Forprojekt: Klimastyring modeller for termovision

Transkript

1 Forprojekt: Klimastyring modeller for termovision 63,5 C 55,5 47,6 39,6 31,6 23,6 15,7 7,7-0,3 Et projekt fra Udviklingscenter Årslev (UCAA) mellem Eva Rosenqvist, DJF Årslev (projektleder) Christian Klit Johansen, OTS Jørn Fly Hansen, IOT Konsulentbistand fra Andrea Andreassen, KVL Slutrapport Årslev d. 5. april (22)

2 Indhold Introduktion...3 Hvilken stråling påvirker planter?...4 Baggrund for planteproblematikken i forbindelse med IR-måling...5 Strålingsmiljøet i et væksthus kort beskrivelse...5 Målemiljøet...5 Forstyrrende IR-kilder...7 Undersøgelse af baggrundsstråling...7 Måleopstillingen...8 Målinger med gardiner trukket for...9 Målinger med gardiner trukket fra Temperaturmåling af planter Termografier og dataanalyse Temperaturgradienter i planter Konklusion og perspektivering Strålingsmiljøets effekt på IR-målinger Måling af plantetemperatur Behov for fremtidig forskning Litteraturliste (22)

3 Introduktion I moderne væksthusproduktion styres klimaet efter luftens temperatur, på trods af at plantens metaboliske aktivitet, udvikling og vækst styres af plantevævets temperatur. I IntelliGrow-projektet har vi vist, at man kan opnå betydende energibesparelse ved at ændre klimastyringen til en mere dynamisk styring, der balancerer plantens behov i forhold til omkostningerne for opvarmning, afhængigt af de udendørs klimaforhold. Hvis det var muligt at måle plantevævets temperatur i væksthuset, ville det være muligt at styre klimaet mere præcist i forhold til plantens behov. Som vi vil vise i denne rapport, kan der være adskillige graders forskel mellem luftens og plantens temperatur. Den mest direkte måde at måle vævstemperaturen på, er med små følere, s.k. termopar, der stikkes ind i bladet. Denne metode er ikke helt eksakt i et længere tidsperspektiv, da bladet med tiden danner et isolerende sårlag rundt skaden. Metoden er heller ikke praktisk anvendelig i væksthuse, da den kræver lange ledninger ud til enkelte blade på bordet, det er nødvendigt at måle på flere blade og der ikke er helt enkelt at vælge, hvilke blade, der skal måles på. Der kan ved større blade også være temperaturforskel hen over bladet, så valg af målested vanskeliggøres. Den anden måde at måle, er vha. infra-røde (IR)-følere. Disse måler varmestrålingen fra de ting, som føleren rettes mod. Da IR-følere måler "kontaktløst" er de et brugbart alternativ i væksthuse, men da den måler al IR-stråling der rammer den, har hele strålingsmiljøet i væksthuset betydning for, hvor godt målingen passer med bladmassens rigtige temperatur. Hvis IR-føleren har for stor målevinkel, kommer også baggrunden i form af potter at indgå og borde i målingen. I specialeprojektet "Bladtemperatursporing med termografi" har Christian Klit Johansen vist, at det vha. billedbehandling af termografier (IR-billeder) er muligt at adskille planter af Phalaenopsis fra baggrunden. I DFFE-projektet Temperaturmåling og fysiologi i CAM-planter Teknologiudvikling arbejdes der videre med kontaktløs måling af temperatur vha. IR-følere på Phalaenopsis. At Phalaenopsis er en CAM-plante betyder, at bladene har lukkede spalteåbninger om dagen. Da de ikke transpirerer men har fotosyntese "bagved lukkede spaltåbninger", køler de heller ikke bladene. Det gør at bladene for det meste er varmere end lufttemperaturen. Bladene er også meget store, hvilket gør det forholdsvis nemt at adskille dem fra baggrunden. De fleste plantearter hører til gruppen C 3-planter, som har åbne spalteåbninger og almindelig fotosyntese om dagen. Disse planter bruger transpirationen af vanddamp for at køle bladene. Da transpirationen og derved kølingen, kan variere meget afhængigt af lys, temperatur og adgang til vand, kan temperaturen i blade af C 3-planter variere meget i forhold til omgivelserne, også inden for planten. De fleste C 3-planter har også mindre blade og en mere sammensat plantearkitektur end Phalaenopsis, hvilket gør det yderligere kompliceret at identificere planten i forhold til baggrunden. For at undersøge mulighederne for at bruge IR-følere på C 3-planter i væksthuse, har vi i dette projekt målt planters temperatur vha. termografikamera, for at analysere hvor godt man kan adskille blade fra baggrunden. Det stod hurtigt klart, at målingerne påvirkes kraftigt af "strålingsmiljøet" i væksthuset (solskin/overskyet, 3(22)

4 med/uden gardiner, med/uden kunstlys) da lamper udsender IR-stråling som kan reflekteres i blade, også efter de er slukket. Desuden reflekterer isoleringsgardiner IR-stråling anderledes end glastaget. Det blev derfor blevet taget termografier under forskellige forhold for at sikre at billedanalysen, hvor blade skal adskilles fra baggrund, virker under de fleste forhold. Under projektets gang er der på IOT blevet investeret i et nyt IR-kamera (Avio TVS200) financeret af VTI-midler (Vindencenter Teknologisk Innovasion), bl.a. med baggrund i tidligere projektsamarbejder mellem IOT og DJF Årslev, samt dette projekt. Dette IR-kamera er blevet brugt til de sidste billeder taget i projektet. Da disse skulle analyseres med det nye software (Termographic Studio fra Goratec), leveret med kameraet, blev det tydeligt, at softwaret kunne ca. 90 % af de ting, der skulle programmeres i dette projekt mht. identifikation af planten i forhold til baggrunden, og analyse af forskellige temperaturparametre (maksimum-, middelog minimumstemperatur, temperaturgradienter mv.). Efter samråd med John Henriksen, UCAA, besluttede vi da at stoppe det videre programmeringsarbejde og fordybe målet med projektet. Målet blev i stedet for at udfra dataanalysen af de producerede termografier at lave en mere dybgående teknisk og biologisk problemanalyse af IR-målinger af plantetemperaturer i et væksthusmiljø. Hvilke fysiske faktorer har mest betydning for en korrekt IR-måling af planters vævstemperatur? Er det muligt at på dette tidspunkt sige noget om, hvilke biologiske faktorer der komplicerer muligheden for klimastyring udfra vævstemperaturen? Hvilken stråling påvirker planter? Grundlaget for liv på jorden er planternes optagelse af det synlige lys. Det absorberes af plantens klorofyl og energien bruges for fotosyntese og plantevækst. Med lavere bølgelængder end lys (højere energiindhold) absorberes også ultraviolet (UV) stråling, hvilket kan skade planten og kræver en række beskyttelsesmekanismer i form af lysdæmpende pigmenter og antioxidanter. Med højere bølgelængde end lys (lavere energiindhold) absorberes infrarød (IR) stråling, hvilket opvarmer planten. Fig ur 1: Det elektromagnetiske spektrum. Planten beskytter sig mod UV-lys, optager det synlige for fotosyntese og bliver opvarmet af infrarødt lys (IR). 4(22)

5 Baggrund for planteproblematikken i forbindelse med IR-måling De abiotiske 1 faktorer der styrer bladtemperaturen er indstrålingen og lufttemperaturen der varmer bladet, og vinden der køler det. Desuden er den afhængig af transpirationen (fordampningen fra bladet), som styres af mange uafhængige variabler i planten og klimaet (Gates og Papian, 1971). De uafhængige variable i planten er f.eks. plantens tilpasning til lysniveauet, temperaturen og luftfugtigheden. Klimavariablerne er nævnt ovenfor. Disse afgør, hvor meget planten transpirerer på et givet tidspunkt. Desuden afgør plantens adgang til vand, om de almindelige sammenhænge mellem klima og transpiration gælder. Hvis plantens vandpotentiale bliver for lav (i tørre planter), lukker spalteåbningerne, hvilket forhindrer dem i at køle sig vha. transpirationen (Ehrler et al., 1978). Plantens vandstatus afgør altså, på hvilken måde bladtemperaturen afviger fra lufttemperaturen koldere i vel vandede og varmere i tørre planter. Det betyder også, at måling af bladtemperatur har potentiale for at advare for tørke ved planteproduktion i væksthuse. Forskellige plantearter kan også få forskellige bladtemperaturer under de samme klimaforhold (Hatfield og Burke, 1991). Det fortolkes som en evne i den enkelte art at tilpasse transpirationen, så bladtemperaturen rammer de forhold, der er biokemisk mest fordelagtigt for arten. De enkelte plantearters arkitektur, vil også indvirke på, hvordan temperaturen fordeles inden for planten. Disse ting nævnes, for at give en biologisk baggrund for problematikken ved måling af bladtemperaturen. Strålingsmiljøet i et væksthus kort beskrivelse Måling af bladtemperaturen påvirkes af "strålingsbalancen" indenfor det infrarøde område af spektraet i og omkring bladet. Bladet tilføres termisk energi (varme) ved absorbtion af indfalden stråling (både synligt lys og IR-stråling) og ved konvektion (luftens temperatur). Energitilførseln afhænger både af plantens og omgivelsernes temperatur (energiudveksling). Når bladtemperaturen skal måles, måles den IRstråling der kommer fra bladet. Den kan være sammensat af udstråling (bladets energi, hvilket er det som er interessant i forbindelse med IR-målinger af bladtemperaturen), refleksion af indfaldende stråling og evt. transmission af stråling gennem bladet fra bagved liggende objekter. De to sidste ting gør, at "strålingsmiljøet" omkring bladet har stor betydning for, hvor korrekt IR-målingen bliver. Målemiljøet Måling af temperatur vha. infrarød (IR) udstråling er baseret på følgende princip: Alle legemer udsender elektromagnetisk stråling, når deres egentemperatur er over 0 Kelvin (det absolutte nulpunkt ved -273 C). Denne elektromagnetiske stråling med bølgelængder i området m er temperaturafhængig, og kaldes IRstråling. Ved praktisk måling anvendes en eller flere smalle bølgelængdeområder der ligger over det synlige lys (figur 1). IR-udstråling arbejder efter de samme principper som kendes for synligt lys (bølgelængde nm). En overflade, der 1 De abiotiske faktorer er de fysiske forhold der omgiver planten, fx. lufttemperatur, instråling, luftens CO 2-koncentration, vandadgang i jorden mv. 5(22)

6 er mat i synligt lys kan fx. være "blank" og reflekterende i IR-området, på trods af at man ikke kan se det med øjet. Teoretisk vil et såkaldt sort legeme udstråle 100 % set i forhold til dets temperatur (fig. 2). I praksis viser det sig at IR udstrålingen er materialeafhængig og afhængig af bølgelængden. Dette viser sig ved en reduktion af den udstrålede energi fra et legeme set i forhold til et sort legeme med samme overfladetemperatur. Udstrålingsfaktoren benævnes emissivitet. Da udstrålingen for et legeme ikke alene afhænger af dens overfladetemperatur, kan noget af den målte udstråling komme fra andre kilder. Dette kan ses som refleksion og/eller transmission gennem legemet (fig. 3). Derudover vil IR stråling fra andre legemer kunne absorberes som en del af energibalancen mellem alle legemerne i målemiljøet. Fig ur 2: Alle legemer udsender IR-stråling ved en egentemperatur over 0 Kelvin (det absolutte nulpunkt). Fig ur 3: I praksis vil et legeme behandle indfaldende IR-stråling ved refleksion (gul pil), transmission (lilla pil) og absorption (blå pil). IR-sensoren (punktmåler eller IR-kamera) har normalt et begrænset synsfelt. Inden for dette synsfelt måler IR-sensoren den samlede indstråling. Da måleobjekter i praksis, herunder planter, har en emissivitet < 1 vil en andel af den målte indstråling på IR-sensoren kunne stamme fra andre kilder. Emissivitetten for blade er generelt kendt til at være 0,9 0,97, dvs. blade udstråler % IR-stråling, sammenlignet med et sort legme. Transmission af IR stråling gennem blade regnes generelt for ubetydelig, da den IR-stråling, der kommer ind i bladet, absorberes når bladet bliver opvarmet. Derfor er refleksion den eneste forstyrrende kilde ved bladtemperatur måling. Betydningen af IR-stråling fra refleksion afhænger af kildens temperatur, emissivitet og areal. I omgivelser med en meget lavere temperatur end måleobjektet, vil refleksionen være lille og omvendt ved en meget høj kildetemperatur. Derfor kan en stor del af IR-strålingsenergien komme fra andre kilder end måleobjektet, selv når måleobjektet har en høj emissivitet. Udstrålingen fra planter (fig. 4) er undersøgt (Jørn Fly Hansen og Lars Bo Dziegiel i det tidligere UCAA-projekt "Termovision") og fundet til at være diffus. Det betyder, at der kan måles på blade fra en vilkårlig vinkel. Dette indikerer også, at en kraftig punktkildes udstråling (fx. fra en kunstlyslampe) vil blive reflekteret i alle retninger fra et blad. Denne forudsætning har betydning for bestemmelse af den reflekterede stråling fra blade. Den kan komme fra alle retninger og dermed er IRstråling via refleksion fra et blad bestemt af den samlede baggrundsstråling i måle- 6(22)

7 miljøet, modsat en spejlende overflade. Dette kan gøre målinger af bladtemperatur vha. IR-sensorer mindre følsomme overfor punktkilder. Fig ur 4: Viser sammensætning af stråling fra et punkt på et blad. Den brede gule pil viser indfaldende stråling fra baggrunden, som reflekteres i flere retninger (smalle gule pile). Den røde pil viser udstrålingen fra bladet. Den målte stråling fra bladet er summen af de to strålinger (dobbeltpilen, rød og gul). Alle disse strålinger (pile) er afhængige af udstrålingskildernes temperatur, dvs. både bladets og baggrundens temperatur. Forstyrrende IR-kilder Alle objekter i et væksthus kan bidrage til baggrundsstrålingen ved bladtemperatur måling. Disse er: Solen, med en temperatur på ca C, er den kraftigste IR-kilde omkring væksthuse. Solen vil kunne bidrage til baggrundsstråling på friland. Vinduesglasset i væksthuse er kun svagt transparent overfor IR-stråling i bølgelængdsområdet omkring 8 14 µm. Derfor vil solen ikke påvirke målerne via refleksioner på blade og andet. Solen påvirker dog planternes fotosyntese og transpiration via det synlige lys, og dermed bladtemperaturerne. Kunstlyslamperne over planterne i et væksthus har glødetrådspære. Pærens glas bliver mere end 300 grader varmt. Tændte kunstlyslamper øger derfor IRbaggrundsstrålingsniveauet og kan opfattes som en punktkilde for IR-stråling. Ved at trække gardinerne for ændres fordelingen af IR-baggrundsstrålingen. Udstråling og refleksioner fra gardinerne har karakter af diffus udstråling. Gardiner har typisk aluminiumstrimler vævet ind, som er gode reflektorer for IR-stråling. Refleksion fra vinduesglas ved IR-stråling er som ved spejle. Dette giver et andet baggrundsstrålingsniveau i forhold til gardiner, da vinduesglas kan være koldere end gardiner og reflektere mindre. Varmerør, både over og under bordene, kan have en temperatur på op til C, hvilket påvirker målinger tæt på rørene. Undersøgelse af baggrundsstråling Hvis den geografiske fordeling af intensiteten af baggrundsstrålingen kendes kan IR-sensorer placeres hensigtsmæssigt med mulighed for kompensering for denne stråling, se figur 3. Derfor er der opbygget en måleopstilling med det formål er at 7(22)

8 undersøge geografiske fordeling af IR-baggrundsstrålingen i planteniveau i et væksthus. Målingerne er lavet i et Venlo-hus (celle 1 i hus 1) ved DJF Årslev i perioden november 2005 marts Måleopstillingen Målingerne sker ved at flytte hele måleopstillingen trinvis fra midten af et væksthus hen til en nordvæg, på langs med et væksthusbord. Måleopstillingen flytningsbane løber lodret under to kunstlyslamper (position 10 og 35 i fig. 8 13) for at maksimere IR-strålingen. Måleopstillingen består af et IR-kamera på stativ og en fastmonteret aluminiumsplade med måleobjekt, se fig. 6. Måleobjektet består af to stykker Al 2O 3 substrat, hvor den ene er vandret og den anden vinklet 15, samt to stykker tape i pladens længde. De to prøver har en kendt emissivitet på 0,83 for Al 2O 3- substrat og 0,93 for tapen. Disse to materialer bruges, fordi strålingsegenskaberne er kendte. Der anvendes ved alle målinger og analyser en fast emissivitet på 0,95 for at simulere en simpel pyrometermåling (punktmåling med et pyrometer, som har fast emissivitetsværdi). Fig ur 5: Måleopstilling anvendt ved refleksionmåling. Fig ur 6: Den fastmonterede aluminiumsplade (der her er blå pga. spejling af himmelen) med måleobjekter set fra IR-kameraets indbyggede farvekamera. Der optages to måleserier, begge med kunstlyslamper tændt og med gardiner trukket helt for og helt fra. Ved begge måleserier var det overskyet og nedbør. IR-kamera og måleobjekter blev temperaturstabiliseret i 30 minutter i væksthuset før måleserien startede. Måleopstillingen flyttes på væksthusbordet i trin af to felter (se bordet i baggrunden i fig. 5) mellem hver måling og IR-kameraet kalibreres efter hver flytning. Hver måling består af 10 billeder optaget over 1 sekund som sammenfattes til et gennemsnitsbillede. Dermed er støj i IR-kameraet minimeret. Alle gennemsnitsbilleder i de to måleserier analyseres vha. et software leveret sammen med IR-kameraet. Dette værktøj giver mulighed for at udvælge arealer, se fig. 6 og 7, og genererer temperaturkurver over tid for disse arealer, fig Der er anvendt arealer på 11,6 x 8,4 mm = 97,4 mm 2, eller 247 pixels (fig. 7), til måling af IR-temperaturer, for at sikre at evt. målefejl i IR-kameraet ikke indvirker på resul- 8(22)

9 tatet. Målearealerne ligger på linje i termografiet som modsvarer pærens orientering. Dermed ligger alle målearealer i det maksimale refleksionsområde fra kunslyslampen for hver måleposition. Et termografi registrerer stråling i smalle bånd i IR-delen af den elektromagnetiske spektrum (fig. 1). Hver pixel i kameraet (her 240 x 320) måler den indfaldende stråling (temperatur). For at give et billede af temperaturen hen over det målte areal gengives pixelværdierne grafisk på en skærm (termografibillede). Visningen kan være i gråtoneskala eller farveskala. Der kan vælges mellem flere forskellige farveskalaer, her er anvendt den såkaldte jernskala, der simulerer farven for jern under opvarmning. Årsagen til dette valg er, at menneskeøjet er bedre til at aflæse farvebilleder end sort-hvide billeder og jernskalaen har de fleste et forhold til, kold jern er sort, varmt jern er rødglødende og varmest jern er hvidglødende. (fig. 7). 65,0 C 54,1 43,2 32,4 21,5 10,6-0,3-11,1-22,0 Fig ur 7: Termografi af måleopstilling med indlagte arealer. Areal på tape med e = 0,93, modsvarende et blad. Areal på Al 2O 3 substrat med e = 0,83. Areal 5 på aluminium med meget lav emissivitet og høj refleksionsevne. Billedet er optaget med måleopstilling lodret under kunstlyslampe. Areal 2, 4 og 5 anvendes i den følgende temperaturanalyse. IR-målingerne relateres til lufttemperturen i væksthuset for hvert måletidspunkt, målt med klimacomputerens målestation der er centralt placeret i væksthuscellen. Målinger med gardiner trukket for Data fra klimacomputer og refleksionsmåling af tapen (areal 2) viser en klar sammenhæng, med et jævnt fald i temperatur fra begge målepunkter (fig. 8). Dette temperaturfald stammer fra de naturlige temperaturvariationer over tid i væksthuset, når måleopsætningen flyttes fra en position til den næste hen ad bordet. Der er afvigelser som kan tilskrives afstanden mellem IR-kamera og luftmåleren, samt måleusikkerheder ved sammenligning mellem de to målemetoder. Der er ikke nogle indikationer at kunstlyslamperne ved position 10 og 35 indvirker på målingen, da disse små toppe ikke er større end det generelle støjniveau mellem positionerne i måleserien. 9(22)

10 Temperatur Areal 2, gardin 26 25, , , , Position Fig ur 8: IR-måling (blå kurve) af tape i forskellige positioner i nord-sydlig retning på væksthusbord, og samtidig lufttemperatur (rød kurve) målt med klimacomputerens målestation med gardinerne trukket for. Emissivitet for areal 4, Al 2O 3-substrat, er lavere end det forventede for planter, som typisk ligger over 0,9. IR-stråling fra kunstlyslamper er ikke umiddelbart fremtrædende, men ses svagt ved position 10 og 35, hvor der er små lokale maksima på kurveforløbet (fig. 9). Disse maksima er på niveau med variationer fra målingerne med IR-kameraet og kan derfor ikke tillægges betydning. Temperatur Areal 4, gardin 25, , , , Position Fig ur 9: IR-måling (blå kurve) af Al 2O 3-substrat i forskellige positioner i nord-sydlig retning på væksthusbord, og samtidig lufttemperatur (rød kurve) målt med klimacomputerens målestation med gardinerne trukket for. Areal 5 dækker et udsnit af aluminiumspladen og her ses refleksioner fra kunstlyslamperne meget tydeligt (fig. 10). Emissivitetten for aluminium er lav hvilket muliggør en høj grad af refleksion af baggrundsstråling. Et væsentligt højere niveau af IR-baggrundsstråling kan derfor som forventet konstateres lige under kunstlamperne. De maksima, der ses under de to kunstlyslamper, dannes af kunstlyslampens "spejlbillede" i aluminumet, når måleopstillingen er lige under lampen. Dette ses også i fig, 7, hvor areal 5 har en meget høj temperatur i det område af aluminiumet, hvor man ser lampen som i et spejl. Aluminiumet til højre og venstre i fig. 7 for viser en 10(22)

11 blå og lilla farve, hvilket modsvarer en lav temperatur da disse områder spejler gardinet bagved lampen. Temperatur Areal 5, gardin Position Fig ur 10: IR-måling (blå kurve) af aluminium i forskellige positioner i nord-sydlig retning på væksthusbord, og samtidig lufttemperatur (rød kurve) målt med klimacomputerens målestation med gardinerne trukket for. Toppene i fig. 10 måler en tilsyneladende temperatur, dvs. aluminiumet er ikke over 40 C. IR-reflektionen fra lamperne giver denne målefejl pga. at aluminium har lav emissivitet og høj refleksionsevne, hvilket ikke er tilfældet for blade (fig. 8 og 9). Målinger med gardiner trukket fra Uden gardiner ændres udstrålingsniveauet i væksthuset. Vinduesglasset har en lavere temperatur end gardinerne ved disse målinger (vinter) og dermed mindre udstråling. Vinduesglasset er ikke en diffus reflektor som gardinerne og derfor kan baggrundsstrålingen have en anden karakteristik. Det betyder at strålingen spreder sig andeledes i væksthuset når gardinerne er trukket fra. Med gardiner trukket fra ses tilsvarende overensstemmelse mellem IR-målinger for tape og Al 2O 3-substrat i forhold til lufttemperaturen (fig. 11 og 12). Der er heller ikke indikationer på reflektion fra kunslyslamperne ved posistion 10 og 35. Der er dog en større forskel mellem lufttemperaturen og IR-målingerne på alle tre arealer når gardinerne er trukket fra (sammenlign fig og 11 13). Det er fordi IR-baggrundsstrålingsniveauet er lavere med gardinerne trukket fra da vinduesglasset var koldere end gardinerne. Der er anvendt den samme baggrundstemperatur ved softwareberegningerne af temperaturen med og uden gardiner, da vi ikke kender den eksakte forskel mellem baggrunden i de to måleserier. Hvis den rigtige baggrundstemperatur bliver brugt i beregningerne under de to måleforhold vil afstanden til lufttemperaturen være mindre når man måler på disse "døde" måleobjekter, uanset om gardinerne er trukket for eller ikke. Ved position 40 ses en stigning i alle IR-målinger uden gardiner (fig ). Position 40 er ved nordvæggen, lavet af kanalplader som isolerer bedre end almindeligt glas. Nordvæggen har et relativt stort areal og sammen med en højere temperatur (end vinduesglas) og dermed større IR-udstråling, indvirker den på IR-målingen af måleobjekterne. Dette ses på alle IR-målingerne med gardinerne trukket fra. IR- 11(22)

12 målingerne stiger fra position 38 til 40 tæt ved nordvæggen. Den yderste lampe (position 35) vil også bidrage til opvarmning af kanalpladen. Det betyder at ydervægge med afvigende strålingsegenskaber påvirker målingerne tæt på væggen. Temperatur Areal 2, vindue 23, , , , Position Fig ur 11: IR-måling (blå kurve) af tape i forskellige positioner i nord-sydlig retning på væksthusbord, og samtidig lufttemperatur (rød kurve) målt med klimacomputerens målestation med gardinerne trukket fra. Ved måling af Al 2O 3-substrat (fig. 12) uden gardin ses en større afvigelse fra lufttemperaturen, end ved måling af tape (fig. 11). Det er pga. at Al 2O 3-substratet har lavere emissivitet end tapen. Temperatur Areal 4, vindue 23 22, , , , Position Fig ur 12: IR-måling (blå kurve) af Al 2O 3-substrat i forskellige positioner i nord-sydlig retning på væksthusbord, og samtidig lufttemperatur (rød kurve) målt med klimacomputerens målestation med gardinerne trukket fra. Forskellen i baggrundsstråling med og uden gardiner ses især ved IR målingerne på aluminium (fig. 10 og 13), hvor aluminiumtemperaturen går fra ca. 20 til ca. 10 C med og uden gardiner. Dermed øges forskellen til lufttemperaturen. Da der ikke er blevet taget højde for at aluminium udstråler væsentligt mindre ved den samme temperatur, er den målte temperaturen fra aluminiumsfladen ikke korrekt, men formålet med aluminiumsmålinger er primært at identificere ekstreme kilder i baggrundsstrålingen (toppene ved position 10 og 35). 12(22)

13 Der ses meget tydelige maksima ved IR-målinger på aluminium under lamperne. Dette kommer af refleksioner fra lamperne på aluminiumet, som bidrager til baggrundsstrålingen ved disse positioner. Disse maksima ses ikke ved areal 2 og 4 (fig. 8, 9, 11 og 12), hvorfor IR-målinger på materialer der ligner blade, ikke forstyrres af kunstlyslamperne. Temperatur Areal 5, vindue Position Fig ur 13: IR-måling (blå kurve) af aluminium i forskellige positioner i nord-sydlig retning på væksthusbord, og samtidig lufttemperatur (rød kurve) målt med klimacomputerens målestation med gardinerne trukket fra. Temperaturmåling af planter For at give os baggrund for at diskutere de biologiske aspekter af temperaturmåling af planter, er der blevet lavet termografier af en række arter under forskellige strålingsforhold. Der blev brugt to planter af hver art af klokkelblomst (Campanula portenschlagiana), potterose (Rosa x hybrida), vedbend (Hedera helix), almindelig kristtorn (Ilex aquifolium), Hæk-Fuksia (Fuchsia magellanica) og indisk viol (Exacum affine). I denne rapport vises et par eksempler fra disse målinger, men analyser af alle målinger ligger til grund for de konklusioner og perspektiver som diskuteres sidst i rapporten. Termografier og dataanalyse Der er blevet optaget termografier af planter på overskyede dage og solskinsdage. Da optagelserne på overskyede dage viser meget små temperaturgradienter indenfor planter, fokuserer vi i denne rapport på termografier optaget i solskin. På de kommende sider vises to eksempler af planter med åbent/fladt og lukket/pudeformet skud, dvs. vedbend (Hedera helix) og klokkeblomst (Exacum affine) taget i solskin. Derefter vises kristtorn (Ilex aquifolium) taget i under skyggegardiner. I termografierne taget i solskin er der lavet en temperaturprofil over planterne i linje med solens strålingsretning på måletidspunktet, samt analyse af et varmt (areal 1) og et koldt (areal 2) blad. 13(22)

14 Tabel 1: Hedera nr. 1 i sol uden gardiner IR-billede 63,5 C 55,5 47,6 39,6 31,6 23,6 15,7 7,7 Objekt informationer System TVS200 Filename hed-1-sol-avg-ana.gtsi Image Size 320x240 Date Time 11:08: Max. scale 64,3 C Min. scale 1,4 C Emissivity/R 0,95 Amb. temp 26,0 C Sensitivity 0,04 Temperaturprofil Temperature C29.39 Max: 29,0 C Min: 20,3 C Avr: 23,2 C -0,3 Profile - Line Profildata Histogram areal px Line Min C Max C Avr C Emis. Ta C 1 20,3 C 29,0 C 23,2 C 0,95 26,00 Max: 28,8 C Min: 24,2 C Avr: 27,8 C Histogram - Rectangle 1 Density % 10 5 Histogram areal 2 Density % , , , , ,05 Temperature C Max: 20,3 C Min: 19,2 C Avr: 19,7 C Histogram - Rectangle , ,4 19,5 19,6 19,7 19,8 19, , Temperature C Histogram data Area Min C Max C Avr C Emis. Ta C Area px P1 Joule/sec <P1> Joule/(sec m2) 1 24,2 C 28,8 C 27,8 C 0,95 26, ,2 C 20,3 C 19,7 C 0,95 26, Solsiden (foroven til venstre) er generelt varmere end skyggesiden, men temperaturfordelingen er plettet pga. den åbne struktur i planten. 14(22)

15 Tabel 2: Exacum nr. 1 i sol uden gardiner. IR-billede 63,5 C 55,5 47,6 39,6 31,6 23,6 15,7 Objekt informationer System TVS200 Filename exa-1-sol-avg-ana.gtsi Image Size 320x240 Date Time 10:48: Max. scale 64,2 C Min. scale 1,0 C Emissivity/R 0,95 Amb. temp 26,0 C Sensitivity 0,04 Temperaturprofil Temperature C29.3 Max: 28,8 C Min: 20,3 C Avr: 23,1 C 7,7-0,3 Profile - Line 1 Profildata 19.8 Histogram areal px Line Min C Max C Avr C Emis. Ta C 1 20,3 C 28,8 C 23,1 C 0,95 26,00 Max: 29,1 C Min: 26,3 C Avr: 28,0 C Histogram - Rectangle 1 Density % 10 5 Histogram areal ,15 26, , ,5 29,23 Temperature C Max: 22,0 C Min: 20,1 C Avr: 20,9 C Histogram - Rectangle 2 Density % , ,4 20,6 20, ,2 21,4 22, Temperature C Histogram data Area Min C Max C Avr C Emis. Ta C Area px P1 Joule/sec <P1> Joule/(sec m2) 1 26,3 C 29,1 C 28,0 C 0,95 26, ,1 C 22,0 C 20,9 C 0,95 26, Solsiden (foroven til venstre) er generelt varmere end skyggesiden, og temperaturgradienten imellem er meget stejl pga. den pudeformede plante. 15(22)

16 Tabel 3: Ilex nr 1i sol med gardiner (fokuseret på topblade) IR-billede Objekt informationer 63,5 C 55,5 47,6 39,6 31,6 23,6 15,7 7,7-0,3 System Filename Image Size TVS200 ilx-1-top-gar-avg.gtsi 320x240 Date Time 11:38: Max. scale Min. scale 37,0 C 11,2 C Emissivity/R 0,95 Amb. temp 26,0 C Sensitivity 0,04 Temperaturprofil Temperature C26.6 Max: 26,4 C Min: 23,1 C Avr: 25,3 C Profile - Line 1 Profildata 23 Histogram areal 1 Density % Histogram areal px Line Min C Max C Avr C Emis. Ta C 1 23,1 C 26,4 C 25,3 C 0,95 26,00 Max: 28,6 C Min: 24,5 C Avr: 26,2 C Histogram - Polygon 1 24, , , , ,76 Temperature C Max: 28,3 C Min: 22,8 C Avr: 24,7 C Histogram - Polygon 2 Density % ,56 23, , , , ,5 28,57 Temperature C 16(22)

17 Histogram areal 3 15 Max: 25,5 C Min: 21,4 C Avr: 24,4 C Histogram - Polygon 3 Density % , , , , ,67 Temperature C Histogram data Area Min C Max C Avr C Emis. Ta C Area px P1 Joule/sec <P1> Joule/(sec m2) 1 24,5 C 28,6 C 26,2 C 0,95 26, ,8 C 28,3 C 24,7 C 0,95 26, ,4 C 25,5 C 24,4 C 0,95 26, Der er markent forskel på bladenes temperatur i sol uden og med gardiner. Det er tydeligt at der er stor forskel i temperaturfordelingen indenfor de to plantearter. Hedera har spredte varme blade på temperaturprofilen. Exacum, med sin pudeformede struktur, har en stejl gradient fra den varme solside til den mere kølige skyggeside. Forskellen mellem middeltemperaturen af et varm og et køligt blad er 8,1 C (19,7 og 27,8 C) i Hedera og 7,1 C (20,9 og 28,0 C) i Exacum. Temperaturprofilen går fra 20,3 29,0 C i Hedera og 20,3 28,8 C i Exacum. Lufttemperaturen ved måletidspunktet var 26,0 C. Termografiet af Ilex med gardiner viser med al tydelighed, hvor meget temperaturgradienterne kan minimeres i skygge. Med gardiner er forskellen i de markerede bladarealers middeltemperatur kun 1,8 C. I sol uden gardiner var den samme forskel i den samme plante 6,4 C (ikke vist). Ved overskyet vejr, er temperaturgradienten indenfor planterne også meget lille (ikke vist). Der er kun vist tre eksempler her, men resultaterne adskiller sig ikke meget mellem plantearterne. Alle opviste store temperaturforskelle indenfor planten i solskin. Temperaturgradienter i planter For at undersøge temperaturfordelingen dybere, er der blevet analyseret videre på temperaturgradienterne i de profil-linjer, der er lagt i hvert termografi. Her vises først et eksempel med Fuchsia magellanica (fig ) og et samlet billede af forskellen mellem de seks forskellige plantearter (fig. 17). Temperaturprofilen for Fuchsia i termografiet i fig. 14 er efterfølgende afbildet som frekvenshistogram (fig. 15) og som temperaturprofil (fig. 16). Figur 14 viser med al ønskelig tydelighed at plantes højeste temperatur findes på solsiden, på samme måde som i Hedera og Exacum. Termografiet indikerer også, at der er meget kraftige temperaturgradienter i planten, når solen skinner. Denne viden er meget vigtig i forbindelse vurdering af, hvordan plantetemperaturen skal måles, hvis klimaet skal styres efter plantetemperaturen, og ikke efter lufttemperaturen. Det er specielt afgørende i forbindelse med alarm for høje temperaturer og dermed styring af skyggegardiner. 17(22)

18 Fig ur 14: Termografi af Fuchsia magellanica, plante 1 og 2, solbelyst fra foroven til venstre (skyggen på bordet forneden til højre er koldere end bordet foroven til højre, lyserød farve indikerer varme områder udenfor farveskalen). I billederne er markeret et blad og en gradientlinje. Når bladene analyseres som et frekvensdiagram for bladtemperaturen (fig. 15), ser man at gradienten fordeler sig skevt i forhold til middeltemperaturen på gradientlinjen. Fig ur 15: Frekvensfordeling af temperaturer i blad i figur 14. Fig. 16 viser temperaturforløbet på tværs af to forskellige Fuchsiaplanter i solskin. Uensartetheden i starten af kurveforløbet er et udtryk for planternes forskellige struktur, med temperaturtoppe på soleksponerede blade. På trods af forskellen mellem planterne, opviser de lignende mønstre i temperaturgradienten. Middelværdiet og minimums- og maksimumstemperaturen for alle seks plantearter er blevet beregnet. Fig. 17 viser middelværdierne med minimum- og maksimumtemperaturer afsat som streger over og under middeltemperaturen. Den illustrerer tydeligt at temperaturen fordeler sig på to karakteristiske måder. Campanula, Exacum, Fuchsia og Hedera har større afstand mellem middel- og maksimumstemperaturen. Ilex og Rosa har middelværdien placeret midt imellem minimums- og maksimumstemperaturen. De sidste to arter har også en lidt mindre gradient. 18(22)

19 Figur 16: Temperaturgradienten for de to Fuchsia-planter i fig. 14. Planter med sukkulente blade 2 kan forventes at have en højere bladtemperatur. Vores planter har ikke nogle sukkulende blade, men Ilex har xeromorfe 3 blade, hvilket resulterer i en smule højere middeltemperatur end de andre arter. Dette hentyder at det måske er muligt at sortere forskellige plantearter i funktionelle grupper mht. hvordan bladtemperaturen relaterer til lufttemperaturen. Fig ur 17: Middeltemperatur og temperaturekstremerne (markeret som søjler fra middelværdiet) for de undersøgte plantearter. De er (fra venstre) Campanula portenschlageriana, Exacum affine, Fuchsia magellanica, Hedera helix, Ilex aquifolium og Rosa x hybrida. Lufttemperaturen ved måletidspunktet var ca. 26 C. Disse resultater viser at termografier kommer at være uundværlige i udviklingsarbejdet, når man skal udvikle infrarød måleteknologi for plantetemperaturmålinger for væksthuserhvervet. For virkelig at kunne vurdere størrelse af potentialet bør disse indledende optagelser følges af mere systematiske optagelser på flere plantearter for at der efterfølgende kan laves statistiske analyser. De tekniske målinger 2 Med sukkulente blade menes tykke, vandholdende blade med tykt vokslag, der beskydder mod udtørring. 3 Xeromorfe blade er blade med forskellige tilpasninger der minimerer fordampningen af vand fra bladet, fx. et tykt vokslag, som i Ilex. 19(22)

20 viser også at det også nøje bør overvejes under hvilke omstændigheder de systematiske planteoptagelser mest fordelagtigt skal laves, med henblik på optimalt udbytte og anvendelse. Konklusion og perspektivering Dette projekt var oprindeligt rettet mod udvikling af software, hvor blade kan adskilles fra baggrunden og temperaturen indenfor planten analyseres mht. middeltemperatur og temperaturekstremer. Da der undervejs under projektet blev investeret i et nyt IR-kamera på IOT, kunne det nye software, der kom med kameraet, 90 % af de ting der skulle programmeres indenfor projektets ramme. Målet med projektet blev efterfølgende udvidet til at omfatte en teknisk/fysisk og biologisk problemanalyse af IR-målinger i et væksthusmiljø. Det har gjort det muligt at nu aflevere en problemanalyse af strålingsmiljøet i et væksthus, hvor de målinger der mangler for at gøre analysen komplet, er identificeret. Der er også foretaget plantemålinger, der understreger vigtigheden af at kunne måle plantetemperaturen med henblik mod at styre klimaet i væksthuse efter planterne, i stedet for efter lufttemperaturen. Følgende problemanalyse stammer fra den udvidede projektaktivitet, og projektet har reelt frembragt mere viden end forventet. Strålingsmiljøets effekt på IR-målinger Der er en række forhold at tage højde for ved IR-måling af bladtemperatur, men resultatet af vores undersøgelser recucerer listen af forstyrrende IR-kilder. De to vigtigste faktorer, der ikke har stor, forstyrrende effekt på målingerne, er solen og kunstlyslamperne. Solens IR-stråling filtreres væk af vinduesglasset og vi har ikke observeret nogle forstyrrelser fra solstrålingen, men vi har ikke nok data til at udelukke muligheden helt. Den forstyrrende reflektion af IR-stråling fra lamperne er kun lige under hvert armatur, og kun hvis der måles på et stærkt reflekterende materiale som aluminium. Da planter har en meget begrænset reflektion af IR-stråling, kan man ikke se nogen forstyrrende effekt fra kunstlyslamperne. Som vist tidligere (Hansen og Dziegiel, 2004), har heller ikke IR-sensorens vinkel i forhold til planterne nogen betydning for måleresultatet. Flere faste installationer i væksthuset indvirker på IR-målingerne. Alle målinger foretaget tæt på varmerør eller endevægge af isolerende materialer vil vise en fejlagtigt høj temperatur. Hvor langt væk målefejlen kan ses, er afhængigt af IRkildens størrelse og temperatur. Målefejlen strækker sig ikke mere en ca. 1 m fra en nordvæg af kanalplader. Grunden til at kunstlyslamperne (som er meget varme) ikke er så stor en fejlkilde ved IR-målinger, men at en væg af kanalplader (som ikke er særligt varm) er, er forskellen i fysisk størrelse. En lampe i loftet er en lille punktkilde for IR-stråling, men en væg er en meget stor IR-kilde, hvis målingen laves tæt på væggen. Den vigtigeste forstyrrelse af IR-målingerne om vinteren stammer fra gardinerne. Baggrundsstrålingen i væksthuset ændres kraftigt, når gardinerne trækkes for pga. det store areal de dækker. Hvordan baggrundsstrålingen ændres afhængiger af årstiden. Det er muligt, at vinduesglasset kan opvarmes om sommeren, så at baggrundsstrålingen bliver højere fra glasset. Ved vores målinger steg baggrundsstrå- 20(22)

21 lingen når gardinerne blev trukket for, da de er varmere end vinduesglasset. Med gardiner var objektstemperaturen for tape og Al 2O 3-substratet indenfor ca +/- 0,5 C af lufttemperaturen. Uden gardin lå objektstemperaturen konsekvent 0,5 2,0 C under lufttemperaturen. Da disse objekter er døde, har de samme temperatur som luften, når temperaturligevægt er opnået. De tekniske målinger giver en god baggrund for at trække disse konklusioner mht. forstyrrende IR-kilder i målemiljøet. Vi mangler dog at lave målinger på planter, der kan verificere konklusionerne, men vejret på måledagene har ikke været varierende nok, for at tillade en verificering udfra eksisterende data. Måling af plantetemperatur I traditionel væksthusproduktion styres klimaet efter lufttemperaturen. Med den nyeste forskning indenfor klimastyring, fokuseres der mere og mere på plantens egen temperatur, da den nye type klimastyring tager højde for plantens metaboliske aktivitet i forhold til klimaet, primært lufttemperaturen. I tidligere forsøg med dynamisk klimastyring er der blevet observeret bladtemperaturer med op til +/- ca 5 C afvigelse i forhold til lufttemperaturen. Denne afvigelse afhænger af både strålingsklimaet i væksthuset, plantens vandbalance og dens metaboliske aktivitet. I tomatproduktion arbejder man med justeringer af setpunktstemperaturen i størrelseorden 0,5 C (Anker Kuehn, DEG GreenTeam, pers. komm.). Da så små forskelle i lufttemperaturen tillægges betydning i tomatproduktion, må de temperaturforskelle mellem blad- og lufttemperaturen, og de temperaturgradienter som vi har observeret i dette projekt, potentielt have en meget stor betydning for optimering af væksthusproduktion af potteplanter og grønsager. Hvis man skal styre klimaet efter plantetemperturen, hvordan skal den måles? For generel klimastyring har man brug for at måle plantens middeltemperatur. Ved dynamisk klimastyring tillades mere ekstreme temperaturer i væksthuset for at udnytte plantens hele produktionskapacitet i forhold til klimaet. Det vil gøre det nødvendigt at også registrere maksimums- og minimumstemperaturen i planterne, primært for gardinstyring. Det er nødvendigt at forhindre fx. svidning af planterne ved høj temperatur i væksthuset, eller nedslag på planterne når gardinerne fjernes, hvilket øger risikoen for kondens og efterfølgende svampeangreb. De termografier af seks plantearter med forskellige skudarkitekturer og bladtyper peger på flere komplikationer mht. måling af plantetemperaturen, i væskthuse. Den største komplikation er de temperaturgradienter, der dannes i det øjeblik planten oplever direkte sol. I disse termografier er der fundet temperaturgradienter op til 9 C. De eksponerede blade er de vigtigeste fra et produktionssynspunkt, da de er unge, udvoksne, på top mht. metabolisk aktivitet, men også følsomme pga. deres eksponerede position. Behov for fremtidig forskning For implementering af IR-målinger i væksthuserhvervet, er det nødvendigt at arbejde videre efter to parallelle linjer en teknisk/fysisk og en plantefysiologisk. Dette projekt viser dog, at det er afgørende at der arbejdes efter disse to forskningslinjer i et fælles projekt, da der har været en betydende synergieffekt ved at lade ingeniører og biologer/hortonomer arbejde sammen. 21(22)

22 Inden for den teknisk/fysiske linje har vi identificeret en række fysiske faktorer der kan slettes fra listen over fejlkilder ved IR-målinger. Der er primært behov for at undersøge forskellen i strålingsbaggrunden med og uden gardiner i en hel vækstsæson, for at tage højde for årstidsvariationerne. Der skal man også tages stilling til, om årstidsvariationerne skal kompenseres for vha. matematiske modeller eller ved fysiske målinger af baggrundsstrålingen. Her er også IR-sensorernes målevinkel vigtig ift. hvilken plantetemperatur man skal måle (middel- eller ekstremtemperaturer). Med den nuværende og fremtidige energisituation, vil fremtidens væksthus være mere lukket end idag. Derfor kommer identificering af maksimumstemperaturen i planterne at blive en kritisk faktor i fremtidens klimastyring. Indenfor en planefysiologiske linje findes der hel vifte af problemstillinger der ikke er klarlagt. Hvor store er temperaturgradienterne i planterne ved direkte sol, overskyet eller sol med gardiner? Kan plantearterne grupperes i funktionelle grupper mht. plantetemperaturen? Vores målinger antyder, at det kan være tilfældet. Hvor meget afviger bladtemperaturen fra lufttemperaturen under forskellige klimaforhold? Der er set op til +/- 5 C målt som middeltemperatur. Hvor stor effekt har plantens vandbalance på disse afvigelser mellem plante- og lufttemperaturen? Hvor stor effekt har plantens vandbalance på temperaturgradienterne i planten? Disse spørgsmål er også vigtige i forbindelse med udvikling af funktionelle IRsensorer for erhvervet, specielt mht. målevinklen. Er der muligt at måle middel-, minimums- og maksimumstemperaturen i planterne på en effektiv måde? Erfaringerne fra dette UCAA-projekt føres videre i projektet Temperaturmåling og fysiologi i CAM-planter Teknologiudvikling fra DFFE og i Andrea Andreassens Phd-projekt i Prydplantepakken, Teknologiudvikling - Klimaværktøj til implementering af projektets resultater, fra DFFE. Der føres også diskussioner om evt. kommende forskningsansøgninger som mere specifikt skal fokusere på måling af plantetemperatur på C 3-planter. Litteraturliste Ehrler, W.L., Idso, S.B., Jackson, R.D. og Reginato, R.J. (1978) Wheat canopy temperature: Relation to plant water potential. Agr. J. 70: Hansen, Jørn Fly og Dziegiel, Lars Bo (2004) Slutrapport i UCAA-projektet "Termovision". Hatfield, J.L. og Burke, J.J. (1991) Energy exchange and leaf temperature behavior of three plant species. Envirn. Exp. Bot. 31(3): Gates, D.M. og Papian, L.V.E (1971) Atlas of energy budgets of plant leaves. Academic Press, London. Johansen, Christian Klit (2005) "Bladtemperatursporing med termografi", Speciale ved IOT. 22(22)