Устройство для измерения динамики роста и температуры растения Советский патент 1989 года по МПК A01G7/00 

31496

Изобретение относится к сельскому хозяйству и биологии высших растений и может быть использовано при изучении динамики роста-и температуры растения в процессе биологических исследований.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности измерения, а так- же уменьшение габаритньк размеров и MaccS io

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для измерения динамики роста и температуры растения; н фиг.2 - конструкция датчика роста. Устройства (фиг,1) .содержит объект 1 измерения СФитоэлемент растения) , датчик 2 роста и измерительный блок 3, выполненньй в виде бло- ка 4 усиления, содержащего, напри- м§р, операционный усилитель 5, посто янные резисторы 6-9, переменный резистор 10 и корректирующий конденсатор 11, измерителя 12 электриче- ской проводимости, содержащего, например, генератор 13 синусоидального напряжения, усилитель 14 переменного напряжения и прецезионный йьшря- митель 15, первого 16 и второго 17 регистрирующих приборов.

Датчик 2 роста (фиг.2) содержит основание 18, органический пьезоэле- мент 19, первый 20 и второй 21 мetaл лические электроды и электрические выводы 22, 23.

Основание 18 представляет собой полимерную пленку, на поверхность которой, например, вакуумной-сублимацией последовательно нанесень, слой первого металлического электрода 20, органического пьезоэлемента 19, выполненного, например, на основе органических полициклических соединений и второго металлического элек- трода 21. К электродам 20, 21 подключены, например, методом термо- компрессионной сварки электрические выводы 22, 23. Такая структура образует гибкий пьезоэлектрический дат- чик давления. Для крепления датчика 2 роста на объекте 1 измерения, . которым является стебель растения, нанесена (кли закреплена) клеющая текстура (не показано), позволяющая неоднократно осуществлять процесс установки датчика 2 роста на стебле растения о

д

з

0 5 О

5

0

0 5

Например, в качестве такой текстуры может быть использована бытовая липкая лента.

Блок 4 усиления (фиг.1) вьшолнен на базе, например, дифференциального инвертирующего операционйого усилителя.

Электрические выводы 22, 23 пьезоэлемента датчика 2 (фиг.1) через резисторы 6, 7 соответственно соедин е- ны с инвертирующим входом операционного усилителя 5. Выход операционного усилителя 5 соединен со своим неинвертирующим входом через резистор 9 и с корректирующим входом - через конденсатор 11. Неинвертирующий вход операционного усилителя 5 соединен через резистор 8 с точкой нулевого потенциала, а«через переменный резистор - с источником стабилизированного постоянного напряжения а ЕЙ. Выход операционного усилителя 5 подключен к входу второго регистрирующего прибора 17..Генератор 13 синусоидального напряжения соединен с электрическими выводами 22, 23 датчика 2 роста и входами усилителя 14 переменного йапряжения, выход которого через прецизионный выпрямитель 15 подключен к входу первого регистрирующего прибора 16.

В основе эффекта изменения электрической проводимости пьезоэлемента в основном лежит зависимость диэлектрической проницаемости пьезо- материала от изменений температуры, в результате чего проводимость пьезоэлемента (за счет изменения ее емкостной составляющей) изменяется.

Действительно, пьеэоэлемент представляет собой плоскопараллельный конденсатор, который обладает емкостью °

С

EoS

,

- емкость пьезоэлемента 2 (Ф); - площадь электродов 20 или

21 (м); диэлектрическая постоянная

(8,84-10- 2);

- относительная диэлектрическая проницаемость пьезо- материала;

- толщина пьезоматериала (м). ойство работает оледуюпщм об

Датчик 2 роста оборачивается вокруг стебля растения, который служи объектом 1 измерения, и с -помощью клеящей текстуры его основания 18 закрепляется на стебде.

Прирост.стебля по толщине вызывает деформацию пьезоэлемента 19, а следовательно, за счет прямого пье- зоэффекта и изменение его заряда. Изменения усиливаются и нормируются в соответстввии с принятой шкалой измерения роста растения, блоком 4 усиления, и результат измерения отображается на втором регистрирующем приборе.17.

Изменение температуры вызывает изменение электрической проводимости пьезоэлемента, например ее реактивной составляющей - емкости. Это изменение с помощью измерителя 12 преобразуется в электрический сигнал, также нормируется в соответствии с принятой шкалой измерения температуры, например цельсия. Информация о температуре отображается на первом регистрирующем приборе 16.

Более подробно работа устройства может быть представлена следующим образом. Изменение заряда пьезоэлемента 19 датчика 2 поступает на вход блока 4 усиления, выполненного,например , на базе дифференциального операционного усилителя с высоким входным сопротивлением типа К 284УД1 А. Резисторы 6,7 ограничивают входные токи 4 усиления. Отно шение сопротивления резистора 9 к сопротивлению резистора 6 устанавливает необходимый коэффициент усиления блока 4 усиления. Конденсатор 11 служит для коррекции амплитудно-частотной характеристики блока 4. С помощью его исключается взаимосвязь каналов измерения роста и температуры растения , т.е. с помощью конденсатора 11 амплитудно-частотная характери стика блока 4 усиления ограничивается областью медленно меняющих низких частот и сигнал генератора 13 измерителя 12 электрической проводимости (частота которого выбрана,по крайней мере,на один порядок выше) не усиливается блоком 4 усиления и не оказывает влияние на канал измерителя роста растения. В случае применения в качестве блока 4 усиления микросхемы К284УД1А, конденсатор 11 подключается между выводом усилителя 5 (кор0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ректирующий вход) и выводом резисто-, ра 8 (выход). При помощи регулируемого делителя напряжения, собранного на резисторах 8, 10, компенсируется начальная составляющая заря- да пьезоэлемента 19, возникающая при установке датчика 2 на стебле растения, т.е. в начальный момент измерения на выходе блока 4 усиления устанавливают нулевой сигнал. Усиленный и снормированный сигнал с выхода блока 4 усиления поступает на вход второго регистрирующего . прибо ра 17, выполненного,например, на базе аналогового самопишущего устройства endim. С помощью регистрирующего прибора 17 информация о динамике роста заносится на бумажный носительо Не исключена возможность выполнения регистрирующих приборов 16, 17 в виде аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с цифровым индикатором и цифропе- чатающим устройством. В таком случае операции нормирования и линеаризации передаточной характеристики каналов измерения устройства будут проводиться с помощью соответствующих АЦП. Измерение же температуры осуществляется следующим образом. На пьезоэлемент 19 датчика 2 подается синусоидальное напряжение, например, с частотой 1 кГц. Падение переменного напряжения на выводах 22, 23 датчика 2 несет информацию о температуре растения,Это падение усиливается и нормируется соответственно усилителем 14 переменного напряжения, преобразуется с помощью прецизионного выпрямителя 15 в постоянное напряжение. Результат измерения температуры аналогичным образом отображается или регистриру- . ется на первом регистрирующем приборе 16. Выбор частоты генератора 13, полосы пропускания частот блока 4 усиления, коэффициента усиления усилителя 14 и т.п., осуществляется при реализации и проектировании конкретных устройств для измерения динамики роста и температуры растения, с учетом конкретного материала, применяемого пьезоэлемента, его размеров, динамического диапазона измерения характеристик растения.

Использование в качестве чувс- ви- тельного элемента датчика 2 роста гибкого пьезоэлемента и его отраб-в.-

тайная технология производства позволяет создать простой миниатюрный многофункциональный датчик для измерения двух физических величин.

Устройство просто в изготовлении и эксплуатации, обладает высокими помехозащищенностью и надежностью, может найти применение для исследования растений на объектах, где к техническим средствам предъявляются прежде всего требования обеспечения минимальных габаритов и веса. Кроме того, оно может быть использовано при диагностике функционального состояния растений, при проведении селекционных работ, при оценке и прогнозировании урожая сельскохозяйственных культур и т.п.

Формула изобретения

Устройство для измерения динамики роста и температуры растения, содер

жащее датчик роста,включающий соединенные последовательно чувствительный элемент и электроды, выводы которых связаны с соответствующими.входами измерительного блока, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, повышения точности измерения,

а также уменьшения габаритных размеров и массы, чувствительный элемент датчика роста вьшолнен в виде пьезо- элемента, а измерительньй блок состоит из блока усиления, намерите- .

ля электрической проводимости пьезо- элемента и двух регистрирующих приборов, причем выводы датчика роста соединены с соответствующими входами блока усиления и измерителя электрической проводимости пьезоэлемента, а выход последнего связан с первым регистрирующим прибором, при этом второй регистрирующий прибор подключен к выходу блока усиления.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при изучении динамики роста и температуры растений в процессе биологического эксперимента. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение точности измерения, а также уменьшение габаритных размеров и массы. Датчик роста 2 выполнен в виде гибкого пьезоэлемента с двумя электродами, имеет форму плоской ленты и оборачивается в ходе работы вокруг стебля растения. Устройство позволяет проводить измерение динамики роста растения, так как растение вызывает деформацию пьезоэлемента и изменение его заряда. Это изменение усиливается блоком усиления 4 и результат измерения отображается на одном из регистрирующих приборов 16 или 17. При уменьшении температуры электрическая проводимость пьезоэлемента изменяется. Изменение этого пассивного параметра с помощью измерителя электрической проводимости 12 пьезоэлемента преобразовывается в электрический сигнал и информация о температуре отображается на другом регистрирующем приборе. Устройство позволяет одновременно измерять две физические величины одним чувствительным элементом датчика. 2 ил.

23

ZO

iO ; OCwCwvN s C c N

Фиг. 2

Составитель Л.Пантелеева

Редактор М.Бандура Техред М.Дидык

Заказ 4348/4 Тираж 621Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

19

21

I

/8

Корректор М.Пожо.