Bilddatenarchivierung ist, die aufgenommenen Messdaten in
einem geeigneten Datenformat zu speichern und damit f¨
ur eine erweiterte Datenanalyse oder Dokumentation zur Verf¨
ugung zu stellen. Dazu k¨onnen die Bilddaten
in den u
¨blichen Grafikformaten BMP (Bitmap), JPG (Joint Photographics Experts
Group), PNG (Portable Network Graphics Format) oder TIF (Tagged Image File
Format) abgespeichert werden, die von den g¨angigen Grafikprogrammen unterst¨
utzt
werden. Hinsichtlich der Anwendung der einzelnen Formate wird auf die umfangreiche Literatur [88, 89] verwiesen.
Zusammenfassung
Es wurde f¨
ur die Hardwareebene ein Konzept f¨
ur das bildgebende Verfahren konzipiert, welches prim¨ar die Flexibilit¨at der digitalen Kamerasysteme f¨
ur den Einsatz
in unterschiedlichen wissenschaftlichen Experimenten ber¨
ucksichtigt. Dabei ist die
Kommunikation mit dem Rechnersystem u
¨ber die FireWire Schnittstelle als eine
schnelle und kosteng¨
unstige Integrationsm¨oglichkeit von neuen Kamerasystemen zu
sehen, da eine Vielzahl von Herstellern (z.B. Basler, JVC, Sony) diesen Standard
unterst¨
utzt.
Durch den modularen Aufbau der Softwareebene kann das Anwenderprogramm
modifiziert und effektiv auf neue wissenschaftliche Fragestellungen angepasst werden.
Mit den umfangreichen Steuerungsm¨oglichkeiten ist das bildgebende Verfahren leicht
in ein Gesamtkonzept zu integrieren und zu steuern. Damit besteht die M¨oglichkeit,
dieses als Erg¨anzung oder als unabh¨angiges Verfahren einzusetzen.
Die Analyse der Bildinformation f¨
ur den konkreten Anwendungsfall der Blattfl¨achendetektion hat verdeutlicht, dass dieses nur durch eine Kombination von Bildverarbeitungsoperationen gel¨ost werden kann. Dabei differenziert sich der L¨osungsweg f¨
ur die Klassifizierung immer deutlich von der Fragestellung an die Bildverar-
124
7.5 Archivierung der Bilddaten
beitung.
Zusammenfassend kann jedoch gesagt werden, dass eine Extraktion von Bildinformationen in der Regel immer nur mit großem Aufwand und teilweise analytisch
zu l¨osen ist. Selbst die im ersten Ansatz als einfach zu l¨osende Berechnung der
Blatt߬ache gestaltet sich bei genauerer Betrachtung der Randbedingungen als sehr
aufwendig und rechenintensiv.
125
7 Konzept f¨
ur das bildgebende Messverfahren
126
8 Einsatz des GTPROZESSAS
Bestandteil der laufenden Forschungst¨atigkeit an dem Institut f¨
ur Botanik/Pflanzenphysiologie der Universit¨at Duisburg-Essen ist u.a. die Untersuchung des lateralen Gasflusses in den Blattinterzellularen, welche die Gasr¨aume im Inneren der
Bl¨atter darstellen. Anhand dieser wissenschaftlichen Fragestellung aus dem Bereich
der Gaswechselmessungen wird die Bandbreite f¨
ur den Einsatz des GTPROZESSAS
exemplarisch aufgezeigt.
Neben den eingesetzten Standardverfahren bei Gaswechselmessungen [8], welche
auch mit kommerziellen Ger¨aten [90] durchzuf¨
uhren sind, lassen sich durch den Einsatz des GTPROZESSAS zus¨atzlich auch spezifische Anforderungen aus dem Bereich
der Pflanzenphysiologie beantworten. Dieses wird in diesem Kapitel an der Fragestellung des Einflusses der lateralen Diffusion in den Blattinterzellularen sowie eines
Druckgradienten zwischen Blattkammer und der umgebenden Atmosph¨are auf den
Gaswechsel diskutiert.
F¨
ur die Durchf¨
uhrung dieser Experimente bietet das GTPROZESSAS ideale Voraussetzungen. Die ¨außeren Einfl¨
usse der Gaswechselprozesse, in diesem konkreten
Anwendungsfall der Druck innerhalb der Blattkammer sowie die CO2 -Konzentration
inner- und außerhalb der Blattkammer, k¨onnen gesteuert und damit die physikalischen Prozessgr¨oßen reproduzierbar beeinflusst werden. Eine wichtige Basis daf¨
ur
stellt die Microsoft Excel Steuerdatei (vgl. Kapitel 6.2.5), welche f¨
ur die Durchf¨
uhrung
der beiden Experimente eingesetzt wurde, dar.
127
8 Einsatz des GTPROZESSAS
8.1 Gaswechselmessungen an homo- und
heterobarischen Bl¨
attern
Aufgrund der Komplexit¨at der Fragestellung werden im weiteren nur die wesentlichen
Aspekte des Gaswechsels bei homo- und heterobarischen Bl¨attern, in Bezug auf eine
laterale Diffusion und den druckabh¨angigen Massenfluss in den Blattinterzellularen,
diskutiert.
8.1.1 Begriff homo- und heterobarisches Blatt
Der Begriff homobarisches bzw. heterobarisches Blatt wurde von Neger [91, 92] gepr¨agt. Neger beschreibt homobarische Bl¨atter als solche, deren Interzellularenr¨aume
in Verbindung stehen. Bl¨atter des heterobarischen Typus besitzen dagegen stark
kompartimentierte Blattinterzellularen. Der Unterschied zwischen homobarischen
und heterobarischen Bl¨attern ist in Abb. 8.1 schematisch dargestellt. In der Abbildung ist zu erkennen, dass bei Vicia faba (dt. Bez. Saubohne) (Abb. 8.1 (a)) ein
Leitb¨
undel keine Barriere f¨
ur laterale Gasdiffusion darstellt, da die Leitb¨
undel keine
B¨
undelscheidenerweiterung aufweisen. Bei Glycine max (dt. Bez. Sojabohne) (Abb.
8.1 (b)) sind dagegen die Leitb¨
undel von B¨
undelscheidenzellen umgeben, die von der
oberen bis zur unteren Epidermis reichen. Diese B¨
undelscheidenerweiterungen sind
interzellularenfrei und stellen somit eine Barriere f¨
ur laterale Gasdiffusion dar [93].
Glycine max und Phaseolus vulgaris (dt. Bez. Stangenbohne) werden als Pflanzen
mit heterobarischen Bl¨attern eingeordnet, Nicotiana tabacum (dt. Bez. Tabak) und
Vicia faba weisen hingegen homobarische Bl¨atter auf [94]. Die unterschiedliche Blattanatomie kann aber eindeutig zu Messartefakten [29] bei der Gaswechselmessung
f¨
uhren. Diese Messartefakte beruhen auf lateralen Diffusionsvorg¨angen oder einem
druckabh¨angigen Massenfluss in den Blattinterzellularen. Im weiteren wird auf den
Einfluss dieser Artefakte ausf¨
uhrlich eingegangen.
128
8.1 Gaswechselmessungen an homo- und heterobarischen Bl¨attern
100 µm
a
b
100 µm
Abbildung 8.1: Schematische Darstellung der Querschnitte von homobarischen (a)
und heterobarischen (b) Bl¨
attern, (a): Vicia faba mit einem Leitb¨
undel im Querschnitt,
(b): Glycine max mit einem Leitb¨
undel und der Leitb¨
undelerweiterung im Querschnitt
8.1.2 Wissenschaftliche Fragestellung
Die Gaswechselmessung an Bl¨attern erfolgt meistens dadurch, dass nur ein Teil des
intakten Blattes in eine Blattkammer eingespannt wird, da eine konventionelle Blattkammer in der Regel eine relativ kleine Fl¨ache (20 x 30 mm) besitzt, so dass nur
kleine Bl¨atter im Ganzen eingespannt werden k¨onnen [90]. Mit Hilfe der Blattkammer wird der CO2 -Austausch des im Inneren der Kammer befindlichen Blattteils
gemessen (vgl. Abb. 3.1).
Wenn aber, wie bei homobarischen Bl¨attern, die Blattinterzellularen eine Verbindung zwischen der Systemluft der Gaswechselanlage und der ¨außeren Gasatmosph¨are
129
8 Einsatz des GTPROZESSAS
darstellen, so kann eine laterale Diffusion durch das Blatt entstehen. Dieser Gasfluß
ist dann in erster Linie von der Gr¨oße der verbundenen Blattinterzellularen und vom
Gasgradienten abh¨angig. Aufgrund der Blattanatomie d¨
urfte dagegen bei einem heterobarischen Blatt kein Einfluss der ¨außeren Atmosph¨are auf die Gaswechselmessung zu erwarten sein.
Weiterhin gibt es eine große Anzahl von Gaswechselanlagen, die in den Blattkammern einen leicht erh¨ohten Druck gegen¨
uber der Atmosph¨are aufweisen. Die
Zielsetzung dabei ist, eine Minimierung der Messartefakte durch Lecks im Gaswechselsystem, speziell in der Blattkammer [30]. Bei homobarischen Bl¨attern kann ein derartiger Druckgradient aber zu einem Massenfluss in den Blattinterzellularen f¨
uhren,
was wiederum unmittelbare Auswirkungen auf die Gaswechselmessungen hat.
Die Fragestellung, welchen Einfluss eine laterale Diffusion oder ein druckabh¨angiger Massenfluss auf den Gaswechsel hat, wird anhand von zwei Experimenten an
homo- und heterobarischen Bl¨attern diskutiert.
8.1.3 Einfluss der Diffusion auf den Gaswechsel
Im ersten Ansatz wurde die Diffusion anhand des Gaswechsels an Bl¨attern im Dunkeln gemessen. Die Messung dieser Dunkelatmung bei homobarischen Bl¨attern zeigt
eine deutliche Beeinflussung durch die CO2 -Konzentration der Luft außerhalb der
Blattkammer. In Abb. 8.2 (b) ist die Dunkelatmungsrate in Abh¨angigkeit von der
CO2 -Konzentration innerhalb und außerhalb der Blattkammer dargestellt. Die Dunkelatmung bei Vicia faba Abb. 8.2 (c) zeigt dabei eine apparente Stimulation oder
Hemmung durch den CO2 -Gradienten zwischen der Blattkammer und dem umgebenden Medium. Eine Erh¨ohung der externen CO2 -Konzentration, im Vergleich zur CO2 Konzentration in der Blattkammer, f¨
uhrt zu einer apparenten Stimulation der Atmung, da das CO2 von außen in die Blattkammer gelangt. Der umgekehrte Fall, eine
Erh¨ohung der CO2 -Konzentration in der Blattkammer, hat eine Abnahme der apparenten Dunkelatmung der Pflanze zur Folge. Herrscht der gleiche CO2 -Partialdruck in
130
8.1 Gaswechselmessungen an homo- und heterobarischen Bl¨attern
Abbildung 8.2: Gegen¨
uberstellung der Dunkelatmungsraten von hetero- (b) und homobarischen (c) Pflanzen, (a): CO2 -Konzentration w¨ahrend des Versuchs mit dem CO2 Partialdruck in der Blattkammer (internes CO2 ) und außerhalb der Blattkammer (externes CO2 ), (b) sowie (c): Atmungsraten bei unterschiedlichen CO2 -Konzentrationen
der Blattkammer und dem Außenmedium, dann wird die Messung die Dunkelatmung
nicht beeinflussen. Dabei liegt bei Hoch- und Niedrig CO2 die gleiche Atmungsrate
vor. Dies deckt sich mit den Ergebnissen aus der Literatur [29] an Nicotiana tabacum.
Die Gaswechselmessungen bei heterobarischen Bl¨attern werden von der CO2 -Konzentration der außerhalb der Blattkammer vorliegenden Luft nicht beeinflusst. Dies
geht eindeutig aus den Messergebnissen bei Glycine max hervor (Abb. 8.2 (b)). Ein
131
8 Einsatz des GTPROZESSAS
bestehender CO2 -Gradient von 1650 µmol mol−1 zwischen der Blattkammer und der
¨
externen Luft f¨
uhrte zu keiner Anderung
der Dunkelatmungsraten. Die graphische
Auswertung der in Abb. 8.2 (b) dargestellten Messergebnisse zeigt, dass es keinen
statistisch signifikanten Unterschied zwischen den Atmungsraten bei gleicher internen und externen CO2 -Konzentration und bei einem vorliegenden CO2 -Gradienten
gibt. Da die Respirationsraten unabh¨angig von der CO2 -Konzentration den gleichen
Verlauf aufweisen, wird weder die Respiration durch die absolute CO2 -Konzentration,
noch durch einen CO2 -Gradienten zwischen Blattkammer und umgebender Luft beeinflusst (vgl. [29]).
8.1.4 Einfluss eines Druckgradienten zwischen Blattkammer und
der umgebenden Atmosph¨
are auf den Gaswechsel
Besteht ein Druckgradient zwischen der Blattkammer und der Atmosph¨are, dann
wird der Gaswechsel der heterobarischen Bl¨atter (Abb. 8.3 (a)) bei einer Erh¨ohung
der Druckdifferenz bis auf 3 kPa (1 KPa=10 mbar) nicht beeinflusst.
Bei homobarischen Bl¨attern hingegen f¨
uhrt eine konstante Druckerh¨ohung zu einer Beeinflussung des Gasaustauschprozesse. Dabei ergeben sich deutliche Unterschiede bei dem Gaswechsel im Dunkeln (Respirationsmessung Abb. 8.3 (b)) und
im Licht (Photosynthesemessungen Abb. 8.3 (c)). Mit steigendem Druck nimmt die
Respirationsrate sehr schnell ab und hat ab einer Druckdifferenz von ca. 0.5 kPa
einen nahezu parallelen Verlauf zur Ordinate. Bei der Photosynthesemessung Abb.
8.3 (c) sieht man mit steigendem Druck eine fast konstante Abnahme der apparenten
CO2 -Austauschrate. Die Photosynthesemessung an heterobarischen Bl¨attern (ohne
Abb.) zeigt keine Beeinflussung durch laterale Diffusion.
132
8.2 Fazit
Abbildung 8.3: Gegen¨
uberstellung der Respirations- (a) und (b) sowie Photosyntheseraten (c) in Abh¨
angigkeit von dem Druckgradienten, gemessen bei konstanter CO2 Konzentration von 350 µmol mol−1 inner- und außerhalb der Blattkammer, (a): Glycine
max. (b) und (c): Vicia faba
8.2 Fazit
Die lateralen Gas߬
usse in den Blattinterzellularen finden eine geringe Ber¨
ucksichtigung in der Literatur [95, 96]. Dennoch k¨onnen laterale Gasstr¨ome, sei es durch
Diffusion oder druckabh¨angigen Massenfluss in den Blattinterzellularen, zu erheblichen Messartefakten bei den Gaswechselmessungen f¨
uhren. Aus diesem Grunde ist
die genaue Kenntnis und Charakterisierung dieser Vorg¨ange notwendig. Zielsetzung
dabei ist, f¨
ur zuk¨
unftige Gaswechselmessungen diese Artefakte zu ber¨
ucksichtigen
und ggf. durch einen geeigneten Messaufbau auszuschließen.
133
8 Einsatz des GTPROZESSAS
Der Einsatz des GTPROZESSAS ist an den Experimenten f¨
ur die Untersuchung
des Einflusses der Diffusion und des Druckgradienten auf den Gaswechsel aufgezeigt
worden. F¨
ur diese Experimente stellt das breite Spektrum f¨
ur einen Einsatz des
GTPROZESSAS im wissenschaftlichen Bereich eine wesentliche Basis [97] dar. Die
modulare und leicht erweiterbare Struktur bietet daf¨
ur die ideale Voraussetzung.
Weiterhin ist deutlich geworden, dass nicht nur die Standard-Verfahren bei Gaswechselmessungen sondern auch spezifische Anforderungen der Pflanzenphysiologie
durch den Einsatz des GTPROZESSAS beantwortet werden k¨onnen.
134
9 Zusammenfassung und Ausblick
Im Rahmen einer interdisziplin¨aren Kooperation mit dem Forschungszentrum J¨
ulich
und der Universit¨at Duisburg-Essen wurde ein Konzept f¨
ur das GTPROZESSAS mit
der Erweiterung eines bildgebenden Messverfahrens entwickelt, welches die Grundlage f¨
ur die Beantwortung von wissenschaftlichen Fragestellungen, bezogen auf die
Reaktion pflanzlicher Bio-Mechanismen auf ¨außere Umwelteinfl¨
usse, darstellt.
Dieses Konzept beinhaltet die Automation zur Steuerung der a¨ußeren Einfl¨
usse
von Gaswechsel- und Transportprozessen, womit die M¨oglichkeit einer gleichzeitigen und spezifizierten Beeinflussung der physikalischen Prozessgr¨oßen besteht. Die
Grundlage daf¨
ur bildet die programmierbare Steuerung in Kombination mit einer
Microsoft Excel Steuerdatei. Damit k¨onnen komplexe wissenschaftliche Experimente
im Vorfeld geplant, durch das GTPROZESSAS ausgef¨
uhrt und damit die Versuchsdurchf¨
uhrungen synchron und reproduzierbar beeinflusst werden.
Die M¨oglichkeit, die Messkomponenten nicht fragmentiert, sondern als ein logisch
geschlossenes, einheitliches Messobjekt zu betrachten, f¨
uhrt zu einer Interpretation
des Experiments schon w¨ahrend der Versuchsdurchf¨
uhrung und bildet damit eine
wichtige Basis f¨
ur den Einsatz in diesem Forschungsvorhaben.
Als eine deutliche Erweiterung f¨
ur das GTPROZESSAS ist die Konzeption des bildgebenden Messverfahrens zu sehen. Durch den Einsatz der Bildverarbeitung k¨onnen
erstmals pflanzenmorphologische Informationen parallel zu den eingesetzten pflanzenphysiologischen Messmethoden gewonnen werden. Mit der Bildverarbeitung kann
zuk¨
unftig das Pflanzenwachstum unmittelbar erfasst und analysiert werden.
135
9 Zusammenfassung und Ausblick
Im ersten Ansatz wurde ein Konzept f¨
ur die Berechnung der Blatt߬ache aus den
Bildinformationen entwickelt, da diese als morphologische Gr¨oße wichtig f¨
ur die Berechnung von Photosyntheseraten ist. In diesem Zusammenhang ist das bildgebende Messverfahren als Erg¨anzung zu den pflanzenphysiologischen Messmethoden zu
sehen und kann mit diesen kombiniert und synchronisiert werden. Aufgrund dieser Konzeption wird auch das bildgebende Messverfahren integraler Bestandteil des
Messobjekts. Dieser Aspekt erm¨oglicht den universellen Einsatz des GTPROZESSAS
in den aktuellen, aber auch nach leichten Modifikationen, in den zuk¨
unftigen wissenschaftlichen Fragestellungen.
Durch den modularen Aufbau sind f¨
ur das GTPROZESSAS Erweiterungen in jeder Hinsicht m¨oglich. Seine leicht zu erweiternde Hard- und Softwarestruktur und
die funktionale Trennung zwischen Prozess-Steuerung und Messsystem erm¨oglichen
die Verwendung als Einzelkomponenten und k¨onnen damit auch die Grundlage f¨
ur
zuk¨
unftige neue Mess- und/oder Automatisierungssysteme darstellen. Einen wichtigen Beitrag leisten dazu die verwendeten Standards im Bereich der Soft- (ActiveX,
VISA, Microsoft Excel) und Hardwaresysteme (PXI/SCXI-Datenerfassungssystem,
IEEE 1394, IEEE 488).
Bei dem entwickelten Konzept wurde bisher die Prozess-Steuerung und im Messsystem die Gaswechselmessungen realisiert. Mit diesen Modulen wurde der Einsatz
ur die Untersuchung des lateralen Gasdes GTPROZESSAS an den Experimenten f¨
flusses in Blattinterzellularen, an homo- und heterobarischen Bl¨attern, aufgezeigt.
Dabei ist dargestellt geworden, dass die Bandbreite f¨
ur den Einsatz des GTPROZESSAS
deutlich u
ur die Untersuchung von
¨ber die Standard-Verfahren, welche f¨
Gaswechselprozessen bei kommerziellen Ger¨aten eingesetzt werden, hinausgeht.
Die vorliegende Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag f¨
ur die Untersuchung von
Gaswechsel- und Transportprozessen an Pflanzen in Kombination mit einem bildgebenden Messverfahren. Dabei wird deutlich, dass durch den Einsatz des GTPROZESSAS
die Voraussetzungen gegeben sind, pflanzenphysiologische Vorg¨ange zuk¨
unf-
tig besser untersuchen und verstehen zu k¨onnen.
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145
Literaturverzeichnis
146
Abbildungsverzeichnis
2.1
Stark vereinfachte Darstellung der Grundstruktur des Hardwaresystems f¨
ur Gaswechsel- und Translokationsmessungen . . . . . . . . . .
10
3.1
Prinzipieller Aufbau eines geschlossenen Gaswechselmesssystems . . .
18
3.2
Prinzipieller Aufbau eines einfachen, offenen, differentiellen Gaswechselmesssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
3.3
Vereinfachte Gesamtdarstellung der Gaswechselanlage . . . . . . . . .
23
3.4
Querschnittsdarstellung des Leitb¨
undels vom Ranunculus repens (dt.
Bez. Hahnenfuss) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
3.5
Versuchsaufbau f¨
ur Translokationsmessungen . . . . . . . . . . . . . .
28
3.6
Stark vereinfachte Darstellung der Auswerteelektronik f¨
ur die Translokationsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
4.1
Grundidee f¨
ur den Entwurf des GTPROZESSAS . . . . . . . . . . . . .
36
4.2
Typischer Versuchsablauf f¨
ur ein wissenschaftliches Experiment aus
dem Bereich der Pflanzenphysiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
6.1
Entwickelte Grundstruktur aus der Funktionalit¨at des GTPROZESSAS
56
6.2
Blockschaltbild des entwickelten Grundkonzepts f¨
ur das GTPROZESSAS
mit den erforderlichen technischen Einrichtungen . . . . . . . . . . .
6.3
6.4
57
Strukturelle Gesamtdarstellung der technischen Einrichtungen f¨
ur das
GTPROZESSAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
Konzeptioneller Aufbau des Hardwaresystems f¨
ur das GTPROZESSAS
61
147
Abbildungsverzeichnis
6.5
Kommunikation von FieldPoint-Modulen mit dem Host-System . . .
6.6
Softwaresystem des GTPROZESSAS mit den beiden Bereichen Systemund Anwendersoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.7
6.9
68
Grundlegende Softwarestruktur f¨
ur die Programmmodule der Anwendersoftware im GTPROZESSAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8
66
70
Stark vereinfachte Struktur der Programmmodule f¨
ur die ProzessSteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
Benutzeroberfl¨ache f¨
ur die manuelle Steuerung GTPROZESSAS . . . .
73
6.10 Benutzeroberfl¨ache f¨
ur die Anzeige des Ist-Zustands der Aktoren im
Gaswechselsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
6.11 Programmstruktur der programmierbaren Steuerung f¨
ur die Abarbeitung der Microsoft Excel Steuerdatei . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
6.12 Benutzeroberfl¨ache der programmierbaren Steuerung f¨
ur die Abarbeitung der Excel Steuerdatei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
6.13 Programmmodul f¨
ur das Importieren der Microsoft Excel Steuerdatei
78
6.14 Microsoft Excel Tabelle f¨
ur die Steuerung von pflanzenphysiologischen
Experimenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
6.15 Programmmodul f¨
ur die Auswertung von Datum und Uhrzeit aus der
Microsoft Excel Steuerdatei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
6.16 Auswertemodul f¨
ur den Start der Rampenfunktion u
¨ber die MS Excel
Steuerdatei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
6.17 Auswertemodul f¨
ur den Parameter Digital out der Excel Steuerdatei .
83
6.18 Stark vereinfachte Softwarestruktur des Messsystems . . . . . . . . .
84
6.19 Programmstruktur des Messsystems f¨
ur die Gaswechselprozesse . . .
85
6.20 Stark vereinfachte Struktur der Messdatenerfassung f¨
ur die Gaswechselmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
6.21 Programmierung der DAQ-Ereignissteuerung f¨
ur die Gaswechselmessungen in LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
6.22 Initialisierung des LabVIEW Ger¨atetreibers f¨
ur den LI-7000 . . . . .
89
6.23 LabVIEW Ger¨atetreiber f¨
ur den LI-7000 . . . . . . . . . . . . . . . .
90
148
Abbildungsverzeichnis
6.24 Prinzipielle Darstellung der Messdatenerfassung f¨
ur die Massendurchfluss-Messger¨ate u
¨ber einen DDE-Server . . . . . . . . . . . . . . . .
91
6.25 Programmmodul f¨
ur die Kommunikation mit dem Bronkhorst Server
Flow-DDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
6.26 Microsoft Excel Datei f¨
ur die Kalibrierung der physikalischen Prozessgr¨oßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
6.27 Programmmodul zur Auswertung der Microsoft Excel Datei f¨
ur die
Kalibrierung der physikalischen Prozessgr¨oßen . . . . . . . . . . . . .
94
6.28 Programmmodul f¨
ur die Berechnung der pflanzenphysiologischen Zusammenh¨ange bei den Gaswechselmessungen . . . . . . . . . . . . . .
95
6.29 Format der Metadaten f¨
ur die filebasierte Datenbank . . . . . . . . .
99
7.1
Telezentrische Abbildung der Gegenstandsebene auf die Bildebene . . 107
7.2
LabVIEW Programmmodul f¨
ur die Digitalkamera fs302 mit externer
Synchronisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.3
Struktur des Softwaremoduls f¨
ur das bildgebende Messverfahren . . . 111
7.4
Hierarchie der Bildverarbeitungsoperationen von der Bildvorverarbeitung bis zur Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.5
Bildverarbeitungsoperationen mit Hilfe von 2D-Rechteckfiltern . . . . 116
7.6
Sobel-Verfahren f¨
ur die Kantendetektion . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.7
Bild-zu-Bild-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.8
Formanalyse durch Skelettierung
7.9
Fl¨achenbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.1
Schematische Darstellung der Querschnitte von homobarischen und
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
heterobarischen Bl¨attern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.2
Einfluss der Diffusion auf den Gaswechsel . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.3
Einfluss des Druckgradienten auf den Gaswechsel . . . . . . . . . . . 133
149
Abbildungsverzeichnis
150
Tabellenverzeichnis
3.1
Aktoren und Regler f¨
ur das GTPROZESSAS
. . . . . . . . . . . . . .
31
3.2
Diskrete Aktoren f¨
ur das GTPROZESSAS . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3.3
Sensoren f¨
ur das GTPROZESSAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
3.4
Temperatur-Sensoren f¨
ur das GTPROZESSAS . . . . . . . . . . . . . .
34
3.5
Sensoren und Aktoren mit entsprechender Schnittstelle f¨
ur eine Kommunikation u
¨ber die RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1
34
Konfiguration der I/O-Module f¨
ur das PXI/SCXI-Datenerfassungssystem und deren Funktion im GTPROZESSAS . . . . . . . . . . . . . . .
63
6.2
Aufbau eines Datenfiles f¨
ur die filebasierte Datenbank . . . . . . . . .
97
6.3
Position der Daten im archivierten Datenfile . . . . . . . . . . . . . .
98
7.1
Gegen¨
uberstellung der spezifischen Eigenschaften einer Standard Digital- oder Analogkamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
151