Цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки, зокрема до засобів вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин. Цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин містить мікропроцесор, загальну шину, рідкокристалічний індикатор, інтерфейс зв'язку з антеною, перший виконавчий механізм і цифро-аналоговий перетворювач, які через загальну шину з'єднані з портом "А" мікропроцесора, джерело оптичного випромінювання, блок оптичних фільтрів, кінематично підключений до першого виконавчого механізму і послідовно з'єднані між собою імерсійний фотоприймач, керований підсилювач та аналого-цифровий перетворювач, виходи якого підключені до порту "В" мікропроцесора, вихід старшого розряду з'єднаний зі входом керування джерела оптичного випромінювання. Від відомих відрізняється тим, що в нього додатково введені накопичувач інформації, конфокальна діафрагма, другий, третій та четвертий виконавчі механізми, послідовно розташовані на основній оптичній осі джерело оптичного випромінювання, мікрооб'єктив, напівпрозора пластина і діафрагма. Запропоноване технічне рішення має розширені функціональні можливості та високу точність вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин за рахунок автоматичного виключення систематичних похибок вимірювання. UA 101245 C2 (12) UA 101245 C2 UA 101245 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для створення високоточних цифрових вимірювачів поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин для лабораторних досліджень, систем моніторингу навколишнього середовища, при дослідженнях фізіології рослин тощо. Відомий цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин (див., наприклад, Г.В. Хомяков, В.Я. Кобылянский, Г.К. Агаджанов, B.C. Маренков. Способ определения концентрации хлорофилла и устройство для его осуществления. А.С. № 1659797 А1. Бюл. № 24, 1991. Кл. G01 N21/64), який складається з корпусу, в якому розміщені канал потоку оптичного випромінювання, канал прийому люмінесценції, опорний канал, канал вимірювання прозорості середовища, вимірювальну камеру, електронний блок, а також канал прийому потоку оптичного випромінювання, що розсіюється, з'єднані між собою певним чином. Відомому цифровому вимірювачу притаманні обмежені функціональні можливості та недостатня точність вимірювання. Перший недолік обумовлений тим, що вимірювач реалізує тільки один спосіб вимірювання, яких не забезпечує вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу безпосередньо у листках рослин. Другий недолік обумовлений наявністю семи неідентичних каналів, кожний з яких вносить свою похибку у кінцевий результат визначення концентрації хлорофілу. Крім того, спосіб, який реалізується, не забезпечує виключення систематичних похибок, що обумовлені дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні блоки вимірювальних каналів, що зменшує точність отриманого результату вимірювання. У відомому технічному рішенні не вирішено питання зменшення й випадкових похибок вимірювання. Відомий цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин (див., наприклад, Е.И. Афонин и М.Е.- Г. Ли. Погружной спектрофлуориметр. А.С. № 842511, Кл. G01 N21/64, Бюл. № 24, 1981 г., РФ), що містить герметичний корпус із захисними ілюмінаторами, в якому розміщені канал джерела збуджуючого випромінювання з відбивачем і фотоприймачем, канал прийому випромінювання флуоресценції, розташований під кутом 90° до нього, опорний канал, розташований паралельно каналу джерела і містять по ходу променя світлові фільтри, відрізняється тим, що з метою підвищення точності вимірювань, він забезпечений каналом вимірювання прозорості середовища, що включає захисний ілюмінатор, частково покритий світловідбиваючим шаром, і відбивач, встановлений на фокусній відстані від захисного ілюмінатора і розташований після каналу джерела збуджуючого випромінювання. Відомому цифровому вимірювачу поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин притаманні обмежені функціональні можливості та точність вимірювання. Обмежені функціональні можливості обумовлені тим, що вимірювач реалізує спосіб вимірювання концентрації хлорофілу за спектром флуоресценції і не придатний до високоточного вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин. Відоме технічне рішення не забезпечує виключення систематичних похибок, що обумовлені дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні блоки вимірювального каналу. У відомому технічному рішенні не вирішено питання зменшення й випадкових похибок вимірювання. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого технічного рішення є цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин (див., наприклад, Відомий цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин (див., наприклад, Войтович И.Д., Корсунский В.М. Интеллектуальные сенсоры. БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2009), що містить мікропроцесор, загальну шину, рідкокристалічний індикатор, інтерфейс зв'язку з антеною, перший виконавчий механізм і цифро-аналоговий перетворювач, які через загальну шину з'єднані з портом "А" мікропроцесора, джерело оптичного випромінювання, блок оптичних фільтрів, кінематично підключений до першого виконавчого механізму, і послідовно з'єднані між собою імерсійний фотоприймач, керований підсилювач та аналого-цифровий перетворювач, виходи якого підключені до порту "В" мікропроцесора, вихід старшого розряду з'єднаний зі входом керування джерела оптичного випромінювання. Відомому цифровому вимірювачу поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин притаманні обмежені функціональні можливості та невелика точність вимірювання. Перший недолік обумовлений тим, що вимірювач реалізує тільки один спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу. Другий недолік обумовлений тим, що спосіб, який реалізується у відомому цифровому вимірювачі поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин не забезпечує виключення систематичних похибок, що обумовлені дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на функціональні блоки вимірювального каналу, а отже на параметри функції перетворення вимірювального каналу взагалі. Крім того відомий цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин не забезпечує виключення 1 UA 101245 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 інструментальної похибки, що обумовлена неточністю виготовлення оптичних елементів, їх запотіванням та забрудненням. Відомий цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин не забезпечує також виключення інструментальної похибки, що обумовлена самим аналого-цифровим перетворювачем та зменшення випадкових похибок вимірювання. Поставлена технічна задача розробки цифрового вимірювача поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, який би мав розширені функціональні можливості, тобто реалізував більше, ніж один спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу, забезпечував би виключення систематичних похибок результату вимірювання, у тому числі інструментальних похибок, що обумовлені неточністю виготовлення аналого-цифрового перетворювача та оптичних елементів каналу і похибок, обумовлених забрудненням та запотіванням оптичних елементів. Поставлена технічна задача вирішується шляхом розробки цифрового вимірювача поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, що містить мікропроцесор, загальну шину, рідкокристалічний індикатор, інтерфейс зв'язку з антеною, перший виконавчий механізм і цифро-аналоговий перетворювач, які через загальну шину з'єднані з портом «А» мікропроцесора, джерело оптичного випромінювання, блок оптичних фільтрів, кінематично підключений до першого виконавчого механізму і послідовно з'єднані між собою імерсійний фотоприймач, керований підсилювач та аналого-цифровий перетворювач, виходи якого підключені до порту «В» мікропроцесора, вихід старшого розряду з'єднаний зі входом керування джерела оптичного випромінювання, який від відомих відрізняється тим, що в нього додатково введені предметний стіл, накопичувач інформації, конфокальна діафрагма, другий, третій та четвертий виконавчі механізми, перший та другий з яких кінематично з'єднані з предметним столом і своїми входами підключені до загальної шини, послідовно розташовані на основній оптичній осі джерело оптичного випромінювання, зразок листка рослини, мікрооб'єктив, напівпрозора пластина і діафрагма-затвор, що кінематично з'єднана з виходом четвертого виконавчого механізму, цифрові входи якого підключені до загальної шини, з якою з'єднані й входи-виходи накопичувача інформації, причому вихід цифро-аналогового перетворювача підключений до входу керування підсилювача, напівпрозора пластина оптично з'єднана зі входом імерсійного фотоприймача через розташовані на одній оптичній осі конфокальну діафрагму і блок оптичних фільтрів, до трьох з яких додатково введений оптичний фільтр з нульовим коефіцієнтом поглинання послабленого потоку оптичного випромінювання, що надходить на вхід імерсійного фотоприймача від зразка листка досліджуваної рослини. Нижче на рисунку наведено функціональну схему цифрового вимірювача поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, де 1 - джерело оптичного випромінювання; 2 діафрагма-затвор; 3 - конфокальна діафрагма; 4 - напівпрозора пластина; 5 - мікрооб'єктив; 6 предметний стіл; 7 - стандартний зразок листка рослини; 8 - досліджуваний зразок листка рослини; 9, 10, 11 і 12 - перший, другий, третій та четвертий виконавчі механізми; 13 - блок оптичних фільтрів; 14 - імерсійний фотоприймач; 15 - керований підсилювач; 16 - аналогоцифровий перетворювач; 17 - цифро-аналоговий перетворювач; 18 - інтерфейс зв'язку з антеною; 19 - цифровий відліковий пристрій (рідкокристалічний індикатор); 20 - мікропроцесор; 21 - накопичувач інформації; 22 - загальна шина. Згідно з наведеною функціональною схемою цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, що містить мікропроцесор 20, загальну шину 22, цифровий відліковий пристрій 19, інтерфейс зв'язку з антеною 18, перший виконавчий механізм 9 і цифроаналоговий перетворювач 17. Зазначені функціональні блоки через загальну шину 22 з'єднані з портом "А" мікропроцесора 20. Цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин включає також джерело оптичного випромінювання 1, блок оптичних фільтрів 13, що кінематично підключений до першого виконавчого механізму 9, і послідовно з'єднані між собою імерсійний фотоприймач 14, керований підсилювач 15 та аналого-цифровий перетворювач 16. Виходи аналого-цифрового перетворювача 16 підключені до порту "В" мікропроцесора 20, вихід старшого розряду з'єднаний зі входом керування джерела оптичного випромінювання 1. Від відомих цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин відрізняється тим, що в нього додатково введені предметний стіл 6, накопичувач інформації 21, конфокальна діафрагма 3, другий, третій та четвертий виконавчі механізми 10, 11 та 12, перший та другий з яких кінематично з'єднані з предметним столом 6 і своїми входами підключені до загальної шини 22. Додатково введені також послідовно розташовані на основній оптичній осі, що з'єднана з джерелом оптичного випромінювання 1, зразок листка рослини 8 (чи 7), мікрооб'єктив 5, напівпрозора пластина 4 і діафрагма 2, що кінематично з'єднана з виходом 2 UA 101245 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 четвертого виконавчого механізму 12, цифрові входи якого підключені до загальної шини 22, з якою з'єднані й входи-виходи накопичувача інформації 21, причому вихід цифро-аналогового перетворювача 17 підключений до входу керування підсилювача 15, напівпрозора пластина 4 оптично з'єднана зі входом імерсійного фотоприймача 14 через розташовані на одній оптичній осі конфокальну діафрагму 3 і блок оптичних фільтрів 13, до трьох з яких додатково введений оптичний фільтр з нульовим коефіцієнтом поглинання потоку оптичного випромінювання, що надходить на вхід імерсійного фотоприймача 14. Пояснимо сутність роботи цифрового вимірювача поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин. Робота цифрового вимірювача поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин складається з дев'яти тактів вимірювання (5+4) та двох тактів обчислення. Перед початком роботи у оперативну пам'ять мікропроцесора 20 вводяться відомі значення коефіцієнтів, що характеризують досліджуваний чи стандартний зразки листка рослини з урахуванням їх можливих значень: kп0=0,85,…,0,95; kпх=0,85,…,0,95; Воп=0,…,0,1, Впз=0,…,0,25,  Воп Впв  2 2 kр1=0,01,…,0,3; kк  е ; sx=10 мм чи sx=100 мм , та Noп=5. У першому такті предметний стіл 6 за командою з мікропроцесора 20, що надходить на третій виконавчий механізм 11 з порту «А» встановлюється у положення, при якому зразки листків рослин 7 та 8 знаходяться за межею дії сфокусованого потоку оптичного випромінювання. Після включення напруги живлення, всі функціональні блоки цифрового вимірювача поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин встановлюються у початковий стан. Одночасно включається джерело оптичного випромінювання 1. За командою з мікропроцесора 20, що надійшла на цифровий вхід першого виконавчого механізму 9, блок оптичних фільтрів 13 встановлюється у положення, показане на рисунку. Як видно з рисунку, при заданому положенні блока оптичних фільтрів, відбитий потік оптичного випромінювання повністю надходить на вхід імерсійного фотоприймача 14. За допомогою імерсійного фотоприймача 14 зазначений потік оптичного випромінювання перетворюється у напругу, яка підсилюється за допомогою керованого підсилювача 15 до стандартного значення, наприклад, U0=5В. Отримана напруга за допомогою аналого-цифрового перетворювача 16 перетворюється у код числа N0 і запам'ятовуються у оперативній пам'яті мікропроцесора 20. Цей код числа по команді з мікропроцесора 20 порівнюється з кодом числа Nоп, що відповідає опорній напрузі U0=5В. Якщо N0Noп, то визначається різниця цих кодів, яка по команді з мікропроцесора 20 формується сигнал керування потужністю Ф0 потоку оптичного випромінювання, який надходить на вхід керування джерела оптичного випромінювання 1 з виходу порту «А» мікропроцесору 20 через загальну шину 22. Досягнення заданої потужності випромінювання визначається моментом досягнення рівності кодів чисел, тобто при N0=Noп. Цей процес може повторюватись ітеративно декілька разів до встановлення рівності N0=Noп. Це забезпечує встановлення нормованої за значенням потужності потоку оптичного випромінювання. Після цього за командою з мікропроцесора 20 блок оптичних фільтрів 13 встановлюється у таке положення, при якому на шляху потоку оптичного випромінювання встановлюється оптичний фільтр з центральною довжиною хвилі 1 і смугою пропускання 2·0. Відбитий від предметного столика 6 потік оптичного випромінювання через оптичний фільтр з центральною довжиною хвилі 1 і смугою пропускання 2·0 надходить на вхід імерсійного фотоприймача 14. За допомогою імерсійного фотоприймача 14 потік оптичного випромінювання з довжиною хвилі 1 перетворюється у напругу, яка підсилюється за допомогою керованого підсилювача 15 у kf1 раз до отримання стандартного значення, наприклад, U0=5В. Отримана напруга за допомогою аналого-цифрового перетворювача 16 перетворюється у код числа N01 і запам'ятовуються у оперативній пам'яті мікропроцесора 20. Цей код числа по команді з мікропроцесора 20 порівнюється з кодом числа Noп, що відповідає опорній напрузі U0=5В. Якщо N01Noп, то визначається різниця цих кодів, яка по команді з мікропроцесора 20 формується сигнал керування потужністю Ф0 потоку оптичного випромінювання, який надходить на вхід керування джерела оптичного випромінювання 1 з виходу порту "А" мікропроцесору 20 через загальну шину 22. Досягнення заданої потужності випромінювання визначається моментом досягнення рівності кодів чисел, тобто при N01=Noп. Цей процес може повторюватись ітеративно декілька разів до встановлення рівності N01=Noп. Це забезпечує встановлення нормованої за значенням потужності потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі 1. Потім за командою з мікропроцесора 20 блок оптичних фільтрів 12 встановлюється у таке положення, при якому на шляху потоку оптичного випромінювання встановлюється оптичний фільтр з центральною довжиною хвилі 2 і смугою пропускання 2·0. 3 UA 101245 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відбитий від предметного столика 6 потік оптичного випромінювання через оптичний фільтр з центральною довжиною хвилі 2 і смугою пропускання 2·0 надходить на вхід імерсійного фотоприймача 14. За допомогою імерсійного фотоприймача 14 потік оптичного випромінювання з довжиною хвилі 2 перетворюється у напругу, яка підсилюється у kf2 разів за допомогою керованого підсилювача 15 до встановлення стандартного значення напруги, наприклад, U0=5В. Отримана напруга за допомогою аналого-цифрового перетворювача 16 перетворюється у код числа N02 і запам'ятовуються у оперативній пам'яті мікропроцесора 20. Цей код числа по команді з мікропроцесора 20 порівнюється з кодом числа Noп, що відповідає опорній напрузі U0=5В. N02Noп, то визначається різниця цих кодів. По команді з мікропроцесора 20 формується пропорційний різниці кодів цифровий сигнал керування потужністю Фо потоку оптичного випромінювання. Зазначений цифровий сигнал надходить на вхід керування джерела оптичного випромінювання 1 з виходу порту «А» мікропроцесору 20 через загальну шипу 22. Досягнення заданої потужності випромінювання визначається моментом досягнення рівності кодів чисел, тобто при N02=Noп. Цей процес може повторюватись ітеративно декілька разів до встановлення рівності N02=Noп. Це забезпечує встановлення нормованої за значенням потужності Ф 0 потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі 2. Після цього за командою з мікропроцесора 20 блок оптичних фільтрів 12 встановлюється у таке положення, при якому на шляху потоку оптичного випромінювання встановлюється оптичний фільтр з центральною довжиною хвилі 3 і смугою пропускання 2·0. Відбитий від предметного столика 6 потік оптичного випромінювання через оптичний фільтр з центральною довжиною хвилі 3, і смугою пропускання 2·0 надходить на вхід імерсійного фотоприймача 14. За допомогою імерсійного фотоприймача 14 потік оптичного випромінювання з довжиною хвилі 3 перетворюється у напругу, яка підсилюється у kf3 за допомогою керованого підсилювача 15 до отримання стандартного значення напруги, наприклад, U0=5В. Отримана напруга за допомогою аналого-цифрового перетворювача 16 перетворюється у код числа N03 і запам'ятовуються у оперативній пам'яті мікропроцесора 20. Цей код числа по команді з мікропроцесора 20 порівнюється з кодом числа Noп, що відповідає опорній напрузі U0=5В. Якщо N03Noп, то визначається різниця цих кодів, яка по команді з мікропроцесора 20 формується сигнал керування потужністю Ф0 потоку оптичного випромінювання, який надходить на вхід керування джерела оптичного випромінювання 1 з виходу порту "А" мікропроцесору 20 через загальну шину 22. Досягнення заданої потужності випромінювання визначається моментом досягнення рівності кодів чисел, тобто при N03=Noп. Цей процес може повторюватись ітеративно декілька разів до встановлення рівності N03=Noп. Це забезпечує встановлення нормованої за значенням потужності потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі 3. У другому такті вимірювання за командою з мікропроцесора 20, що надходить на виконавчий механізм 11, предметний столик 6 встановлюється у положения, що показане на рисунку, при якому потік оптичного випромінювання з джерела оптичного випромінювання 1 надходить на досліджуваний зразок листка рослини 8. Одночасно на вхід керування виконавчого механізму 9, блок оптичних фільтрів 13 встановлюється таким чином, що між конфокальною діафрагмою 3 і імерсійним фотоприймачем 14 встановлюється оптичний фільтр з центральною довжиною хвилі 1 і смугою пропускання 2·0. Потік оптичного випромінювання від джерела оптичного випромінювання 1 через відкриту діафрагму-затвор 2 надходить через напівпрозору пластину 4 на мікрооб'єктив 5, за допомогою якого фокусується на поверхню досліджуваного зразка листка рослини 8. Частина зазначеного потоку оптичного випромінювання поглинається, частина розсіюється, а частина відбивається від поверхні зразка рослини 8. Відбитий потік оптичного випромінювання фокусується мікрооб'єктивом 5 на напівпрозору пластину 4, від якої він відображається і проходить через конфокальну діафрагму 3 та оптичний фільтр з центральною довжиною хвилі 1 і смугою пропускання 2·0 надходить на оптичний вхід Імерсійного фотоприймача 14. За допомогою імерсійного фотоприймача 14 потужність відбитого і ослабленого потоку випромінювання перетворюється в оптичний сигнал. За допомогою керованого підсилювача 15 цей сигнал посилюється при коефіцієнті підсилення підсилювача 15 рівному kf1, яке встановлене апріорі по команді з мікропроцесора 20, що надходить через порт "А" й загальну шину 22 на цифро-аналоговий перетворювач 17. Вихідний сигнал керованого підсилювача 15 у вигляді напруги U1 надходить на вхід аналого-цифрового перетворювача 16 і перетворюється у код числа k C k s B В  k s B В  N1  Sпрk ф1Sл1 0 1  k пх е 1 x p1 0 оп пз  1  k пх е p1 0 оп пз    N'0       , (1) 4 UA 101245 C2 5 10 15 де Sпp - крутість перетворення аналого-цифрового перетворювача; S'n - крутість перетворення електронного каналу на час вимірювання; Sп - номінально зазначена крутість перетворення електронного каналу; л - відносне відхилення крутості перетворення під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів; Ф0 - світловий потік; kпх - коефіцієнт перекриття хлорофілу; kф1 - коефіцієнт передачі оптичного фільтра на довжині хвилі 1; k1 - коефіцієнт поглинання на довжині хвилі 1; Сх - вимірювана концентрація; kр1 - коефіцієнт розсіювання; s0 - площа листка; Boп - показник оптичних втрат; Впз - показник забруднення; U'0 - напруга зсуву. Отриманий цифровий код числа N1 через порт "В" надходить в оперативну пам'ять і запам'ятовується. При наявності перешкод і шумів процес вимірювання в другому такті може бути збільшений до 30-50 разів з подальшою статистичною обробкою отриманих результатів. У третьому такті по команді з мікропроцесора 20 перший виконавчий механізм 9 встановлює блок оптичних фільтрів 13 в положення, при якому з відбитого і ослабленого потоку оптичного випромінювання виділяється складова потоку з довжиною хвилі 2 і смугою пропускання 2·0. Процес перетворення в код повторюється відповідно описаного вище. Напруга з виходу керованого підсилювача 15 надходить на вхід аналого-цифрового перетворювача 16. Вихідний сигнал підсилювача 15 у вигляді напруги U2 надходить на вхід аналого-цифрового перетворювача 16 і перетворюється у код числа  k C  k s  B  В   k s  B  В  N2  Sпр k ф2S л2  0 1  k пх е  2 x p1 0 оп пз  1  k пх е p1 0 оп пз    N'0       , (2) 20 25 де kф2 - коефіцієнт передачі оптичного фільтра на довжині хвилі 2. Отриманий цифровий код числа N2 через порт "В" надходить в оперативну пам'ять і запам'ятовується. При наявності перешкод і шумів процес вимірювання в другому такті може бути збільшений до 30-50 разів з подальшою статистичною обробкою отриманих результатів. У четвертому такті по команді з мікропроцесора 20 перший виконавчий механізм 9 встановлює блок оптичних фільтрів 13 в четверте положення, при якому з відбитого і ослабленого потоку оптичного випромінювання виділяється складова на довжині хвилі 3 при смузі пропускання 2·0. В результаті подальших перетворень на виході керованого підсилювача 15 з'являється напруга U3. Ця напруга перетворюється за допомогою аналогоцифрового перетворювача 16 в код числа  k C  k s  B  В   k s  B  В  N3  Sпр k ф3 S 'л3  0 1  k пх е  3 x p1 0 оп пз  1  k пх е p1 0 оп пз    N'0       , (3) 30 35 де kф3 - коефіцієнт передачі оптичного фільтра на довжині хвилі 3, і запам'ятовується в оперативній пам'яті мікропроцесора 20. У п'ятому такті по команді з мікропроцесора 20 перший виконавчий механізм 12 встановлює діафрагму-затвор у закрите положення, тобто перекривається дія потоку оптичного випромінювання на вхід імерсійного фотоприймача 14 через оптичний фільтр з центральною довжиною хвилі 3 і смузі пропускання 2·0. Вихідна напруга керованого підсилювача 15 являє собою напругу зміщення або дрейф нуля вимірювального каналу. Ця напруга за допомогою аналого-цифрового перетворювача 16 перетворюється в код числа N4  Sпр k ф3 S 'л4  00  1  k пх е     40    k  3Cx  kp1 s0  Bоп  Впз де 50   N'0 (4) і запам'ятовується в оперативній пам'яті мікропроцесора 20. У шостому такті здійснюється обробка результатів проміжних вимірювань за допомогою мікропроцесора 20 за відповідним рівнянням числових значень, яке визначене в неявному вигляді: N3  N4 N1  N2   k1Cx  CmCx kp sx   k 2 Cx  Cm Cx kp sx    e '  k k пх N3 N0  N4  45   1  k е  kp1s0  Bоп  Впз     N' пх 0  N0  Sпр S 'л1k ф1Ф0 e  Sпр S 'л2k ф2Ф0    Sпр S 'л3k ф3 Ф0 k' ( пх ; ' k пх , (5) задане  0,85,...,0,95 значення коефіцієнта перекриття хлорофілу для даного виду рослини ); kк - корегувальний коефіцієнт Воп  Впз  k e 2 2 (  ), Воп=0,…,0,1, Впз=0,…,0,25, kр1=0,01,…,0,3, sx=10 мм чи sx=100 мм . Питоме значення сх поверхневої концентрації хлорофілу визначають шляхом ділення отриманого значення концентрації Сх на значення площі sx досліджуваного зразка листка рослини, тобто сх=Cх/sх. (6) При наявності стандартного зразка поверхневої концентрації хлорофілу з нормованими за значенням концентрацією хлорофілу C0 в листках рослини, площею s0 і коефіцієнтом 5 UA 101245 C2 5 перекриття kп0 вимірювання можна здійснити з більш високою точністю при деяких витратах у часі (тривалістю у чотири додаткових тактів) наступним чином. Для цього за командою, що надходить на третій виконавчий механізм 11 з порту "А" мікропроцесора 20 предметний стіл 6 встановлюється у положення, при якому центр стандартного зразка 7 листка рослини співпадає з оптичною віссю джерела оптичного випромінювання 1. Чотирьохтактний процес вимірювання здійснюється аналогічним чином. В результаті отримують наступні коди чисел: ' N1  Sпр k ф1S 'л1 0 1  k п0 е     N'2 N'3    1  k е  kp2s0  Bоп  Впз    N' п0 0   , (7)  Sпр k ф2S 'л2  0 1   k е  k  2C0  kp 2 s0  Bоп  Впз   1  k е  kp 2s0  Bоп  Впз     N' п0 0  п0     Sпр k ф3 S 'л3  0 1   k е  k  3C0  kp 2 s0  Bоп  Впз   1  k е  kp 2s0  Bоп  Впз     N' п0 0  п0    10 N4  15   k 1C0  kp 2 s0  Bоп  Впз   Sпр k ф3 S 'л4  00 , (8) , (9)  k C  k s  B  В   k s  B  В   1  k п0 е  3 0 p 2 0 оп пз  1  k п0 е p 2 0 оп пз    N'0  N'0       , (10) де knQ- відоме значення коефіцієнта перекриття хлорофілу для стандартного зразка листка 2 2 досліджуваного виду рослини (kп0=0,85,…,0,95); s0=10 мм чи s0=100 мм ; kр2=0,…,0,3. Практично вибирають kр1=kр2=kр=0,01,…,0,3. Після проведення десяти тактів вимірювання послаблених потоків оптичного випромінювання про дійсне значення поверхневої концентрації листка рослини судять за рівнянням числових значень k 1Cx  100  Cx kp1sx  k  2 Cx  100  Cx kp1sx  ' k п0 N3 N1  N2 N1  N2 e e    ' ' ' '  k 1Cx  100  C0 kp1s0   k C  100  C0 kp 2 s0  k пх N3 N1  N2 N3  N4 e  e 2 0 . (11) 20 25 30 35 40 45 50 Практично площі досліджуваного та стандартного зразків листка рослини вибирають 2 2 рівними між собою ({sx}=(s0)), тобто sx=s0=10 мм чи sx=s0=100 мм . Питоме значення сх поверхневої концентрації хлорофілу визначають шляхом ділення отриманого значення концентрації Сх на значення площі s0 досліджуваного зразка листка рослини згідно з (7). Отримані результати вимірювання (6) і (12) відображається за допомогою цифрового відлікового пристрою 19 (рідкокристалічного індикатора) у вигляді, зручному для сприйняття та подальшого використання. Кожне з проведених вимірювань по команді з мікропроцесора 20 записується в накопичувач інформації 21. В накопичувачі інформації 21 отримані результати структуруються по виду рослин, за віком, по сезону, по температурі навколишнього середовища і так далі. Періодично, 1 раз за зміну, структуровані результати вимірювань через інтерфейс зв'язку 18 передаються у центральну лабораторію росту рослин. Розширення функціональних можливостей та підвищення точності вимірювання досягнуто за рахунок введення у вимірювач предметного столу 6, накопичувача інформації 21, конфокальної діафрагми 3, другого, третього та четвертого виконавчих механізмів 10, 11 та 12, послідовно розташованих на основній оптичній осі досліджуваного та стандартного зразка листка рослини 8 (чи 7), мікрооб'єктив 5, напівпрозорої пластини 4 і діафрагми-затвору 2, що з'єднані між собою та з відомими функціональними блоками відповідним чином. Виключення систематичних похибок вимірювання забезпечується за рахунок використання часового розділення каналів, тобто використання одного й того ж фізичного оптикоелектронного каналу, параметри функції перетворення якого не змінюються за короткий час циклу вимірювання (що складається з тактів вимірювання та обробки отриманих даних). Завдяки використанню другого та третього виконавчих механізмів 10 та 11 забезпечується установка зразків 8 (чи 7) листка рослини з високою точністю по центру оптичної осі. Наявність конфокальної діафрагми 3 забезпечує виключення потоку оптичного випромінювання, що розсіюється краями зразків 8 (чи 7). Встановлення однакових між собою коефіцієнтів підсилення оптичного потоку на різних довжинах хвиль забезпечується за рахунок введення в блок оптичних фільтрів 13 оптичного фільтра з нульовим значенням коефіцієнта поглинання. Це виключає вплив потужності потоку оптичного випромінювання, що генерує джерело оптичного випромінювання 1, та довгострокової нестабільності цього потоку на кінцевий результат вимірювання. За рахунок введення в блок оптичних фільтрів 13 оптичного фільтра з нульовим коефіцієнтом поглинання забезпечується як встановлення необхідних значень коефіцієнтів підсилення на різних довжинах хвиль, так й та виключення адитивної складової систематичної похибки, що обумовлена дрейфом нуля підсилювача 15. 6 UA 101245 C2 5 10 Виключення інструментальної похибки, що обумовлена неточністю виготовлення оптичних елементів 3, 4, 5, 13 та похибки, що вноситься аналого-цифровим перетворювачем 16 забезпечується, по-перше шляхом забезпечення ідентичності оптико-електронного каналу у всіх тактах вимірювання та обробкою результатів проміжних вимірювань за рівнянням числових значень (6) чи (12). Включення діафрагми-затвора 2 забезпечило визначати дрейф нуля вимірювального каналу у необхідні моменти часу. Таким чином вирішена поставлена технічна задача розробки цифрового вимірювача поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, який має розширені функціональні можливості, тобто реалізує два способи вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу, і забезпечує виключення систематичних похибок результатів вимірювання, у тому числі інструментальні похибки, що обумовлені неточністю виготовлення оптичних елементів та аналого-цифрового перетворювача. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 Цифровий вимірювач поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, що містить мікропроцесор, загальну шину, рідкокристалічний індикатор, інтерфейс зв'язку з антеною, перший виконавчий механізм і цифро-аналоговий перетворювач, які через загальну шину з'єднані з портом "А" мікропроцесора, джерело оптичного випромінювання, блок оптичних фільтрів, кінематично підключений до першого виконавчого механізму, і послідовно з'єднані між собою імерсійний фотоприймач, керований підсилювач та аналого-цифровий перетворювач, виходи якого підключені до порту "B" мікропроцесора, вихід старшого розряду з'єднаний зі входом керування джерела оптичного випромінювання, який відрізняється тим, що в нього додатково введені накопичувач інформації, конфокальна діафрагма, другий, третій та четвертий виконавчі механізми, перший та другий з яких кінематично з'єднані з предметним столом і своїми входами підключені до загальної шини, послідовно розташовані на основній оптичній осі джерело оптичного випромінювання, мікрооб'єктив, напівпрозора пластина і діафрагма-затвор, що кінематично з'єднана з виходом четвертого виконавчого механізму, цифрові входи якого підключені до загальної шини, з якою з'єднані й входи-виходи накопичувача інформації, причому вихід цифро-аналогового перетворювача підключений до входу керування підсилювача, напівпрозора пластина оптично з'єднана зі входом імерсійного фотоприймача через розташовані на одній оптичній осі конфокальну діафрагму і блок оптичних фільтрів, до трьох з яких додатково введений оптичний фільтр з нульовим коефіцієнтом поглинання послабленого потоку оптичного випромінювання, що надходить на вхід імерсійного фотоприймача від зразка листка досліджуваної рослини. 7 UA 101245 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8