MESS- UND AUSWERTETECHNIK BEI VERSUCHSANLAGEN ZUR MODELLIERUNG DER STOFF-AUSBREITUNG IN AGRARISCHEN ÖKOSYSTEMEN

W. Paul, BraunschweigBundesforschungsanstalt für Landwirtschaft

A Einleitung

Die Fragen nach den Wechselwirkungen zwischen landwirtschaftlicherduktion und Umwelt erlangen immer größere Aufmerksamkeit.

Pro-

Zur Beschreibung dieser Wechselwirkungen bedarf es geeigneter Versuchsan-lagen, entsprechender Meßtechnik und mathematischer Modelle. Im Kern gehtes bei den Wechselwirkungen um Fragen des Eintrags, Transportes und Ab-baus von Stoffen, um darauf aufba end Abschätzungen zu Fragen des Ver-bleibs dieser Stoffe geben zu können oder zusammen mit Dosis-Wirkungs-Beziehungen Abschätzungen im Hinblick auf ein mögliches Risikopotentialvorzunehmen.

Agrarproduktion und Umwelt sind in besonderem Maße verzahnt. Weil dieKompartimente der Umwelt zugleich auch Produktionsmittel der Landwirt-schaft sind, ist bei jedem Stoffeintrag auch die Gefahr eines Eintragsnicht nur in ein abgegrenztes agrarisches Ökosystem, sondern auch in dieweiteren umweltrelevanten Kompartimente Luft, Boden, Grundwasser , Ober-flächengewässer und in die Nahrungskette gegeben, wie umgekehrt Belas-tungen aus Industrie, Haushaltungen oder Verkehr leicht in die Komparti-mente eines Agrarökosystems transportiert werden können. Es ist das Be-streben dieses Beitrags, hier einige der Versuchstechniken vorzustellen,die zur Beantwortung der Fragen des Transportes, des Austausches und desVerbleibs von Stoffen in Agrarökosystemen beitragen.

B Versuchsanlage

Es sollen dabei drei inhaltlich verwandte Versuchsanlagen beschriebenwerden, denen zwar unterschiedliche Fragestellungen und damit auch unter-schiedliche Versuchseinstellungen zugrunde liegen, die aber hinsichtlichMeßtechnik und Auswertetechnik stark verwandt sind. Die Versuchsanlagenbetreffen einen "Ökokanal" (Bodenrinne mit kontrollierter Luft- und Was-serführung), ein temperierbares Gewächshaus und mehrere 'open-top'-Bega-sungskammern.

1. Die Begasungsanlage aus 'open-top-Kammern' des Instituts fürÖkotoxikologie der Bundesforschungsansntalt für Landwirtschaft (FAL)dient der Feststellung von Schadwirkungen, die luftgetragene Schad-stoffe wie Schwefeldioxid, Ozon und Stickoxide auf landwirtschaftlicheKulturpflanzen ausüben. Diese Anlage, die in [1] ausführlich beschrie-ben ist, besteht aus 24 im Freien aufgestellten oben geöffneten Kam-mern, in die mit entsprechenden Gebläsen über Schwebstaub- und Aktiv-kohlefilter gereinigte Luft gefördert wird. Der nach den Filtern nahe-zu Schadstofffreien Luft werden anschließend kontrolliert die Schadga-se S02, 03 und N02 einzeln oder in Kombination zudosiert, wobei dieBereiche der üblichen Immissionskonzentrationen (bis 200 ng/m3) eingehalten werden. Ziel der Untersuchungen ist, quantitative Beziehungenzwischen Schadstoffangebot und Schadstoffeffekt (Dosis-Wirkungs-Bezie-hungen) zu erarbeiten.

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Zur Interpretation der biologischen Wirkungen bedarf es aber nicht nurder kontrollierten Applikation der jeweiligen Schadgase, sondern auchder Erfassung und Aufbereitung der übrigen für das Wachstum der Pflan-zen relevanten Daten, also der Klimadaten wie Lufttemperatur, relativeLuftfeuchtigkeit und photosynthetisch aktive Strahlung (Bild 1). DieAnforderungen an das Datenmanagement ergeben sich aus den Meß- undStellgrößen [2]. Die Konzentrationen der Schadstoffe S02, 03, N02, NOund NOx werden an 26 Stellen gemessen: in 24 Begasungskammern in deroffenen Atmosphäre und im Dosierraum. Dabei wird im Multiplexbetrieb(Taktzeit 5 Minuten) jeweils eine Meßstelle aus einer Gruppe von 9 Meßstellen (Kammern) einem Monitor für diefünf Schadgase zugeleitet (in-clusive Spülprogramm). Die Werte der Strahlung (PAR), derLufttemperatur und der relativen Luftfeuchte werden an 6 Stellen er-faßt. Der Schadgasverlauf kann über Dosierventile eingestellt werden.

24 open-top Kammern Umgebung

Probenahmeleitungen

WindP A RTemperaturrel. Feuchte

6 Pl —Karten zum Erfassen von z.Zt.32 Ananalog— und 26 Digitalwerten

Bild 1. Meßwer te r f assung und Schadgäsdos ie rung in der

B e g a s u n g s a n l a g e aus o p e n - t o p - K a m m e r n .

Das doppelwandige Foliengewächshaus des Instituts für Biosystemtechnikder Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) dient der Messungder Anwenderexposition bei Applikationen im Gewächshaus sowie derMessung des zeitlichen Verlaufs von Wirkstoffmengen in den Komparti-menten Luft, Pflanze und Boden in Abhängigkeit von der Temperatur. DieAnlage, die in [3] ausführlich beschrieben ist, besteht aus einemsorgfältig abgedichteten, doppelwandigen Gewächshaus mit einer Grund-fläche von 12 x 7 m bei einem Volumen von 195 m3, das in einer beheiz-

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baren Halle aufgestellt ist. Für jede Versuchsreihe werden unbelaste-ter Boden und unbelastete Pflanzen eingebracht. Die Bestimmung derWirkstoffmengen erfolgt gaschromatographisch nach entsprechender Pro-benahme.

Der im Bau befindliche Ökokanal des Instituts für Biosystemtechnikdient der Erfassung von Ausbreitungsvorgängen in Agrarökosystemen.Dazu wurde in einer zum Windkanal umgebauten Bodenrinne sowie in Töp-fen, die sowohl gestörte als auch ungestörte bewachsene Bodenprobenaufnehmen können, besonderer Wert auf die Kontrolle der Transport-medien Luft und Wasser gelegt (Bild 2). Ziel der Versuche zum Stoff-übergang zwischen den Kompartimenten von agrarischen Model l Ökosystemenist eine möglichst exakte meßtechnische Überwachung der Stoff- undEnergiebilanzen.

WindStrahlung

Wasser

Probenahme:

l u't -«i

Pf'anzft -«4

Boden ^

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Standard-meßwerte:

Temperatur

"*" rel. Feuchte

Geschwindigkeit

PAR

Temperatur

— »Bodenfeuchte

Bild 2. Schematische Darstellung von Meß- und Stellwerten

im ' Ökokanal.

Bei der Leittechnik ist deshalb zwischen der automatischen Kontrolle,der Meßtechnik und der Kommunikation mit dem Experimentator zu unter-scheiden. Steuerbar sind Windgeschwindigkeit, Niederschlagsmenge undStrahlungsstärke. Bei den Meßwerten wird zwischen Standardwerten (Er-fassen mit Sensoren, z.B. Temperatu ren, rel. Feuchten, Strahlungs-stärken etc.) und Sonderwerten (Erfassen mit speziellen Meßgeräten)unterschieden. Gemessen werden die Temperaturen in der freien Luft, im

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Pflanzenbestand (5 Ebenen) und im Boden (3 Ebenen). Die Windgeschwin-digkeiten, die relativen Luftfeuchten und die Strahlungsstärken werdenebenfalls in 5 Ebenen des Pflanzenbestandes überwacht. Zur Messung derBodenfeuchte in 3 Ebenen sowie zur Messung von Schadstoffen in Luftoder Sickerwasser werden abgesetzte Sondergeräte verwendet. DieMensch- Versuchseinrichtungs-Kommunikation verläuft über die Standard-Schnittstellen eines PC.

C Aufbau der Leittechnik

Der Aufbau der Leittechnik geschah auf der Basis handelsüblicher Perso-nalcomputer. Es stehen dabei grundsätzlich 2 Wege zur Ankopplung an denProzeß offen: über Einschubplatinen oder über abgesetzte, mit eigenstän-diger Logik versehene Geräte.

Einschubplatinen werden in die freien Steckplätze des PC's eingeschobenund sind so direkt mit dem Systembus verbunden. Im Beispiel 'Open-top-Begasungsanlage' wurde dieser preiswerte Weg gewählt, da von der Zielset-zung her (langsame Datenraten, fast zeitunkritische Prozesse) keine hohenAnforderungen gestellt wurden. Das so realisierte 'Prozeßinterface' be-sitzt 64 Analog- und 64 Digital-Kanäle, die vom Programm beliebig alsEingabe- oder Ausgabekanäle definiert werden können. Die Kanäle könneninnerhalb der üblichen Programmiersprachen (z.B. Quick-Basic) ange-sprochen werden. Die geforderten vielfältigen Funktionen wie z.B. Meß-werterfassung, Aufbereitung, Ausgabe, Speicherung und Dialog verlangennormalerweise 'multitasking'-Eigenschaften des Betriebssystems, die durchbesondere Programmierung unvollständig, aber für den vorliegenden Fallausreichend durch zylische Abfrage nachgebildet wurden.

Die höheren Anforderungen des 'Ökokanals' können ebenfalls noch auf derpreiswerten PC-Basis erfüllt werden, jedoch wird hier wegen auch vorhan-dener zeitkritischer Ansprüche mit einem eigenen mikroprozessorgesteuer-ten Datenerfassungssystem gearbeitet. Die Kopplung erfolgt über die se-rielle RS 232-Schnittstelle (Bild 3). Die Aufgabenstellung ist hier auf-geteilt in die zeitkritische Meßwerterfassung sowie die zeitunkritischeSpeicherung, Weiterverarbeitung und Darstellung am PC. Der PC steht alsofür sein normales Aufgabenfeld zur Verfügung, die eigene Intelligenz desabgesetzten Gerätes wird für den zur Not auch autarken Betrieb derSchnittstellen zum Prozeß eingesetzt. Die Schwierigkeit beim Einsatz vonPC's, deren Hardware sich auch im monatelangen Dauerbetrieb bewährt hat,liegt im Standardbetriebssystem MS-DOS, das nur jeweils eine aktuelleAufgabe verwalten kann. Aufgaben im Bereich Messen-Steuern-Regeln erfor-dern aber normalerweise Echtzeiteigenschaf ten, mindestens jedoch einzeitgesteuertes Multitasking, um die unterschiedlichen Aufgabenstellungenquasiparallel oder mit geringem, definiertem zeitlichem Versatz abarbei-ten zu können.

Im einfachsten Fall bei den Begasungskammern wurde ein Anwenderprogrammgeschrieben, bei dem zeitlich befristete Teilaufgaben zyklisch nacheinan-der abgefragt werden (polling), ob sie reaktionslos bleiben können oderzu erledigen sind (Bild 4). Teilaufgaben sind z.B. nicht nur die automa-tische Datenerfassung mit Berücksichtigung des Einschwingverhaltens derSchadstoffmonitore nach Meßstellenumschaltung, die Speicherung auf derFestplatte, das Kopieren auf Diskette, die Darstellung der aktuellenWerte auf Bildschirm und/oder Drucker sowie der Dialog mit dem Experimen-tator. Ein solches durch zyklisches Abfragen von Eintragungen für

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Meßwerterfassung für den Okokanal im Institut für Biosystemtechnik (Hardware)

PC

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J

Display

"•i: D naa a

annnnanaoaaaaaaana

Tastatur

1K

_T20A

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Systembus

BUS-Ansch.

1 1

Sonderansch.

Peripheriean.

vpn

teiterozesehr

reß-er 2K

I

l'M

ZE 85

TimerOiock 1. Serielle Sohnill,Uhr, Systemlnterrupl

Serielle Schnittst.Kopplung mit PC

Parallele Schnittst.Abirage der Tastatur

Treiber EG 4401

ControlerSteuerung LCD/ System

Video-RAMBlldlnhalte

i111;#••;#•y.Xi

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1

l

Serielle Schnittst.

2 serielle Schnitt.

Kopplung an weitereProzeßrechner

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P^5S

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I

2x 64 Kbyte RAM

Eprom32 Kbyla Programm

R A M8 Kbyte Systemea Kbyte Daten

Parallel-Treiber

32 OUTPUTS Adressen t. Muitlplexer3 Signalelampen8 Adressen Daten-RAM

2x 8-K-MX-ADU

8 Differenzeing.a getrennte Dltfereru-versiarker für 10 bltEinginge

MX-ADU-14 bit

16 Differenzeing.8 Waagen etc

Impulseingänge

4 Impulseingänge

Digitale Gerate

1

j?i

ü•mii

§m

—

Mikroprozessor gestütztes Datenerfassungssystem

£ K

8K

16K

16K

4K

Anzeigenoptisch undakkustisch

Relaismultiplexerfür 2 Draht und4 Drahtdurchschaltung160 Meßkreise

PtlOOaktive Spannungsgeberaktive Stromgeber

HochauflösendeMeßgeräteWaagen, usw

Digitale Geräte mitImpulsaugängen

H. Speckmann 01 .02.89

Bild 3. Hardware für einen abgesetzten Rechner zur Meßwerterfassung im 'Ökokanal'.

HauptprogrammDefinitionen für das Prozeßelement (Konstanten, Adressen usw.)Initialisierung des Prozeßelementes

O

>l—lT's

Definitionen der ProgrammkonstantenDimensionierung der Felder

Startmenue auf die Anzeige bringen

Hauptschleife des Programmes

Synchronisation mit Steuerung des Meßgerätes

Synchronisation fertig ? zEingabe für interaktive Programme

nein

nein

Interaktive Porgramme bearbeiten: —> OPTIONEN |Loop

Meßwertaufnahme vorbereiten (z.B. Meßgas ansaugen)

Vorbereitung beendet ? zEingabe für interaktive Programme

nein

nein

Interaktive Porgramme bearbeiten: —> OPTIONEN

Zusatzmeßwerte aufnehmen ?

Zusatzmeßwerte erfassen

Meßwerte aufnehmen

Meßwertaufnahme fertig ? zEingabe für interaktive Programme z

Interaktive Porgramme bearbeiten: —> OPTIONEN

Loop

Mittelwerte der Meßwerte berechnenKennungsdaten aufnehmen

Softwareuhr mit Hardwareuhr synchronisieren, Kalender

Rohdaten der Meßwerte auf der Diskette ablegenRohdaten der Zusatzmeßwerte auf der Diskette ablegen

Digitale Rohdaten drucken

Loop

OPTIONENia\ Code W ? /nein

Übersteuerung der Wartezeitzur Synchronisation mit der Meßgerätesteuerung

ja \ Code L ? /nein

Die letzten 6 Werte einer wählbaren Meßgröße ausgeben

ia\ Code S ? /nein

Die letzten 40 Werte einer Meßgröße ausgeben

ia\ Code E ? /nein

Einen beliebigen Datensatz anzeigen

ia\ Code V ? /nein

Den letzten Datensatz anzeigen

ja \ Code + ? /nein

Bei der Anzeige der Datensätze vorwärts blättern

ja\ Code - ? /nein

Bei der Anzeige der Datensätze rückwärts blättern |

ja \ Code K ? /nein

Parameter eingeben für die Datenübertragung auf Diskette

ja \ Läuft die Vorbereitungszeit /nein

1 Datensatz auf die Floppy-Disk übertragen

ja Ny Weitere Daten zu übertragen ? /nein

Leon ! ,

ja \ Code T ? /nein

ja \ Zeit zürn Drucken ausreichend ? / nein

Vortagesorotokoll der Meßwerte drucken Fehlermeldung

ja \ Code U ? /nein

ja \ Zeit zürn Drucken ausreichend ? / nein

Vortagesprotokoll der Zusatzdaten drucken j Fehlermeldung

Ende der Procedure "OPTIONEN"

03O

Bild 4. Programmstruktur zur zyklischen Erfassung und Weiterverarbeitung der Daten

aus der Begasungsanlage.

Teilaufgaben erreichte 'Multitasking' kann natürlich bei schnellerenProzessen oder höheren Datenraten nicht von Bestand sein. Die Eignungmodernerer, multitaskingfähiger PC-Betriebssysteme wurde bisher nochnicht untersucht.

Auch hohe Echtzeitanforderungen können erfüllt werden, wenn diezeitunkritischen Aufgaben wie Auswerten, Darstellen und Speichern von denzeitkritischen Aufgaben der Meßwerterfassung und Regelung getrennt wer-den, indem dem PC ein eigenes Mikroprozessorsystem vorgeschaltet wird.Die schnellen Vorgänge der Eingabe, Zwischenspeicherung und Ausgabe wer-den von einem einfachen, mikroprozessorgestützten Datenerfassungssystemerledigt, das in seiner Hardware mit den seriellen und parallelenSchnittstellen zum Rechner oder anderen Dialoggeräten sowie mit seinendigitalen und analogen Ein/Ausgabekanälen auch an größere Prozesse ange-paßt werden kann (Bild 3). Bei hohen Anforderungen kann einstandardisiertes Echtzeitbetriebssystem verwendet werden. Bei den hiervorliegenden Aufgaben im Rahmen des 'Ökokanals' wurde auf dem abgesetztenMikrocomputer ebenfalls das Pol lingverfahren gewählt.

D Auswerteverfahren

Zur Beschreibung der Wechselwirkungen sowie der Transfer- und Abbauratenzwischen den Kompartimenten eines Agrarökosystems bzw. der Umwelt bedarfes Messungen über den zeitlichen Verlauf z.B. von Stoffgehalten in denKompartimenten sowie geeigneter Model l Vorstellungen. Die Modenvorstel-lungen basieren auf Stoff- und Energiebilanzen und haben in der Regel diemathematische Form von Differentialgleichungssystemen [4]. Aufgabe derAuswertetechnik ist es, die zunächst unbekannten Parameter des mathema-tischen Modells so zu bestimmen, daß die Simulationskurven möglichst gutmit dem zeitlichen Verlauf der Meßwerte übereinstimmen.

Im einfachsten Fall geschieht dies durch Empfindlichkeitsbetrachtungenund Optimierungsrechnungen. Am Beispiel 'Lindan im Gewächshaus' kann dieVorgehensweise demonstriert werden. Die beteiligten Kompartimente lassensich vereinfacht in Luft, Boden und Pflanze aufteilen. Austausch undAbbau (in diesem Zusammenhang wird mathematisch die irreversible Sorptionwie ein Abbauprozeß behandelt) können in allen Kompartimenten auftreten.Wegen der kleinen Stoffmengen wurde ein lineares Kompartimentmodell zu-grunde gelegt (Bild 5). Die Optimierungsrechnung, die die Summe der Qua-drate aller Abweichungen zwischen Meßpunkten und Simulationskurven insMinimum führt, ergab Simulationskurven, die für die Praxis der Abschät-zung einer Anwenderexposition gut geeignet waren (Bild 6).

Das grundsätzliche Problem bei dieser Art von Parameterschätzung bzw.Meßwertauswertung liegt aber in der oftmals vorhandenen Sensitivitäteinzelner Parameter auf die Simulationskurven. Anders ausgedrückt: kleineÄnderungen einzelner Parameter haben auf die Ergebniskurven des Verbleibsvon Stoffen einen zeitlich variablen, sehr starken Einfluß. Eine Vielzahlvon Parameterkombinationen mit gegenläufigen Sensitivitäten erzeugen dannnahezu gleich gute Simulationsergebnisse. Sofern es nicht möglich ist,solche kritischen Parameter im unabhängigen Einzelversuch gezielt zubestimmen, bedarf es einer Strategie, wie die Vielzahl der Versuche zurBestimmung der Meßreihen möglichst gering gehalten und auf die'aussagekräftigste' Kombination beschränkt werden kann. Eine solcheStrategie, die insbesondere bei teuren oder langwierigen Versuchsreihenbenötigt wird, ist in [5] angegeben.

PAUL, W. AGRARINFORMATIK, BD. 16 25

Lindan im Gewächshaus

Bild 5. Kompartimentalisierungsmodell für das

Verhalten von Lindan im Gewächshaus.

uft

Boden

0.4

mg/m2

0.3

P NJ fm

.0 -*

20Zeit

60 80 h 100

Bild 6. Meßwerte(Punkte) und Simulationskurven für

das Verhalten von Lindan im Gewächshaus.

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Literatur

[1] Weigel, H.J. u. H.J. Jäger: Zur Ökotoxikologie von Luftschadstoffen.II. Aufbau und Funktionsweise einer Expositionsanlage aus open-topKammern zur Untersuchung von Immissionswirkungen auf Pflanzen.Landbauforschung Völkenrode 38 (1988) S. 182-195.

[2] Mejer, G.-J., H. Speckmann u. W. Paul: Zur Ökotoxikologie von Luft-schaftstoffen. III. Erfassung und Verarbeitung von Schadstoff undKlimameßdaten einer Pflanzenbegasungsanlage aus open-top Kammern.Landbauforschung Völkenrode 39 (1989).

[3] Batel, W.: Exposition des Anwenders während der Applikation vonPflanzenbehandlungsmitteln in Gewächshäusern.Grundl. Landtechnik Bd. 35 (1985) Nr. 6, S. 177-182.

[4] Paul, W. u. G. Jahns: Abschätzungen des zeitlichen Verlaufs vonStoffgehalten in den Kompartimenten der Umwelt.Grundl. Landtechnik Bd. 38 (1988) Nr. l, S. 9-21.

[5] Munack, A. u. C. Posten: Optimale Versuchsplanung zur Modellierungdes Wachstums von Pflanzenzellen in Submerskulturen.Automatisierungstechnik AT 37 (1989) 2, S. 55-65.

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