СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСЕРГИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ Российский патент 2006 года по МПК A01G7/00 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, экологии, общей биологии, энергетике, тепличного и полевого растениеводства.

Предназначено для растениеводства, земледелия, экологических и биосферных областей знаний.

Известные способы и устройства оценки действия оптического излучения на растения, предназначенное для измерения той части поглощаемой растениями энергии излучения, которая используется в растении в процессе фотосинтеза и соответствует спектральной чувствительности среднего растения данного вида (а.с. №124669, БИ №23, 1959).

В известном способе и устройстве применен фотоэлектрический фотометр с разлагающей излучение в спектр призмой или дифракционной решеткой и щелевой диафрагмой, выделяющей излучение требуемой области спектра.

Недостатком указанного способа и устройства их осуществления является сложное, трудоемкое расчетное определение эксергии и требует больших затрат времени; повышенные сложность устройства, габариты, вес и стоимость прибора.

Недостатком указанного способа и устройства технической его реализации является измерение так называемой фотосинтетически активной части энергии излучения, которым не учитывалась избирательность процесса фотосинтеза к излучениям различных длин волн. Традиционный способ не был согласован с эксергетической оценкой затрат техногенной энергии на технологические процессы выращивания растений. Величину эксергии в энергетике и других отраслях знаний определяют расчетным путем. Инструментального приборного измерения этой величины не было известно.

Причиной необходимости изобретения предлагаемого способа является переход с 80х годов XX столетия в энергетике от энтропийных расчетов к способу эксергетического анализа при оценке потенциальной превратимости энергии. В связи с этим открылась возможность единого анализа преобразований природной энергии оптического излучения (ОИ) и техногенной энергии, используемой в технологиях при получении продукции растениеводства. Этим обусловлена необходимость и возможность разработки способа и устройства для определения эксергии ОИ в растениеводстве.

Заявляемый способ относится к способам определения потенциальной превратимости энергии. До начала 80-х годов в энергетике использовали для этой цели метод энтропийного анализа. Величину энтропии можно только рассчитывать и невозможно измерять. Определение энтропии оптического излучения (ОИ) очень сложно. Способы определения абсолютного значения этой величины не были разработаны. Обычно определяют не абсолютное значение, а относительные изменения этой величины. Оценку потенциальной превратимости энергии ОИ проводили способами фотометрии в связи с этим эту область относили к фотометрии (светотехнике).

С 80-х годов XX столетия в энергетике оценку потенциальной превратимости различных первичных источников энергии проводят с помощью величины эксергии. Этот метод распространяется и на определение превратимости энергии ОИ. Для сельскохозяйственного производства и естественных экосистем энергия ОИ является главным первичным энергоисточником, это свидетельствует об актуальности определения эксергии ОИ в растениеводстве. Широко развиты способы расчетного определения величины эксергии.

Необходимость определения эксергии ОИ в растениеводстве, обусловлена потребностью совместного экспериментального анализа преобразований техногенной энергии, используемой в технологических процессах и преобразований растениями природной энергии ОИ.

В связи с этим принципиальным изменением оценки потенциальной превратимости энергии по величине эксергии оценку этой величины ОИ целесообразно отнести и к области энергетики.

В заявляемом способе впервые предлагается непосредственное приборное измерение величины эксергии ОИ по процессу преобразования энергии ОИ посредством фотосинтеза растений. В этом принципиальная новизна и отличительная особенность заявляемого способа.

Для измерения этой величины использовали прибор, подобный фитофотометру и имеющий спектральную чувствительность подобную спектральной эффективности фотосинтеза.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа и устройства для определения эксергии оптического излучения (той части энергии ОИ, которая потенциально пригодна для использования растениями на фотосинтез и формирование урожая) в растениеводстве. Без предлагаемого способа и устройства невозможно проводить эксергетический совместный анализ преобразований природной энергии ОИ и техногенной энергии в растениеводстве, земледелии и экологии.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность проводить единый анализ эффективности использования природной (солнечной) энергии ОИ и техногенной энергии при получении различных видов продукции растениеводства, появится возможность создавать информационные компьютерные технологии оптимизации производства различных видов растениеводческой продукции, что необходимо для снижения затрат техногенной энергии на производство продукции растениеводства и охрану природы, а также для повышения КПД использования природной (солнечной) энергии на получение (формирование) урожая.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе определения эксергии оптического излучения в растениеводстве, включающем измерение поступающей на растения энергии излучения с выделением той ее части, которая потенциально пригодна для использования растением в процессе фотосинтеза с учетом эффективности каждой длины волны в диапазоне 300-750 нм, согласно изобретению количество измеряемой энергии оптического излучения суммируют по всем длинам волн указанного диапазона, а также суммируют по времени за весь вегетационный период от появления всходов до созревания, преобразуют в фототок и усиливают сигнал фототока предварительным усилителем, проводят индикацию полученного сигнала, который снимают интегратором с заданным интервалом времени, записывают полученные значения в памяти интегратора, суммируют и получают суммарное значение эксергии оптического излучения.

Предложено устройство для осуществления способа определения эксергии оптического излучения в растениеводстве, содержащее фотометр, в котором спектральная чувствительность оптического приемника подобна спектральной эффективности фотосинтеза, источник питания и индикатор, причем устройство дополнительно содержит интегратор, суммирующий поступление на растения энергии оптического излучения в течение всего вегетационного периода времени и состоящий из трех блоков - блока приемника оптического излучения, блока настройки и градуировки измерителя и блока интегратора, а приемник оптического излучения имеет косинусную насадку, диафрагму, светофильтры, фотоэлемент, предварительный усилитель и корпус, причем выход блока приемника оптического излучения соединен с входом блока настройки и градуировки измерителя, который соединен с входом блока интегратора.

Спектральная чувствительность оптического приемника в спектрофотометре подобна спектральной эффективности фотосинтеза в соответствии с ОСТ 60.689.027-74 (Минэлектротехпром СССР. Фотосинтетически эффективные источники излучения. 1974, и ОСТ 46.140-83 Минсельхоз СССР. Излучение оптическое. Оценка фотосинтезной эффективности. Термины и определения. М.: МСХ СССР, 1983).

В устройстве для измерения эксергии ОИ в растениеводстве используют корригирующий светофильтр, позволяющий для каждой длины волны, выделять только ту часть энергии, которая пригодна для осуществления фотосинтеза, и состоящий из последовательно наложенных друг на друга 3-х оптических стекол, окрашенных в стекле типа ПС11, ПС8, ЖЗС18.

Коррекцию спектральной характеристики селенового приемника проводили путем комбинации 3-х типов светофильтров: ПС11, ПС8 и ЖЗС18.

Назначение светофильтра ПС11 - подавить максимум чувствительности фотоприемника в интервале длин волн 500-640 нм и максимально поднять в интервале длин волн 670-700 нм.

Светофильтр ЖЗС18 предназначен для формирования кривой в области 320-500 нм. Он повышает пропускание оптической системы в области длин волн 520-380 нм и несколько снижает в области 380-500 нм, что необходимо после введения светофильтра типа ПС11.

Светофильтр ПС8 выполняет корректирующую роль: изменяя толщину этого светофильтра можно правильно выполнить коррегировку по соотношению пропускания оптической системы между тремя областями длин волн 350-450 нм, 450-580 нм и 580-740 нм.

Важное значение для формирования участка кривой 560-680 нм имеет толщина светофильтра ПС11.

Кроме этих типов светофильтров допустимо введение в фотоприемник еще двух светофильтров - ТС6 и ПС5. Светофильтр ПС5 повышает пропускание оптической системы в области длин волн 380-400 нм, понижает в области 440-560 нм и повышает в области 640-760 нм, также он используется как окончательно корректирующий светофильтр. Назначение светофильтра ТС - повышение пропускания оптической системы в области 640-740 нм.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена общая схема измерителя - интегратора эксергии оптического излучения для растениеводства (ИЭОИР).

На фиг.2 - принципиальная схема устройства для определения эксергии в растениеводстве.

Устройство содержит блок приемника оптического излучения 1 с косинусной насадкой 2, диафрагмой 3, светофильтрами 4, фотоэлементом 5, предварительным усилителем 6 и корпусом 7, блок настройки и градуировки измерителя 8, стрелочный прибор измерения фототока 9, регулятор установки на "ноль" 10, выключатель питания 11, два светодиода 12, 13, блок интегратора 14, жидкокристаллическое табло 15, клавиатуру управления 16, источник питания 17, разъем подключения к компьютеру 18, причем выход блока приемника ОИ 1 соединен с входом блока настройки и градуировки измерителя 8, а также соединен с входом блока интегратора 14.

Способ осуществляют следующим образом.

Блок приемника ОИ 1 располагают в месте измерения эксергии ОИ. Поступившее солнечное излучение на приемник ОИ 1, прошедшее через косинусную насадку 2, которая корригирует падающее излучение под косинусную зависимость, проходит через диафрагму 3, светофильтры 4, которые корригируют спектральную чувствительность прибора в соответствии с ОСТ 60.689.027-74 и ОСТ 46.140-83 и часть энергии ОИ попадает на фотоэлемент 5, который создает напряжение пропорциональное величине эксергии ОИ. Напряжение на фотоэлементе 5 создает фототок, который обусловливает соответствующее показание стрелочного прибора измерения фототока 9, затем сигнал подается на блок интегратора 15, в свою очередь интегратор снимает и записывает в памяти показания стрелочного прибора 9 с заданным интервалом времени, после съема данных интегратор подсоединяется разъемом 18 к компьютеру для списания результатов измерения.

Пример осуществления способа.

Проведенное обобщение экспериментальных данных для многих хлорофиллсодержащих растений от микроводорослей хлореллы до высших растений как травянистых, так и древесных было установлен, что спектральная эффективность фотосинтеза для всех растений одинакова и может быть принята одной и той же.

Измеряют распределение энергии излучения солнечного или искусственного источника по спектральным составляющим от 300 до 750 нм.

Для каждого участка длины волны значения энергии умножают на среднее значение соответствующее спектральному участку на соответствующую спектральную эффективности фотосинтеза.

Полученное произведение суммируют по диапазону спектра от 300 до 750 нм. Значение мощности эксергии умножают на время поступления ее на поверхность земли или на время культивирования, выращивания растений.

Расчетное определение. Использованные данные приходящей на поверхность земли общей энергии ОИ метеорологической обсерватории МГУ за 2004 (10 мая - 20 сентября, вегетационный период). Расчет проводили методом графического интегрирования по зависимости

где 0,95 - максимальная спектральная эффективность ОИ с длиной волны 680 нм, ϕ(λ)_си - спектральная интенсивность солнечного излучения, K(λ)_f - относительная спектральная эффективность фотосинтеза, λ₁, λ₂ - граничные значения длин волн фотосинтетически активного участка, t₁, t₂ - время начала и конца поступления энергии ОИ к растениям, dλ - дифференциал по длине волны, dt - дифференциал по времени.

Значение расчетное эксергии e_ои составило 626,8 МДж/м².

Значение эксергии e_ои, измеренное по предлагаемому способу с использованием предлагаемого устройства, составило 585,4 МДж/м².

Расхождение расчетного и измеренного значений e_ои составляет 7,1%, что характеризует возможность повышения КПД использования энергии при выращивании растений.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, экологии, а также к общей биологии, энергетике и может быть использовано в растениеводстве и при решении вопросов экологии. Способ включает измерение поступающей на растения энергии излучения с выделением той ее части, которая потенциально пригодна для использования растением в процессе фотосинтеза с учетом эффективности каждой длины волны в диапазоне 300-750 нм. Количество измеряемой энергии оптического излучения суммируют по всем длинам волн указанного диапазона, а также суммируют по времени за весь вегетационный период от появления всходов до созревания, преобразуют в фототок и усиливают сигнал фототока предварительным усилителем. Проводят индикацию полученного сигнала, который снимают интегратором с заданным интервалом времени, записывают полученные значения в памяти интегратора, суммируют и получают суммарное значение эксергии оптического излучения. Устройство для определения эксергии оптического излучения в растениеводстве содержит фотометр, в котором спектральная чувствительность оптического приемника подобна спектральной эффективности фотосинтеза, источник питания и индикатор. Устройство дополнительно содержит интегратор, суммирующий поступление на поверхность земли энергии оптического излучения в течение всего вегетационного периода времени и состоящий из трех блоков - блока приемника оптического излучения, блока настройки и градуировки измерителя и блока интегратора. Приемник оптического излучения имеет косинусную насадку, диафрагму, светофильтры, фотоэлемент, предварительный усилитель и корпус, причем выход блока приемника оптического излучения соединен с входом блока настройки и градуировки измерителя, который соединен с входом блока интегратора. Изобретение обеспечивает возможность оптимизации технологии производства растениеводческой продукции и снижение энергетических затрат. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения эксергии оптического излучения в растениеводстве, включающий измерение поступающей на растения энергии излучения с выделением той ее части, которая потенциально пригодна для использования растением в процессе фотосинтеза с учетом эффективности каждой длины волны в диапазоне 300-750 нм, отличающийся тем, что количество измеряемой энергии оптического излучения суммируют по всем длинам волн указанного диапазона, а также суммируют по времени за весь вегетационный период от появления всходов до созревания, преобразуют в фототок и усиливают сигнал фототока предварительным усилителем, проводят индикацию полученного сигнала, который снимают интегратором с заданным интервалом времени, записывают полученные значения в памяти интегратора, суммируют и получают суммарное значение эксергии оптического излучения.2. Устройство для определения эксергии оптического излучения в растениеводстве, содержащее фотометр, в котором спектральная чувствительность оптического приемника подобна спектральной эффективности фотосинтеза, источник питания и индикатор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит интегратор, суммирующий поступление на поверхность земли энергии оптического излучения в течение всего вегетационного периода времени и состоящий из трех блоков - блока приемника оптического излучения, блока настройки и градуировки измерителя и блока интегратора, а приемник оптического излучения имеет косинусную насадку, диафрагму, светофильтры, фотоэлемент, предварительный усилитель и корпус, причем выход блока приемника оптического излучения соединен с входом блока настройки и градуировки измерителя, который соединен с входом блока интегратора.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве светофильтра используют корригирующий светофильтр, позволяющий для каждой длины волны выделять только ту часть энергии, которая пригодна для осуществления фотосинтеза, и состоящий из последовательно наложенных друг на друга 3-х оптических стекол.