Устройство для измерения физических параметров растений Советский патент 1993 года по МПК A01G7/00 

Предполагаемое изобретение относится к области физиологии и биофизики растений и может быть использовано в сельском хозяйстве при оценке состояния растений, определении степени влияния различных факторов, влияющих на рост и развитие растений, при селекционном отборе сортооб- разцов, оценке продуктивности растений и т.п.

Известно устройство для измерения физических параметров, содержащее полый корпус с подпружиненным толкателем, на конце которого установлен электрод для измерения биопотенциалов, датчик перемещения, термопреобразователь с сорбцион- ным чувствительным элементом влажности.

К недостатку известного устройства следует отнести неширокие его функциональные возможности, так как оно не может

быть использовано для многофункциональных измерений в малых локальных областях исследуемой ткани.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению (прототипом) является устройство, содержащее первый и второй волоконно- оптический преобразователи, источники опорного и измерительного излучения, входы которых через первый электронный коммутатор соединены с источником напряжения, приемник излучения, выход которого подключен ко входу предварительного усилителя переменного напряжения, выход которого соединен с коммутационным входом второго электронного коммутатора, первый выход которого через последовательно соединенные первый нормирующий усилитель переменного напряжения и пер-ч ю о

00

ON 00

вый выпрямитель, подключен к одному из входов оконечного дифференциального усилителя, другой выход которого через последовательно соединенные второй выпрямитель и второй нормирующий усилитель переменного напряжения, соединен со вторым выходом второго электронного коммутатора, блок управления, первый и второй выходы которого соответственно подключены к управляющим входам первого и второго электронных коммутаторов, и регистрирующий блок;

Данное устройство позволяет проводить измерение влажности в малой локальной области исследумой ткани. Однако, устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как оно не пред- назначено для измерения других показателей жизни - релоконстант, которые несут информацию как о процессах, происходящих внутри биологического объекта, так и о факторах среды, воздействующих на объект исследований. К таким релоконстантам следует отнести биопотенциалы растения. Действительно, по измеренным значениям биопотенциалов, например, определяют интенсивность ростовых процессов, транспирацию, фотосинтез, передвижение минеральных .веществ, концентрацию питательных растворов у корней, реакцию на раздражение, морозоустойчивость, засухоустойчивость и т.п. Однако, биопотенциалы растения зависят от параметров внешней среды, например, температуры. Так, например, у томатов зависимость биопотенциалов от температуры ярко выражена. У них суточные колебания биопотенциалов находятся в противофазе с температурой, при этом коэффициент корреляции между этими величинами отрицателен и в большинстве случаев достигает 0,6-0.8.

Введение дополнительных электродов для снятия биопотенциалов и чувствительного элемента температуры увеличивает габаритные размеры первичного измерительного преобразователя, что увеличивает влияние технических средств на процессы жизнедеятельности растения и не позволяет проводить многофункциональные измерения в малой локальной области исследуемой ткани. В данном случае возникает техническое противоречие. С одной стороны, в целях уменьшения влияния технических средств на исследуемый объект и возможности определения параметров растения в его локальной области датчик должен обладать минимальными габаритными размерами и массой. Но, с другой стороны, этот датчик должен получать информацию о

нескольких физических величинах, введение же дополнительных датчиков вызывает увеличение габаритных размеров и массы первичных измерительных преобразователей, что, в свою очередь, увеличивает влияние технических средств на процессы жизнедеятельности растения и не позволяет проводить измерения в малых локальных областях исследуемой ткани.

0 Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Указанная цель достигается за счет того, что в известное устройство, содержащее первый и второй волоконно-оптический

5 преобразователи, источники опорного и измерительного излучения, входы которого через первый электронный коммутатор соединены с источником напряжения, первый приемник излучения, выход которого

0 подключен ко входу предварительного усилителя переменного напряжения, выход которого соединен с коммутационным входом второго электронного коммутатора, первый выход которого через последовательно сое5 диненные первый нормирующий усилитель переменного напряжения и первый выпрямитель подключен к одному из входов оконечного дифференциального усилителя, другой выход которого через последова0 тельно соединенные второй выпрямитель и второй нормирующий усилитель переменного напряжения соединен со вторым выходом второго электронного коммутатора, блок управления, первый и второй выходы

5 которого соответственно подключены к управляющим входам первого и второго электронного коммутатора, и регистрирующий блок, введены второй и третий приемники излучения, первый, второй, третий и четвер0 тый нормирующие усилители постоянного тока, третий и четвертый электронные коммутаторы, делительная схема, первый вход которой соединен через первый нормирующий усилитель постоянного тока со входом

5 второго приемника излучения, второй вход - подключен через последовательно соединенные второй нормирующий усилитель постоянного тока и третий электронный коммутатор ко входу первого приемника из0 лучения, а выход делительной схемы соединен с первым коммутационным входом четвертого коммутатора, второй коммутационный вход которого подключен к выходу оконечного дифференциального усилителя,

5 третий коммутационный вход - соединен через третий нормирующий усилитель постоянного тока со входом третьего приемника излучения, четвертый коммутационный вход - подключен ко входу четвертого нормирующего усилителя постоянного тока, а

вход регистрирующего блока соединен с выходом четвертого электронного коммутатора, управляющий вход которого подключен к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого соединен с уп- равляющим входом третьего электронного коммутатора, причем первый волоконно-оптический преобразователь выполнен в виде нерегулярного светотехнического коллектора с первым, вторым и третьим световода- ми, имеющими оптическую связь соответственно с источником опорного излучения, с источником измерительного излучения и вторым приемником излучения, а второй волоконно-оптический преобразо- ватель выполнен в виде нерегулярного светотехнического коллектора с четвертым и пятым световодами, имеющими оптическую связь соответственно с первым и третьим приемниками излучения и на внешнюю по- верхность волоконно-оптических преобразователей нанесен слой электрода, например, хлорсеребрянного, имеющего электрическую связь со входом четвертого нормирующего усилителя постоянного то- ка.

Введение в устройство указанных элементов и связей позволит расширить функциональные возможности устройства, так как оно может быть использовано при про- ведении многофункциональных измерений в малой локальной области объекта измерения. Кроме того, появляется возможность коррекции дополнительных погрешностей при измерении биопотенциалов и влажно- сти от воздействия влияющей величины - температуры. Причем в данном случае конструкция датчика же составляет совокупность отдельных датчиков влажности, температуры, электрода для снятия биопо- тенциалов и своеобразного эндоскопа для осмотра поверхности исследуемой ткани. В предложенной конструкции используются ранее скрытые свойства волоконно-оптических преобразователей. Например, известные первый и второй волоконно-оптические преобразователи кроме своей основной функции передачи и приема световых потоков от соответствующих источников и приемников излучения при из- мерении влажности, дополнительно используется при измерении температуры, при получении информации о состоянии поверхности исследуемой ткани и при измерении биопотенциалов. Первый приемник излучения, кроме основной своей функции в процессе измерения влажности, дополнительно выполняет функцию приемника излучения при измерении температуры и т.п. Электронные же блоки позволяют разделить информационные сигналы во времени и зарегистрировать значение определяемых параметров. Такой волоконно-оптический многофункциональный датчик обладает следующими преимуществами: отсутствием влияния внешних электромагнитных полей на результат измерения; высокой стойкостью к воздействию ионизирующего излучения в том числе и к солнечной реакции; малыми потерями при передаче информационных сигналов; высокой механической прочностью, компактностью, химической инертностью, высокой теплостойкостью; широким диапазоном и высокими скоростями передачи информационных сигналов; малыми габаритами и массой.

Устройство для измерения физических параметров, показанное на чертеже содержит первый волоконно-оптический преобразователь 1 с первым 2, вторым 3 и третьим 4 светодиодами, второй волоконно-оптический преобразователь 5 с четвертым 6 и пятым 7 световодами, фоконы 8-12, источники опорного 13 и измерительного 14 излучения, первый 15, второй 16 и третий 17 приемники излучения, первый 18, второй 19, третий 20 и четвертый 21 электронные коммутаторы, источник напряжения 22, блок управления 23, предварительный усилитель переменного напряжения 24, первый 25 и второй 26 нормирующие усилители переменного напряжения, первый 27 и второй 28 выпрямители, оконечный дифференциальный усилитель 29, первый 30, второй 31, третий 32 и четвертый 33 нормирующие усилители постоянного тока, делительную схему 34 и регистрирующий блок 35.

Волоконно-оптический преобразователь 1 представляет собой треххвостовик, одни концы которого объединены в общий торец, а другие - разделаны на отдельные светодиоды 2, 3, 4, торцы которых могут располагаться в любой точке (нерегулярно) относительно общего торца, т.е. он выполнен в виде нерегулярного светотехнического коллектора.

При этом световод 2 предназначен для передачи на объект измерения 36 излучения от источника опорного излучения 13 с длинной волны, равной, например, 1,7 мкм, а световод 3 - от источника измерительного излучения с длиной волны, равной, например, 1,9 мкм. Световод 4 изготовлен из стекла, пропускающего весь спектр излучения от объекта 36.

Волоконно-оптический преобразователь 5 также выполнен в виде нерегулярного светотехнического коллектора с отдельными световодами 6, 7, причем материал световода 6 выбран таким, что он пропускает

как излучение от источников 13, 14, так и тепловое излучение от объекта 36. В случае измерения температуры, например, в диапазоне от 10 до 5С°С плотность теплового инфракрасного излучения имеет максимум в диапазоне волн от 10,35 до 9,06 мкм (в соответствии с законом смещения Вина

2900

Я . Изготовление общих торцов волоконно-оптических преобразователей 1,5 производится, например, путем, спекания. Поверхности общих торцов волоконно-оптических преобразователей обрабатываются, например, путем шлифования. Общие торцы преобразователей 1,5 крепятся на прокладке 37, причем угол между поверхностями этих торцов выбирается из условий обеспечения отражения излучений от источников 13,14 и приема спектра излучений от объекта (как теплового, так и общего). Это достигается выбором световодов с необходимыми апертурным углом. Закрепление волоконно-оптических преобразователей 1,5 на прокладке 37 и между собой может производиться, например, при помощи клея. На внешней поверхности волоконно- оптических преобразователей нанесен слой хлорсеребрянного электрода 38, например, химическим путем. В данном случае на поверхность волоконно-оптических преобразо- вателей наносят слой серебра и покрывают его слоем труднорастворимой соли этого же металла (серебра). Этот слой выступает в качестве электрода для снятия биоэлектрической активности (биопотен- циалов) с объекта исследований 36 (растения).

Фоконы 8-12, предназначенные для согласования геометрических размеров световодов 2-7 соответственно с источниками 13, 14 и приемниками 15-17 излучения, представляют собой лучеводы с уменьшающимися диаметром по ходу луча.

. Световоды 2-7 через соответствующие фоконы 8-12 имеют оптическую связь с источниками 13-14 и приемниками 15-17 из- лучения. Источники излучения 13, 14 могут быть выполнены в виде серийно выпускаемых светодиодов, а в качестве приемников излучения 15-17 могут быть использованы различные фотоэлементы.

Источники излучения 13, 14 подключены к выходам первого коммутатора 18, коммутационный вход которого подключен к источнику напряжения 22, а управляющий вход к первому выходу блока управления 23, второй вход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора 19, третий выход - подключен к управляющему входу четвертого коммутатора 21,четвертый выход - соединен с управляющим входом третьего

коммутатора 20, коммутационный вход которого соединен с выходом первого приемника излучения 15 и входом предварительного усилителя 24, выход которого подключен к коммутационному входу второго коммутатора 19. Первый выход второго коммутатора 19 через последовательно соединенные первый нормирующий усилитель переменного напряжения 25 и первый выпрямитель 27, подключен к одному из входов оконечного дифференциального усилителя 29, другой выход которого через последовательно соединенные второй выпрямитель 28 и второй нормирующий усилитель переменного напряжения 26, соединен со вторым выходом второго электронного коммутатора 19. Выход второго приемника излучения 16 через первый нормирующий усилитель постоянного тока 30 подключен к первому входу делительной схемы 34, второй вход которой соединен с выходом второго нормирующего усилителя постоянного тока 31, вход которого подключен к выходу третьего электронного коммутатора 20. Выход делительной схемы 34 соединен с первым коммутационным входом четвертого коммутатора, второй коммутационный вход которого подключен к выходу конечного дифференциального усилителя 29, третий коммутационный вход - соединен через нормирующий усилитель постоянного тока 32 со входом третьего приемника излучения 17, четвертый коммутаци- онный вход - подключен ко входу четвертого нормирующего усилителя постоянного тока 33, потенциальный вход которого соединен с электродом 38. Непотенциальный вход усилителя 33 подключен к пассивному электроду (на чертеже не показано). Выход четвертого электронного коммутатора подключен ко входу регистрирующего блока 35.

Схемотехнические решения усилителей 24-26, 29, 30-33 могут быть выполнены на основе известных решений. Так, например, эти усилители могут быть реализованы на базе микросхем К140УД5, 6,13; К284УД1А и т.п. Коммутаторы 18-21 могут быть выполнены на основе микросхем К176КТ1, К564КТЗ и т.п. Блок управления 23 могут быть выполнен на базе таймеров. Например, он может быть выполнен на базе микросхемы КР1006ВИ1, выполняющей функцию формирователя периодических импульсов с заданными (программным путем) длительностью и последовательностью.

Работа устройства сводится к следующему. Канал измерения влажности растения (объекта измерения 6) построен по

принципу приема отраженного инфракрасного излучения. При этом длина волны источника излучения 14 выбирается из условий обеспечения максимального поглощения этого излучения атомами кислорода, входящими в состав воды. Полосы поглощения обусловлены стандартными колебаниями атомов кислорода при их атомной поляризации и составляют: 2,74; 2,66 и 6,27 мкм. Однако при практической реализации влагомеров используется длина волны, равная 1,94 мкм. Блок управления 23 посредством первого коммутатора 18 поочередно подключает к источнику напряжения 22 источники опорного 13 и измерительного 14 излучения. Это излучение через фоконы 8, 9 и световоды 2, 3 волоконно-оптического преобразователя 1 поступает на исследуемое растение 36. Отраженное излучение от объекта улавливается волоконно-опти- ческим преобразователем 5 и через световод 6 и фокон 11 поступает на вход первого приемника излучения 15, с помощью предварительного усилителя 24 преобразуется в электрический сигнал. Затем с помощью второго коммутатора 19 по сигналам блока управления 23 происходит разделение отраженных сигналов (опорного и измерительного). Эти сигналы усиливаются и нормируются первым и вторым усилителем переменного тока 25, 26, преобразуются в постоянное напряжение с помощью первого и второго выпрямителей 27, 28 и поступают на вход оконечного дифференциального усилителя 29. Так как значение отраженного измерительного сигнала будет зависеть от степени его поглощения растением 36 и, следовательно и от его влажности, сигнал с выхода дифференциального усилителя несет информацию о количестве влаги в расте-

НИИ.

Блок управления 23 с помощью четвертого коммутатора 21 подключает выход дифференциального усилителя 29 ко входу блока регистрации 35, с помощью которого отображается информация о количестве влаги растения. Блок регистрации 35 может быть выполнен в виде аналогового самопишущего прибора или аналого-цифрового преобразователя и цифрового индикатора.

При измерении же температуры блок управления 23 с помощью третьего коммутатора 20 подключает первый источник излучения 15 ко входу второго усилителя постоянного тока 31, ас помощью четверто- го коммутатора 21 подключает вь 1ход делительной схемы 34 ко входу блока регистрации 35. При этом весь спектр излучения растения 36 через световод 4 и фокон 10 поступает на вход второго приемника

излучения 16, который имеет широкую полосу пропускания; с помощью этого приемника преобразовывается в электрический сигнал, который усиливается и нормируется первым усилителем постоянного тока 30. Коротковолновая же часть спектра, через световод 6 и фокон 11 поступает на вход первого приемника излучения 15, преобразуется им в электрический сигнал, который усиливается и нормируется вторым усилителем постоянного тока 31. Сигналы с выходов усилителей 30 и 31 поступают на вход делительной схемы 34, выходной сигнал которой несет информацию об измеряемой температуре.

Таким образом, процесс измерения температуры основан на принципе оптического пирометра, в котором определяется отношение сигнала всего спектра излучения от объекта исследования к сигналу теплового инфракрасного излучения. При этом существенно снижается погрешность от влияющих тепловых помех.

При оценке состояния поверхности исследуемого растения 36 блок управления 23 через первый коммутатор 18 подключает к источнику напряжения 22 источник опорного излучения 13 и через четвертый коммутатор 21 подключает выход усилителя 33 к блоку регистрации 35. Излучение от источника 13, через фокон 8 и световод 2 поступает на исследуемое растение 36. Отраженный сигнал через световод 7 фокон 12 поступает на вход третьего приемника излучения 17, выходной сигнал которого усиливается четвертым усилителем 33. Значение этого сигнала несет информацию о состоянии поверхности растения 36. По состоянию поверхности можно оценивать качество растений, например, степень зрелости плодов, наличие повреждений и т.п.

Процесс измерения биопотенциалов с исследуемого растения осуществляется традиционным способом. В этом случае слой 38 является электродом для контактного снятия биопотенциалов с твердым деполяризатором. Этот слой 38 является активным электродом и электрически соединены с потенциальным входом усилителя 33. Пассивный электрод, устанавливаемый, например, к корневой части растения (на чертеже не показано) подключен к непотенциальному входу усилителя 33. Разность биопотенциалов усиливается и нормируется с помощью усилителя 33, частотная полоса пропускания которого выбрана из условий обеспечения частотного диапазона исследуемых биопотенциалов. Следует заметить, что выбор технических характеристик и свойств

элементов устройства (в том числе и длин волн источников излучения 13,14, частотного диапазона приемников 15-17 и т.п.) рассчитывается и выбирается при проектировании конкретных устройств для выбранных растений,

Таким образом, предложенное устройство позволяет проводить измерение температуры, влажности и биопотенциалов, а также оценивать качество поверхности растений, используя временное разделение каналов измерения.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого устройства по сравнению с прототипом являются: возможность измерения нескольких физических величин одним миниатюрным датчиком в малой локальной области объекта исследований; более широкие функциональные возможности использования устройства при измерении влажности, температуры, биопотенциалов и оценка качества поверхности различных объектов,

Действительно, устройство может найти применение при измерении нескольких физических величин в труднодоступных местах с малым рабочим объемом, где установка отдельных датчиков не представляется возможной. Малые размеры волоконных световодов (единицы микрон) позволят проводить измерение нескольких физических величин и параметров в микрообъектах, внутри тканей растений. Совершенная электрическая изоляция световодов, отсутствие дополнительных источников энергии для передачи излучения, высокие оптические и механические свойства позволят ре- али зовать многофукциональные датчики, которые будут отличаться высокой чувствительностью к измеряемым величинам, надежностью и механической прочностью. Стойкость к воздействию агрессивной среды, высокие гибкость, упругость и жесткость снизят требования к конструктивному выполнению датчика.

Применение фотооптических бескорпусных интегральных схем, возможность разъединения и объединения световодов в пространстве позволит создать интеллектуальные датчики, которые будут характеризоваться простой оптической схемой и высокими техническими характеристиками.

Устройство может найти применение при измерении нескольких параметров и выдаче сигнал неблагоприятной ситуации на объектах, где к измерительным приборам предъявляются прежде всего требования обеспечения минимальных габаритных размеров и веса.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения физических параметров растений, содержащее

первый и второй волоконно-оптические преобразователи, источник опорного и измерительного излучения, выходы которых через первый электронный коммутатор соедине5 ны с источником напряжения, первый приемник излучения, выход которого подключен к входу предварительного усилителя переменного напряжения, при этом выход последнего соединен с коммутацион0 ным входом второго электронного коммутатора, первый выход которого через последовательно соединенные первый нормирующий усилитель переменного напряжения и первый выпрямитель подключен к

5 одному из входов оконечного дифференциального усилителя, другой выход которого через последовательно соединенные второй выпрямитель и второй нормирующий усилитель переменного напряжения соеди0 нен с вторым выходом второго электронного коммутатора, блок управления, первый и второй выходы которого соответственно подключены к управляющим входам первого и второго электронных коммутаторов, ре5 гистрирующий блок, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, оно снабжено вторым и третьим приемниками излучения, четырьмя нормирующими усили0 телями постоянного тока, третьим и четвертым электронными коммутаторами, делительной схемой, первый вход которой соединен через первый нормирующий усилитель постоянного тока с входом второго

5 приемника излучения, второй вход подключен через последовательно соединенные второй нормирующий усилитель постоянного тока и третий электронный коммутатор к входу первого приемника излучения, а вы0 ход делительной схемы соединен с первым коммутационным входом четвертого коммутатора, второй коммутационный вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя третий коммутационный

5 вход соединен через третий нормирующий усилитель постоянного тока с входом третьего приемника излучения, четвертый комму- тационный вход подключен к входу четвертого нормирующего усилителя посто0 янного тока, а вход регистрирующего блока соединен с выходом четвертого электронного коммутатора, управляющий вход которого подключен к третьему выходу блока управления, четвертый выход которого сое5 динен с управляющим входом третьего электронного коммутатора, причем первый электронно-оптический преобразователь выполнен в виде нерегулярного светотехнического коллектора с тремя световодами, имеющими оптическую связь соответственно с источником опорного излучения, источником измерительного излучения и вторым приемником излучения, а второй волоконно-оптический преобразователь выполнен в виде нерегулярного светотехнического коллектора с четвертым и пятым световодами, имеющими оптическую связь соответственно с первым и третьим приемниками излучения, причем на внешней поверхности волоконно-оптических преобразователей расположен электрод, электрически связанный с входом четвертого .нормирующего усилителя постоянного тока.

2. Устройство по п.1. о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что электрод выполнен хлорсе- ребряным.

Изобретение относится к физиологии и биофизике растений и может быть использовано в сельском хозяйстве при оценке состояния растения. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства. Устройство содержит волоконно-оптические преобразователи с фотодиодами, световодами, источники опорного и измерительного излучения, приемники излучения, электронные коммутаторы и соответствующие усилительно-преобразующие блоки. Регистрируя отраженное от растения инфракрасное излучение судят о параметрах влажности тканей растения и о их температуре, а так же в качестве поверхности. Регистрация биопотенциалов посредством регистрации импеданса тканей растения в совокупности с указанными выше параметрами дает возможность оценить фактически все необходимые для управления микроклиматом параметры растения. 1.з.п.ф-лы, 1 ил. ел С