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Saftfluß-Wärmeverhältnis Methode

Die Wärmeverhältnis-Methode (Heat Ratio Method, HRM) ist eine Modifikation der Kompensations Wärmepuls-Saftfluß-Meßmethode (Compensation Heat Pulse Method, CHPM). Die HRM-Methode ist eine Verbesserung der CHPM-Methode, da sie es ermöglicht äußerst geringe, und selbst negative Saftflussraten zu messen. Dies erlaubt die Überwachung von Wasserbewegung in Stämmen und Wurzeln von einer Vielzahl verschiedener Pflanzengrößen, Spezies und Umweltbedingungen einschließlich Dürreperioden. Das HRM-System wurde von der University of Western Australia in Perth in Zusammenarbeit mit ICRAF und CSIRO entwickelt. Der HRM-Sensor wurde erfolgreich mit gravimetrischen Messungen für Transpiration validiert und ist seit 1989 in wissenschaftlichen Veröffentlichungen zitiert. Burgess, S.S.O., et al. 2001 “An improved heat pulse method to measure low and reverse rates of sapflow in woody plants”, Tree Physiology 21, 589-598.

Messprinzip

HRM ist eine thermometrische Methode, die den Saftfluss im Xylem-Gewebe durch die Ausbreitung kurzer Wärmepulse bestimmt. Durch die Messung des Verhältnisses der Wärmemengen, die zwischen zwei symetrisch angeordneten Temperatursonden transportiert wird, kann die Menge und Richtung des Wasserflusses berechnet werden.

Sensor Design

Der HRM-Sensor besteht aus drei 30 mm langen Sondennadeln, die mit einem 16-bit Mikropozessor verbunden sind. Die obere und untere Sonde haben je zwei Kupfer-Konstantan Thermodrähte im Abstand von 7.5mm und 22.5mm von der Sondenspitze. Die dritte, mittlere Nadel enthält ein Heizelement, das einen gleichmäßigen Wärmeimpuls auf gesamter Länge der Nadel in das Pflanzengewebe liefert.
Der integrierte Mikroprozessor ist das Herz des HRM und macht ihn zu einem vollkommen autonomen, plug-and-play smart Sensor. Alle Teile der Sensors, Funktionalität und Berechnungen werden von dem Mikroprozessor kontrolliert, der automatisch das analoge Nano-Volt Signal in ein kalibriertes seriales Signal umrechnet. Programmierungsvariablen wie Wärmepulsintervall, Wärmemengenausgabe, Sondengeometrie und zeitliche Anzahl der Messungen werden im Sensormemory gespeichert. Zusammen mit dem SL5 Smart Logger liefert der HRM Sensor einen kompletten Bericht mit Detailinformation wie Batteriebelastung, Dauer der Wärmepimplulse die nötig sind, um die notwendige Wämemenge in Joules zu liefern, Temperaturverältnis zwischen dem oberen und unteren Thermodraht nach dem Wärmepuls, Referenztemperatur und alle Variablen, die für die Berechnung der Geschwindigkeit des Saftflusses notwendig sind.

Daten Ausgabe

Der HRM Sensor kann drei verschiedene Werte für Transpiration angeben: Rohwerte für Wärmepulsgeschwindigkeit, korrigierte Werte für Saftfluss (beide in cm pro Stunde) und kalibrierte Saftflussgeschwindigkeit in Litern pro Stunde.
Die Rohwerte für die Wärmepulsgeschwindigkeit sind die einfachste Art der Messung. Dies ist ganz einfach mit Knopfdruck möglich, nachdem die Sonden installiert sind, Der Sesnor beginnt dann automatisch die Daten zu speichern. Nachdem die Rohdaten heruntergeladen sind, können sie in eine Excel-Tabellenkalkulationsdatei zur Weiterberechnung eingefügt werden. Die Exceldatei enthält alle notwendigen Konversionsvariablen, um die Rohdaten entweder in Saftluss oder Saftflussgeschwindigkeit umzurechnen. Wenn alle notwendigen Variablen bekannt sind (Grundlinienasymetriemultiplikator und –ausgleich, thermische Diffusivität, Wundenkoeffizient, Frischgewichtvolumenfaktor und Splintholzfläche) können sie aber auch direkt im Mikroporozessor gespeichert werden. Die Messwerte werden dann automatisch berechnet und entweder in den calibrierten Einheiten abgeseichert oder auch in korrigierter Saftflussgeschwindigkeit oder Saftlussmenge.

Einfluß der Sondenplazierung

Die Genauigkeit des Sondenabstandes ist, wie bei allen Wärmepulsmethoden, die größte Fehlerquelle. Da der HRM Sensor allerdings in der Lage ist Nullwerte für Saftfluss zu betimmen, ist eine Kalibrierung außerordentlich einfach möglich, wenn kein Saftfluss herrscht (bedingt durch meteorologische Verhältnisse, oder allgemeiner, wenn der Saftfluss durch das Xylem durch einen Einschnitt verhindert wird). Diese Kalibrierung ermöglicht die Korrektur der Saftflussraten und Grundliniendaten. Dadurch wird erreicht, daß eine sehr genaue Kennzeichnung der Saftflussrichtung möglich ist, die es erlaubt korrekte Schätzungen des nächtlichen Wasserverlustes der Planze, und damit ihre Wasserbilanz zu betimmen.

Einfluß der Messzeiten

Durch die unterschiedliche Reaktion verschiedener Pflanzen auf die Sondeneinstichwunde und die normale, wenn auch leichte Asymetrie der Sonden, die durch den Einbau verursacht wird, werden die Hitzepulssignale sich mit der Zeit ändern. Aus diesem Grund werden mehrere Messwerte im Abstand von 60-100 Sekunden durchgeführt nachdem die Wärmepulsverhälnisse sich stabilisiert und damit linear geworden sind. Diese Mehrfachmessung, zusammen mit dem 16-bit Mikroprozessor mit Vorverstärker um selbst sehr geringe Lärmsignale zu unterdrücken, bedingt eine sehr genau Messung.

Einfluß der Einstichwunde

Alle implantierten Sondenmethoden verursachen eine mechanische Störung, die den Saftfluss durch eine Blockierung des Vasulärgewebes verhindern. Dies verursacht die Entwicklung einer Zone in der direkten Umgebung der Sonden, wo der Saftfluss im Pflanzengewebe gestört ist. Es ist dehalb notwendig eine Korrektur zu berechnen, um diesen Einfluß zu kompensieren und ein akurates Messergebis zu erhalten. Korrekturkoeffizienten für Wunden verschiedener Größe sind mit numerischen Modellen berechnet worden, die diese Korrektur ermöglichen. Diese Korrekuren können automatisch mit dem Sensor durchgeführt werden, um korrigierte Saftflussraten zu bestimmen, oder auch manuell mit Hilfe einer Excel-Datei, die die Rohdaten in Saftflussdaten umrechnet.

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