Wellentheorie - Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Uni Rostock
Wellentheorie - Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Uni Rostock
Wellentheorie - Institut für Allgemeine Elektrotechnik, Uni Rostock
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<strong>Wellentheorie</strong><br />
Transversalwelle<br />
Longitudinalwelle<br />
• das Verhalten einzelner Wellen oder Wellengruppen: Wellenart, Wellenfrequenz<br />
(=1/Wellenperiode), Wellenlänge, Wellengeschwindigkeit<br />
• das Ausbreitung einzelner Wellen oder Wellengruppen: Wellengeschwindigkeit,<br />
Gruppengeschwindigkeit, Dispersion<br />
• die Interaktion mehrerer Wellen oder Wellengruppen: Reflexion, Interferenz, Brechung,<br />
Beugung, Polarisation<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Überlagerung von Sinuswellen<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Räumliche Überlagerung von mehreren bereits überlagerten Sinuswellen<br />
Räumlich angeordnete Pegel mit Fourieranalyse?<br />
Wellenbeschreibung<br />
• Wellenausbreitungsrichtung ,<br />
• Wellenhöhe H,<br />
• Wellenlänge L, die mit der Wellenperiode T zumindest über die<br />
• Wassertiefe d verknüpft ist.<br />
• relative Wassertiefe d/L<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
d ><br />
L<br />
1<br />
2<br />
1<br />
20<br />
<<br />
d<br />
L<br />
<<br />
1<br />
2<br />
d <<br />
L<br />
1<br />
20<br />
Das Fortschreiten einer Welle ist also nur in der Weitergabe der Energie zwischen den Teilchen begründet,<br />
das Wasser selbst wird nicht von der Stelle bewegt!!!<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Das Gesetz der Massenerhaltung führt auf die Kontinuitätsgleichung, ist das Fluid<br />
reibungs- und wirbelfrei, kann hieraus die Laplace-Gleichung:<br />
Δφ =<br />
∂<br />
2<br />
∂x<br />
φ<br />
2<br />
+<br />
∂<br />
2<br />
∂y<br />
φ<br />
2<br />
+<br />
∂<br />
2<br />
∂z<br />
φ<br />
2<br />
=<br />
0<br />
abgeleitet werden, mit der sich das Geschwindigkeitsfeld der gesamten Strömung berechnen läßt.<br />
Das Gesetz der Energieerhaltung führt auf die Euler-Gleichung, mit der das Kräftegleichgewicht<br />
am Fluidelement beschrieben wird. Ihre Integration führt wiederum auf die<br />
instationäre Bernoulli-Gleichung:<br />
∂φ<br />
− +<br />
∂t<br />
1<br />
2<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂φ<br />
∂<br />
⎞<br />
⎟<br />
x ⎠<br />
2<br />
⎛ ∂φ ⎞<br />
+<br />
⎜<br />
y<br />
⎟<br />
⎝ ∂ ⎠<br />
2<br />
+<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
∂φ<br />
∂<br />
⎞<br />
⎟<br />
z ⎠<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
+<br />
p<br />
ρ<br />
+ gz=<br />
f (t)<br />
mit der sich das Druckfeld im gesamten Flüssigkeitsbereich berechnen läßt.<br />
Bezieht man die Zähigkeitskräfte ein, so kann aus der Euler-Gleichung<br />
die Navier-Stokes-Gleichung entwickelt werden. In dieser allgemeinsten Form sind beliebige<br />
Strömungsvorgänge darstellbar, ihre Lösung ist jedoch nur in besonderen Fällen möglich.<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Die Grundgleichungen zur Entwicklung der verschiedensten <strong>Wellentheorie</strong>n resultieren aus diesen<br />
Annahmen und setzen die jeweils aufgeführten Vereinfachungen voraus. Da die oben angegebenen<br />
Randbedingungen nichtlinear und darüber hinaus an der unbekannten freien Oberfläche zu erfüllen sind, läßt<br />
sich im allgemeinen keine geschlossene, analytische Lösung ableiten. Mit verschiedenen <strong>Wellentheorie</strong>n<br />
wird versucht, auf unterschiedliche Art Näherungslösungen <strong>für</strong> die Wellenkontur und das<br />
Geschwindigkeitspotential zu entwickeln. Ausgehend von den erläuterten Grundgleichungen der<br />
Wellenbewegung gibt es vier verschiedene Lösungsansätze:<br />
- Durch Eingrenzung der charakteristischen Parameter H/L, H/d, L/d werden die Differentialgleichungen linearisiert.<br />
Diese Vereinfachung führt dazu, daß die mathematische Lösung des Problems unkompliziert wird, was ein Grund <strong>für</strong> die<br />
weitverbreitete Anwendung dieser Theorie ist.<br />
- Die Differentialgleichungen werden durch Potenzreihenentwicklung um einen – verglichen mit den übrigen – kleinen<br />
Parameter gelöst. Bei Tiefwasserwellen führt eine Reihenentwicklung in Potenzen von H/L zu Lösungen, die als Stokes-<br />
Theorien bezeichnet werden. Hierbei ist der erste Term der Reihenentwicklung eine Lösung der linearisierten<br />
Gleichungen. Bei Flachwasserwellen führt eine Reihenentwicklung in Potenzen von H/d zu geeigneten Lösungen, wobei<br />
bereits der erste Term der Reihenentwicklung aus der Lösung nichtlinearer Gleichungen hervorgeht. Die Wellenparameter<br />
ergeben sich als elliptische Cnoidalfunktionen, die dieser Theorie auch den Namen geben.<br />
- Die Lösungen der Differentialgleichungen werden numerisch approximiert. Eine Möglichkeit ist die Annäherung der<br />
Stromfunktion an das gegebene Randwertproblem, was zur Streamfunction-Theorie führt.<br />
- Die Trochoidal-Theorie liefert unter bestimmten Annahmen eine exakte Lösung des Problems.<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Bereits bei der linearen <strong>Wellentheorie</strong> ist eine geschlossene Lösung nicht möglich, nach der Gleichung<br />
Wellenlänge L =<br />
g T<br />
2 ⎛ 2πd<br />
⎞<br />
tanh⎜<br />
⎟<br />
2π<br />
⎝ L ⎠<br />
kann die Wellenlänge nur iterativ bestimmt werden. Für Tiefwasser und Flachwasser vereinfacht sich diese<br />
Gleichung allerdings zu<br />
π<br />
Tiefwasserwellenlänge L =<br />
bzw.<br />
Flachwasserwellenlänge L =<br />
gT 2<br />
2<br />
gd<br />
T<br />
Woraus ersichtlich wird, daß die Wellenlänge im Tiefwasserbereich nur von der Wellenperiode T abhängig<br />
ist, während im flacheren Wasser auch die Wassertiefe d einen Einfluß auf die Länge der Welle hat.<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Die Wellenfortschrittsgeschwindigkeit kann nach der linearen <strong>Wellentheorie</strong> mit der Gleichung<br />
Wellenfortschrittsgeschwindigkeit c 2 =<br />
berechnet werden, <strong>für</strong> die beiden Grenzbereiche ergibt sich:<br />
Tiefwassergeschwindigkeit c 2 =<br />
Flachwassergeschwindigkeit c 2 =<br />
2<br />
ω<br />
k 2 2<br />
ω<br />
k 2<br />
=<br />
g<br />
k<br />
ω<br />
k<br />
2<br />
2<br />
= gd<br />
L<br />
=<br />
T<br />
g L<br />
=<br />
2π<br />
2<br />
2<br />
=<br />
g<br />
k<br />
tanh(kd)<br />
Die Wellen bewegen sich also im Tiefwasser mit einer Geschwindigkeit, die nur von der Wellenlänge (und<br />
damit direkt von der Periode) abhängig ist, während die Geschwindigkeit im Flachwasser nur von der<br />
Wassertiefe abzuhängen scheint. Fehler!<br />
Voraussetzungen:<br />
Das Medium ist reibungsfrei und inkompressibel, die Dichte ist somit konstant.<br />
Die Oberflächenspannung wird vernachlässigt.<br />
Der Druck an der freien Oberfläche ist konstant.<br />
Die Flüssigkeit ist ideal bzw. nicht viskos.<br />
Die betrachtete Welle wird nicht von anderen Wasserbewegungen beeinflußt.<br />
Der Boden ist eine horizontale und undurchlässige Schicht.<br />
Die Welle verändert ihre Form in Querrichtung nicht, sie wird als langkämmig angesehen. Das Phänomen<br />
wird also als zweidimensionales Problem betrachtet.<br />
Die Wellenbewegung wird als Potentialströmung angesehen.<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Mittlere Wellenanlaufrichtung a<br />
Winkel zwischen den Mittelwerten der den Wellenbergen<br />
zugeordneten Wechselanteilen der Strömungsgeschwindigkeitskomponenten<br />
(1/3 der höchsten Wellen berücksichtigt)<br />
a = arctan<br />
n /3<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
v<br />
yi<br />
n /3<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
v<br />
xi<br />
ν – Wechselanteil der Strömung beim<br />
Druckmaximum<br />
Wellenhöhe H<br />
H<br />
=<br />
2 p<br />
Rgρ<br />
p – Druckamplitude<br />
g– Erdbeschleunigung<br />
R - Übertragungsfaktor<br />
ρ<br />
-Dichte<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
R ist nach linearer <strong>Wellentheorie</strong>:<br />
z – vertikale Koordinate<br />
R<br />
=<br />
cosh[ k(<br />
d + z)]<br />
cosh( kd)<br />
k – 2Π/L Wellenzahl<br />
d – Wassertiefe<br />
L - Wellenlänge<br />
k bzw. L werden iterativ bestimmt:<br />
L<br />
=<br />
( g<br />
/<br />
2π<br />
) T<br />
2<br />
tgh(2π<br />
d<br />
/<br />
L)<br />
Spiegel vom 12.04.2005 Tsunami-Warnsystem <strong>für</strong> Italien:<br />
Zudem verankern die INGV-Forscher im tiefen Wasser 16 so genannte Tsunameter,<br />
die per Satellit Informationen über die Wellenhöhe liefern. Die Drucksensoren am<br />
Meeresboden, die mit Funkbojen an der Wasseroberfläche verbunden sind, registrieren<br />
zentimeterkleine Änderungen des Meeresspiegels. Denn auf offener See machen sich<br />
die Monsterwellen kaum bemerkbar. Erst in flachen Küstengewässern türmen sie sich<br />
zu ihrer Furcht erregenden Größe auf.<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Die Besatzung der "Discovery" hat "die größten Wellen erlebt, die bisher von wissenschaftlichen Instrumenten auf dem offenen Ozean<br />
aufgezeichnet wurden", heißt es im Fachblatt "Geophysical Research Letters„.<br />
Rekordverdächtiger Seegang<br />
Die Einzelwellen mit einer Höhe von bis zu 29,10 Metern vom Tal bis zum Kamm gehörten zu den höchsten jemals gemessenen. Bei der<br />
sogenannten signifikanten Wellenhöhe haben die Forscher nach eigenen Angaben sogar einen absoluten Rekord gemessen: 18,50 Meter.<br />
Die signifikante Wellenhöhe ist der Mittelwert des oberen Drittels der Wellen. Sie entspricht in etwa der Seegangshöhe, die erfahrene Seeleute<br />
mit bloßem Auge schätzen. Wichtiger als die bloßen Rekorde ist jedoch, wie die Wellen zustande kamen. "Sie wurden Nicht von extrem starken<br />
Winden verursacht", erklärt Holliday im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Als die größten Wasserberge die "RRS Discovery" getroffen hätten,<br />
habe die stärkste Phase des Sturms schon einen Tag zurückgelegen. Die Wissenschaftler glauben, dass ein Resonanzeffekt <strong>für</strong> das Entstehen<br />
der Monster verantwortlich war: Wellen und Wind hätten den Atlantik mit nahezu derselben Geschwindigkeit überquert. Der Sturm konnte<br />
demnach über lange Zeit effizient Energie in die Wellen pumpen und sie so zu Riesen aufbauen. "Die schnelle Steigerung der Wellenhöhe zu<br />
Beginn des Ereignisses spricht <strong>für</strong> diese Hypothese", heißt es in dem Artikel.<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
-Der Kaventsmann (eng. Rogue Wave), eine große, relativ schnelle Welle, die nicht der Richtung des normalen Seegangs folgt,<br />
-Die Drei Schwestern (engl. Three Sisters), drei schnell aufeinander folgende große Wellen, in deren schmalen Tälern Schiffe<br />
nicht den nötigen Auftrieb entwickeln können und dann von der zweiten oder spätestens dritten Woge überrollt werden.<br />
Es ist unklar, ob dieses Phänomen immer aus exakt drei Wellen besteht, oder ob Varianten mit zwei, vier oder fünf Wellen vorkommen,<br />
- Die Weiße Wand (engl. White Walls), eine sehr steile Welle, von deren Kamm die Gischt herabsprüht, gefolgt von einem tiefen Wellental.<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Messung der Wellenhöhe und Bewegungsrichtung:<br />
-piezoresistiv (Druckmessung)<br />
-Radar ( z.B. WERA)<br />
-Beschleunigungssensoren<br />
-GPS<br />
-Ultraschall<br />
WERA (WEllen RAdar)<br />
HF-Radar mit 4- bzw, 16- Antennen Anordnungen<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
AWAC<br />
acoustic wave and current profiler<br />
GPS – 1-2 cm<br />
Beschleunigung – 1 cm incl, GPS<br />
accelerometer assembly with pitch & roll sensors<br />
- HF radio system, Satellite and GSM options<br />
- internal batteries provide a continuous operation for up to 3 years<br />
?<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Die Nutzung der Wellenenergie:<br />
- Pneumatische Kammer: Nutzung der ein- und ausströmenden Luft in einer Kammer, in der sich der Wasserspiegel<br />
durch eine Verbindung zum Meer hebt und senkt, durch einen Windgenerator<br />
- Relativbewegung von Schwimmkörpern – Seeschlange – zueinander oder zum Ufer. Die Bewegung wird dabei meist über<br />
hydraulische Systeme umgesetzt, die den Generator antreiben.<br />
- Nutzung der potenziellen Energie (Höhenenergie) auflaufender Wellen auf eine Rampe (Wave Dragon)<br />
- Nutzung des ansteigenden Meeresbodens vor der Küste in Wassertiefen von 8-23m (Wave Roller)<br />
- Bewegliche Platten, Tore oder Flossen<br />
25-40% im Jahresmittel von 750kWh<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke<br />
WG: 0,4 – 0,7<br />
Anlauf durch Generator
Wave Roller<br />
Wave Dragon<br />
Offshore-Kraftwerk in Dänemark<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Use of linear generators<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Thermal energy<br />
Alternative energy sources<br />
•Seebeck effect<br />
•1,75 µW per Chip (10x0,5 mm)<br />
•5° K<br />
Current energy<br />
•piezoelectric foils<br />
•Wells-turbine<br />
energy harvesting<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vibrations-Harvester<br />
Enerchip Energy Harvesting Modul CBC5300<br />
2 x 50 µAh<br />
rechargeable chip<br />
Batterien<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Prinzip des Energy Harvesting aus maritimen Sediment<br />
-Aktivität von Mikroben in anaeroben Schichten des maritimen Sediments<br />
(Lebensweise von Organismen, die zum Leben keinen freien Sauerstoff benötigen,<br />
und <strong>für</strong> eine chemische Reaktionsweise, die unter Ausschluss von Sauerstoff abläuft)<br />
- Bewuchs, Temperaturabhängigkeit, Elektrodenmaterial Platin<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Optische Sensoren in der maritimen Messtechnik<br />
- gelöster Sauerstoff<br />
- spektrale Unterwasserlichtfelder<br />
- Trübung<br />
- Floureszens<br />
Messung der Athmosphäre und Strahlung<br />
eines schwarzen Körpers<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Sonnenuntergang<br />
Sonnenfinsternis<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Brillen <strong>für</strong> eine Sonnenfinsternis<br />
Neonlicht<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Messung an der Odertonne Sept. 99<br />
00-06 2m<br />
07-15 8m<br />
16-23 14,5m<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Messung an der Darßer Schwelle Sept. 99<br />
00-06 2m<br />
07-10 10m<br />
10-17 18m<br />
Violett 455 - 390<br />
Blau 492 - 455<br />
Grün 577 - 492<br />
Gelb 597 - 577<br />
Orange 622 - 597<br />
Rot 780 - 622<br />
Sonnenmaximum 550<br />
menschliches Auge 555<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Trübung<br />
Absorbtion, Brechung, Streuung<br />
I = I o<br />
e -αx<br />
Lambert - Beer’sche Gesetz<br />
I - transmittierte Intensität<br />
α - Extinktionskoeffizient<br />
x - Schichtdicke<br />
α = n C ext<br />
gleichartige Partikel n - Partikelanzahl je Volumeneinheit<br />
α = Σ i<br />
n i<br />
C exti<br />
C ext<br />
= C abs<br />
+ C str<br />
C ext<br />
- Extinktionsquerschnitt<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Formazin (C2H4N2) besteht aus Hexamethylentetramin und Hydrazinsulfat<br />
4000 TEF = 4000 -<br />
FAU Formazine Attenuation <strong>Uni</strong>ts – Durchlichtmessung (Winkel 0°)<br />
FNU Formazine Nephelometric <strong>Uni</strong>ts – Streulichtmessung (Winkel 90°)<br />
FTU Formazine Turbidity <strong>Uni</strong>t – in der Wasseraufbereitung verwendete Einheit<br />
NTU Nephelometric Turbidity <strong>Uni</strong>t – Messung bei 90°, USA, identisch mit FTU<br />
TE/F Trübungseinheit/Formazin – deutsche Einheit, die in der Wasseraufbereitung verwendet wird<br />
Kalibrierung über Sekundärstandards!<br />
IR-<br />
Lichtstrahl<br />
Sender<br />
LED S1<br />
Referenz<br />
-diode<br />
D-L<br />
rel. Trübung<br />
streuende<br />
Partikel<br />
Empfangsdiode<br />
D-M<br />
Zeit<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Einsatzgebiete:<br />
• Biotechnologie - Zelldichte-Wachstumskurven<br />
• Lebensmitteltechnologie - Sterilitätskontrolle, Flockung, Trübung<br />
• Chemie - Kristallisationsüberwachung, Filterüberwachung, Feststoffbestimmung<br />
• Wasserüberwachung - Trinkwasser, Abwasser<br />
Medium<br />
Trübungswert (NTU)<br />
Sauberstes Wasser 0,03<br />
Trinkwasser 0,05–0,5<br />
Abwasser 100–2000<br />
Formazin 4000<br />
Milch (1,5 % Fett) 50000<br />
Kläranlagenablauf 0,5-10<br />
Zeit in Wochen<br />
Trübungsverlauf der Elbe vom 02.12.91 bis 27.12.91<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Nephelometrische Messung<br />
Durchlichtmessung<br />
Ratio-Methode<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Fluoreszenz<br />
Die Emission von Fluoreszenzlicht erfolgt vom angeregten Zustand mit der geringsten Energie (S1)<br />
aus (Kasha Regel).<br />
Das Fluoreszenzlicht ist daher immer langwelliger als das eingestrahlte Anregungslicht.<br />
Eine Übersicht über diese Prozesse und Zusammenhänge gibt das Jablonski Diagramm:<br />
fluoreszierende Mineralien<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Biochemie und Medizin<br />
Klassifizierung von Bakterienkulturen und Algen<br />
Sequenzierung derDNA<br />
Sensitiver Marker <strong>für</strong> Moleküle<br />
Diagnostik von Stoffwechselerkrankungen<br />
Bestimmung der Photosyntheseaktivität<br />
Fluoreszenzmikroskopie<br />
Mineralogie, Gemmologie (Edelsteinkunde) und Forensik<br />
Kosmische Strahlung<br />
HochenergetischeStrahlung regen die Stickstoffmoleküle der Luft an, so dass diese Fluoreszenzlicht ausstrahlen.<br />
Biologie und Paläontologie<br />
Die Cuticula der Skorpione fluoresziert bei Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlung. Auch nach dem Ableben.<br />
Fische, haben rot fluoreszierende Muster als Teil der Körperfärbung oder rot fluoreszierende Augen.<br />
Auch in der Paläontologie nutzt man Fluoreszenz zum Auffinden und zur Untersuchung von zahlreichen Fossilien<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Ein eindrucksvolles Beispiel <strong>für</strong> einen natürlich vorkommenden Fluoreszenzfarbstoff bildet das Aesculin<br />
aus der Roßkastanie. Man braucht nur einen abgeschnittenen Kastanienzweig in ein Glas mit Wasser stellen<br />
und mit einer UV-Lampe (366 nm) bestrahlen. Man kann dabei beobachten, wie eine hellblau fluoreszierende<br />
Substanz aus dem Zweig austritt und sich im Wasser löst.<br />
Eine weitere fluoreszierende Stoffklasse bilden die Protoberberin - Alkaloide mit dem dem Berberin<br />
als bekanntesten Vertreter. Protoberberin - Alkaloide gehören zu den am weitesten verbreiteten<br />
Isochinolin - Alkaloid - Typen. Sie kommen in Berberis- und Mahonia- Arten vor (z. B. Berberitze).<br />
Schöllkraut mit seinem durch Berberin gelb/orange gefärbten Milchsaft.<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Anregungslichtquelle<br />
mit Optik und Filter<br />
Untersuchung von Fließwegen und Transportvorgängen mittels Tracern<br />
(Uranin, Sulforhodamin, Naphthionate)<br />
• Biosensor <strong>für</strong> Umweltparameter in Gewässern z.B. Analyse der Photosyntheseaktivität<br />
von Algen<br />
I F<br />
= I A<br />
φ F<br />
= I o<br />
φ F<br />
( 1 - exp -εCx ) I A<br />
- in der Meßstrecke absorbierte Intensi<br />
ε - Extinktionskoeffizient<br />
I o<br />
- eingestrahlte Intensität<br />
Photomultiplier mit C - Konzentration des Tracers<br />
Emissionsfilter x - Meßlänge<br />
I/U-Wandler mit<br />
Verstärker u. Filter<br />
φ F<br />
- Quanteneffizienz, Verhältnis der<br />
Lichtquanten<br />
Duplex-Lichtleiterkabel<br />
Fluoreszenzanregung<br />
Einkoppelwinkel des<br />
Empfängerlichtleiters<br />
Messvolumen<br />
Schematischer Aufbau eines Lichtflourometers<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Seapoint Chlorophyll Fluorometer (SCF)<br />
- low power instrument for in situ measurements of chlorophyll<br />
- 6000 meter depth<br />
- open or pump-through sample volume options<br />
- modulated blue LED lamps and a blue excitation filter to excite chlorophyll<br />
- fluorescent light emitted by the chlorophyll passes through a red emission filter and is detected by a<br />
silicon photodiode<br />
- output voltage proportional to chlorophyll concentration<br />
APPLICATIONS<br />
• Profiling, Moored, Towed, or In-Line Measurements<br />
• Water Quality Monitoring<br />
• Biomass and Nutrient Studies<br />
• Environmental Stress Tolerances<br />
• Lake and Watershed monitoring<br />
• Ocean Science and Research<br />
• Aquaculture<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Lidar<br />
Light Detection and Ranging<br />
- aus größerer Entfernung wird Wasserqualität analysiert und Ölverschmutzungen oder<br />
Algenkonzentrationen detektiert<br />
- schmalbandiger Laser induziert Floureszens verschiedenster Materialien<br />
- Chl A bei 430nm, B bei 480nm, DOM - dissolved organic matter bei 310nm,<br />
Öle und Benzin liegen in etwa auch in diesem Bereich<br />
- aktive und passive Verfahren, passiv z.B. Infrarotspektroskopie<br />
- 3D wird bei einer festgelegten Intensität in 2D gewandelt<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke<br />
Dynamic Luminescence Quenching
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Beispiele optischer Biosensoren:<br />
• Mach-Zehnder Interferrometer<br />
• Charakterisierung von biologischen Schichten mit der spektralen Ellipsometrie<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
• Photothermischer Sensor - Konzentrationsänderung eines Elektrolyten wird in eine Ortsablenkung<br />
bzw. Strahlaufweitung eines Lichtzeigers übertragen<br />
- Meßprinzip beruht auf Absorption durch die Probe<br />
- absorbierte Lichtenergie wird in Wärme umgewandelt, welche eine Dichte änderung ergibt<br />
- Dichteänderung hat eine Druckwelle zur Folge, die bei der Photoakustik detektiert wird<br />
- Dichteänderung bewirkt allerdings auch eine Brechungsindexänderung, die durch<br />
Überlagerung eines zweiten Laserstrahles detektiert werden kann<br />
- zentrischer Detektionsstrahl erfährt Aufweitung, wie Konkavlinse<br />
- TL- Verfahren,“thermische Linse“, zentrisch, PDS-Verfahren, „Photothermischer Ablenkung“<br />
- es lassen sich z. B. Schwermetalle und Pestizide detektieren<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Biomonitore<br />
PC-Schnittstelle<br />
1 Wassererfassung<br />
2 Pumpe<br />
3 Temperaturregelung<br />
4 Strömungsausgleich<br />
5 Entgasung<br />
6 Lichtquelle<br />
7 Sauerstoff-Sensor<br />
8 Algen<br />
9 Wasserauslauf<br />
10 Fieberoptik<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Macro Flow Planktometer<br />
- dient der automatischen Erfassung der Eigenchaften von Plankton und Fischlarven<br />
- Organismusgröße und Floureszenzeigenschaften werden bestimmt<br />
- Zählung von Bevölkerungsdichten und Überlebensraten<br />
- Quantifizierung von floureszierenden Darminhalten <strong>für</strong> Rückschlüsse auf Freßgewohnheiten<br />
- Organismusgröße wird über elektrisches Widerstandsänderungsprinzip erfaßt<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Feuchte - Anwendungsbereiche<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
Wohn- und Büroräume 40-65%<br />
Forstwirtschaft<br />
Lagerhaltung von Lebensmitteln<br />
(Humidor)<br />
Landwirtschaft<br />
Musseen<br />
Mikroelektronik-Fertigung<br />
Bauphysik, Dampfsperren<br />
Pflanzen betauen nachts eher als der Erdboden<br />
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Rainer Jaskulke
absolute Sättigungsfeuchte A = p s<br />
/R w<br />
T . 10 5 /g m -3 R w<br />
= 461,51 J kg -1 K -1<br />
Vol.%<br />
Gew.%<br />
Luft: Stickstoff N 2<br />
78,03 75,47<br />
Sauerstoff O 2<br />
20,99 23,20<br />
Argon Ar 0,93 1,28<br />
Kohlendioxid CO 2<br />
0,03 0,04<br />
H 2<br />
, Neon, Helium,<br />
Krypton 0,02 0,01<br />
Gesamtdruck = Teildruck der trockenen Luft + Teildruck des Wasserdampfes<br />
Sättigungsdampfdruck p s = C 1<br />
e<br />
C2T<br />
C3 + T<br />
/ hPa C 1 = 6,1078 hPa<br />
C 2 = 17,08085<br />
C 3 = 234,175 °C<br />
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Gaskonstante <strong>für</strong> Wasserdampf
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absolute Luftfeuchte<br />
a =<br />
Masse des Wasserdampfes<br />
Volumen der feuchten Luft<br />
a<br />
p 5<br />
−3<br />
= ⋅10<br />
/ g m<br />
R<br />
p<br />
W<br />
T<br />
Mischverhältnis<br />
r =<br />
p p<br />
– Partialdruck Wasserdampf<br />
Masse des Wasserdampfes<br />
Masse der trockenen Luft<br />
Sättigungsmischverhältnis<br />
spezifische Luftfeuchte<br />
q =<br />
Masse des Wasserdampfes<br />
Masse der feuchten Luft<br />
spezifische Sättigungsfeuchte<br />
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tatsächlicher Wasserdampfdruck p<br />
p<br />
relative Luftfeuchte rF =<br />
= ⋅100<br />
/ %<br />
max. möglicher Wasserdampfdruck p<br />
Taupunkt/ Taupunkttemperatur<br />
Sättigungsfeuchte in Abhängigkeit<br />
von der Temperatur<br />
T/°C<br />
-40 0,077<br />
-30 0,232<br />
-20 0,641<br />
-10 1,618<br />
0 3,822<br />
10 7,727<br />
20 14,88<br />
30 27,55<br />
40 49,52<br />
50 87,52<br />
60 154,71<br />
70 281,50<br />
Sättigungsfeuchte in g/kg Luft<br />
T<br />
ln<br />
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p<br />
C<br />
p<br />
1<br />
p<br />
= C3<br />
- bei neg. T Reifpunkt<br />
p<br />
p<br />
C2<br />
− ln<br />
C1<br />
s
Traditionelle Messung der Feuchte<br />
Hygrometer:<br />
- Absorbtionshygrometer (Haarhygrometer, kapazitive Sensoren, Impedanzsensoren)<br />
-Psychrometer<br />
- Tauspiegelhygrometer<br />
- chemische Feuchtigkeitsindikatoren (Farbwechsel bei bestimmten Feuchtigkeitsgraden)<br />
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Rainer Jaskulke
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Schleuderpsychrometer
Erste Haarhygrometer 1783von Horace-Benedict de Saussure (ein blondes Frauenhaar)<br />
1820, John Frederic Daniell Messung der Luftfeuchtigkeit über den Taupunkt<br />
1877 Bifilar-Hygrometer von Wilhelm Klinkerfuesmit zwei parallel gespannten Menschenhaaren<br />
1887 erstes Psychrometer von Richard Aßmann<br />
Die abgestorbenen Hüllblätter der Silberdistel (Wetterdistel) nehmen<br />
bei Erhöhung der Luftfeuchtigkeit an der Blattunterseite<br />
mehr Wasser auf als an der Blattoberseite. Dadurch<br />
krümmen sich die Hüllblätter nach oben.<br />
Schließen sich die Hüllblätter, ist Regen zu erwarten.<br />
Anhauchen genügt, um die erste Aufrichtebewegung auszulösen.<br />
4 Zugfeder<br />
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Feuchtesensor mit<br />
Feuchtefaser<br />
1 Band aus feuchteempfindlicher Faser<br />
2 Ferritkern<br />
3 Differentialtrafo
Tauspiegelmeßzelle<br />
1 Tauspiegel<br />
2 Peltierelement<br />
3 Lampe<br />
4 Strahlungsdetektor<br />
5 Wärmeisolierung Struktur eines Aluminiumoxid-Sensorelementes<br />
Für Abgleichzwecke sind folgende Salzlösungen geeignet:<br />
Lithiumchlorid LiCl 11,31 % rF<br />
Magnesiumchlorid MgCl 2<br />
*6H 2<br />
O 33,07 % rF<br />
Magnesiumnitrat Mg(NO 3<br />
) 2<br />
*6H 2<br />
O 54,38 % rF<br />
Natriumchlorid NaCl 75,47 % rF<br />
Kaliumchlorid KCl 85,11 % rF<br />
Kaliumnitrat KNO 3<br />
93.00 % rF<br />
Kaliumsulfat K 2<br />
(SO 4<br />
) 97,00 % rF<br />
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kapazitiver Feuchtesensor<br />
- relative Feuchte, Temperatur, absolute Feuchte, Mischungsverhältnis, Taupunkt<br />
- analog, 232, 485,USB<br />
Ansprechzeit 4-10 s<br />
Ausgang: Capacitance Value<br />
Bereich, Messung: 0% to 100% RH<br />
Frequenz, Betriebs- max.: 100kHz<br />
Frequenz, Betriebs- min.: 0Hz<br />
Kapazitätswert: 330pF<br />
Länge, Anschluß: 8.5mm<br />
Außenlänge/höhe: 10.18mm<br />
Sensitivität: 0.60pF/%RH<br />
Spannung, Versorgung: 5V ac<br />
Ansprechzeit: 15s<br />
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Auswertung der Kapazität<br />
Mit C A wird ΔU = 0<br />
<strong>für</strong> ΔC = 0 eingestellt.<br />
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M1 synchronisiert M2
SHT71<br />
5x20 mm<br />
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45 cm<br />
Batterie<br />
30 cm 30 cm<br />
Pegel<br />
180 cm<br />
Pegel<br />
Temperatur Windwatt<br />
Strömung<br />
Leitfähigkeit<br />
Niro-Gestell<br />
Seitenansicht Windwatt - Messsystem<br />
Batterie<br />
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Draufsicht Niro-Gestell
• Versorgungsspannung 8-28V<br />
• Stromaufnahme 4mA bei 12V<br />
• Bipolares Wechselspannungssignal<br />
• externer Referenzwiderstand zur Anpassung<br />
an Flüssigkeitswiderstand<br />
• Anwendung in Getränkespendern, Aquarien,<br />
Waschmaschinen etc.<br />
Feuchtigkeitsgrenze im Sand kann auch noch bei<br />
Leitungswasser nachgewiesen werden.<br />
LM1830<br />
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Bedingungen an das Messverfahren:<br />
• kontinuierliche Messwertaufnahme<br />
• geringe Leistungsaufnahme<br />
• Robustheit gegenüber mechanischen/wetterbedingten Einwirkungen<br />
• niedriger Kostenaufwand<br />
• Meerwasserbeständigkeit<br />
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Permittivitätszahl fester und flüssiger Isolierstoffe bei 20°C <strong>für</strong> Frequenzen
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U<br />
U 0<br />
Δt<br />
t<br />
U 0<br />
T<br />
t 1<br />
t 2<br />
t<br />
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U 0<br />
R 1<br />
4 8<br />
Reset<br />
U 0<br />
7<br />
Discharge<br />
Output<br />
3<br />
R 2<br />
TLC555<br />
Δt<br />
6<br />
Threshold<br />
Control<br />
5<br />
2<br />
Trigger<br />
GND<br />
T<br />
C x C Ref<br />
1<br />
C 1 C 2 C 3<br />
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SOLAR PANEL 2.4VDC 80mA with DC/DC voltage boost converter<br />
JTAG connector for direct plug in MSP430 2x7 JTAG connector to provide power for the target board<br />
suitable for up to 800mAh rechargeble battery, 800mAh battery will be charged to 100%<br />
if MSP430-SOLAR is left for 10 hours on sun light<br />
Dimensions: 56x48 mm (2.2x1.9")<br />
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Elektronische Nase<br />
- eine Reihe unterschiedlicher Sensoren liefert ein Signalmuster (Fingerprint)<br />
- Sensorelemente sind z. B. Schwingquarze, die mit unterschiedlichen gassensitiven<br />
Materialien beschichtet sind<br />
- Kombination der elektronischen Nase mit neuronalen Netzen<br />
- Netz wird mit Eingangsdaten und erwarteten Ausgangsdaten trainiert<br />
- Anwendungen: Qualitätskontrolle bei Lebensmitteln (Frischfleisch), Parfümproben,<br />
bedruckten Lebensmittelverpackungen (Druckfarben duften!), Milchwirtschaft, Brauereien,<br />
Kontaminationskontrollen auf der ISS, Medizinische Diagnostik (Atemproben)<br />
Vorlesung Biologische Messtechnik/Sensorik<br />
Rainer Jaskulke
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Biosensoren ?<br />
Biosensoren<br />
- chemische Sensoren, die zur Detektion von biochemischen Reaktionen<br />
eingesetzt werden<br />
- sprechen spezifisch auf biologisch relevante Substanzen an<br />
- Sensoren z. B. Clark-Zellen, Fluoreszenssensoren, ionenspezifische<br />
Elektroden usw.<br />
Definition nach Meyers <strong>Uni</strong>versallexikon<br />
Geräte zur Messung physikalischer und chemischer Lebensvorgänge an und in Lebewesen, wie<br />
z. B. Atmung, bioelektrische Potentiale (EKG, EEG), Blutdruck, Herzfrequenz,<br />
Körpertemperatur, Magensalzsäure und Darmbewegungen. Diese Vorgänge werden durch<br />
entsprechende Messfühler (z. B. Elektroden, Druckwandler, Thermometer) in elektrische<br />
Signale umgewandelt, elektronisch verstärkt und gewöhnlich kurvenmäßig aufgezeichnet.<br />
Neuere Definition<br />
Der Biosensor ist ein technischer Aufbau (technisches Bauteil), bei dem über selektive Vorfilter<br />
(Barrieren) die Analyten (Mess-Substanzen) über biochemische Komponente (immobile<br />
Rezeptoren: z.B. Enzyme, Antikörper oder Mikroorganismen) unmittelbar über elektrische<br />
Signal- Wandler (Transducer: z.B. Elektroden, optischen Fasern, Piezokristalle oder MOS-FET)<br />
in elektrische Signale umgewandelt werden und über nachfolgende Anpasselektroniken dann<br />
analogen und digitalen Signalverarbeitungen und -auswertungen zugeführt werden.<br />
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Physikalischer Parameter Wirkprinzip Parameter + Prinzip Mensch<br />
Temperatur optisch thermoresistiv Fingerspitzen<br />
Druck kapazitiv thermoelektrisch Augen<br />
Feuchte induktiv piezoresistiv Ohren<br />
Leitfähigkeit resistiv piezoelektrisch Nase<br />
Strömung akustisch thermooptisch?<br />
Sauerstoff<br />
biologisch?<br />
pH-Wert<br />
chemisch<br />
. . . mechanisch<br />
Weitere Klassifizierungsmöglichkeiten:<br />
• passiv, aktiv<br />
• analog, digital<br />
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Rainer Jaskulke
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Bakterientoximeter „Toxalarm“<br />
Testorganismus Pseudomonas putida DSM 550026<br />
Meßkriterium Hemmung der bakteriellen Sauerstoffzehrung<br />
Testablauf<br />
Gleichmäßiger Zufluß von Bakteriensuspension in die Meßzelle.<br />
Testwasser wird durch Bakteriensuspension verdünnt. Bei toxischen Stoffen steigt der<br />
Sauerstoffgehalt in der Meßzelle entsprechend dem Schädigungsgrad der Bakterien an.<br />
Maße<br />
144 x 76 x 72 cm<br />
Gewicht<br />
120 kg<br />
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Algentest „IWF-Fluorometer“<br />
Testorganismus Grünalge (Chlorella vulgaris)<br />
Meßkriterium Veränderung der Chlorophyll a-Floureszenz<br />
Testablauf<br />
Messung der Floureszenz vor und nach Zugabe der Wasserprobe. Messung<br />
der Eigenfloureszenz in der Wasserprobe.<br />
Maße 2 x 60 x 50 x 50 cm (Flourometer, Algenkultur)<br />
Gewicht 2 x 55 kg<br />
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Dynamischer Daphnientest<br />
Testorganismus Wasserfloh (Daphnia magna)<br />
Meßkriterium Änderung des Schwimmverhaltens<br />
Testablauf<br />
Schwimmaktivität in 2 Testkammern von jeweils 20 Daphnien wird<br />
mit Infrarotsensoren überwacht. Erfassung in Form von Impulsen.<br />
Maße<br />
100 x 60 x 65 cm<br />
Gewicht<br />
75 kg<br />
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Muscheltest „Dreissena-Monitor“<br />
Testorganismus Zebramuscheln (Dreissena polymorpha)<br />
Meßkriterium Öffnungszustand und Schalenbewegung der Zebramuschel<br />
Testablauf<br />
Kleine Magneten und gegenüberliegende Reedkontakte werden an den Muschelspitzen<br />
angeordnet. So kann von 2 x 42 Muscheln in zwei Durchflußgerinnen gemessen werden,<br />
ob Schalen geöffnet oder geschlossen sind. Anteil der geöffneten Muscheln und Anzahl<br />
der Schalenbewegungen werden berechnet. Vergleich mit Normalverhalten der Muscheln.<br />
Maße<br />
40 x 120 x 60 cm<br />
Gewicht<br />
30 kg<br />
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WRC-Fischmonitor<br />
Testorganismus Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss)<br />
Meßkriterium Kiemendeckelschlagfrequenz<br />
Testablauf<br />
8 Fische werden einzeln in Becken exponiert. Am Beckenrand befestigte Elektroden nehmen<br />
die elektrischen Signale der Fischmuskulatur auf. Spezielle Software selektiert die Signale<br />
der Kiemendeckelmuskulatur. Aktuelle Meßwerte werden mit den Daten der letzten 2 Stunden<br />
verglichen.<br />
Maße<br />
200 x 220 x 800 cm<br />
Gewicht<br />
1500 kg<br />
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Rainer Jaskulke
Fischtest „Aqua-Tox-Control“<br />
Testorganismus Goldorfe<br />
Meßkriterium Veränderung des rheotaktischen Schwimmverhaltens<br />
Testablauf<br />
3 Goldorfen werden in einem Durchflußbecken gehalten in dem Test- und Ruhephasen<br />
aufeinanderfolgen. Während der Testphase wird die Strömungsgeschwindigkeit erhöht.<br />
Entsprechend ihrem natürlichen Verhalten richten sich die Fische aus und behalten ihre<br />
Position bei. Bei toxischen Wasserinhaltsstoffen driften sie gegen ein Reaktionsgitter am<br />
Auslauf und lösen dort Impulse aus. Anzahl der Impulse pro Testphase dient als Meßgröße<br />
<strong>für</strong> den Schädigungsgrad der Fische.<br />
Maße<br />
190 x 180 x 52 cm<br />
Gewicht<br />
200 kg<br />
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Rainer Jaskulke
Vibrissen der Seehunde<br />
A Seehund<br />
B Landsäuger, Seelöwen<br />
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Rainer Jaskulke
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