Спосіб надлишкових вимірювань поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин

Реферат: Спосіб надлишкових вимірювань поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин належить до оптики, а саме до вимірювальної техніки, і може бути використаний при створенні високоточних вимірювачів поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин різних видів. Спосіб оснований на формуванні нормованих за значенням потужності Ф0 потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1 , 2 і 3 та смугами пропускання k 2 0 , де k 2  2 , які направляють на досліджуваний зразок листка рослини. Зазначеними потоками оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1 , 2 і 3 аналогічним чином додатково і почергово опромінюють стандартний зразок листка рослин з відомою за значенням концентрацією C 0 хлорофілу і з нормованою за значенням площею s 0 під раніше вибраним кутом  . Перетворюють потужності відбитих під тим же кутом та послаблених потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1 , 2 і 3 , в межах смуг пропускання k 2 0 , у напруги, їх UA 101241 C2 (12) UA 101241 C2 підсилюють, вимірюють, запам'ятовують отримані значення напруг. А про поверхневу концентрацію хлорофілу досліджуваного зразка листка рослини судять за отриманим у неявному вигляді рівнянням вимірювань:  k C  C  C k s  k C  C  C k s  k ПХ U1  U 2 e 1 x m x px x  e  2 x m x px x ,   k 1C0  Cm C0 k p 0 s0  k C  C  C k s    k П 0 U1  U 2 e  e  2 x 0 0 p0 0      де k ПХ  U 3  U 4  / U 3 , k П 0  U 3  U 4 / U 3 , причому питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням величин c ХП  С х / s x . При наявності випадкових завад та шумів на виході вимірювального каналу, до визначення дійсного значення концентрації хлорофілу у листку рослини кожну з напруг додатково вимірюють 9-50 разів, знаходять їх середньостатистичні значення та дисперсії чи невизначеності та використовують для отримання кінцевого результату. Технічним результатом є підвищення точності визначення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин за рахунок автоматичного виключення систематичних похибок вимірювання, а при багаторазових вимірюваннях зменшення й випадкової складової похибки. UA 101241 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до області вимірювальної техніки, зокрема до способів і пристроїв вимірювання концентрації хлорофілу у листках рослин, і може бути використаний при створенні високоточних вимірювачів поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин різних видів, а також при створенні оптико-електронних систем зондування полів рослин та лісів (бажано одного виду) на інтегральний зміст хлорофілу у них після дії різних зовнішніх фізичних, фізикохімічних чи хімічних факторів на них. Відомий спосіб надлишкових вимірювань поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, який полягає у тому, що досліджуваний зразок листка розтирають, роблять спиртову витяжку хлорофілу, заливають її в кювету і спектрофотометричним методом визначають концентрацію хлорофілу у розчині. Отримане значення перераховують у поверхневу густину з урахуванням відомої площі досліджуваного зразка. Однак дослідження показали (http://www.bsu.ru/content/hecadem/bahanova_mv/ сl_718/files/mzip_618_14705/index.htm. 5.5. Химические свойства хлорофилла), що властивості хлорофілу, який міститься у листі і виділений з листка, різні, тому що у листі він знаходиться у комплексному з'єднанні з білком. Це доказується наступними даними: 1.Спектр поглинання хлорофілу, що знаходиться у листі, інший у порівнянню з виділеним хлорофілом. 2. Хлорофіл неможливо виділити абсолютним спиртом із сухих листів. Екстракція протікає успішно, тільки у випадках, коли листя зволожити чи до спирту добавити води, яка розрушає зв'язок між хлорофілом і білком. 3. Виділений із листка хлорофіл легко піддається руйнуванню під впливом самих різноманітних дій (підвищена кислотність, кисень и навіть світло). Тому доцільним є розробка способів, які не потребують використання спиртової витяжки хлорофілу. В цілому відомому способу притаманні недостатня точність визначення поверхневої концентрації, яка обумовлена невідповідністю показників поглинання нативного хлорофілу та виділеного, впливом запотівання та забруднення оптичних елементів вимірювача на кінцевий результат, а також нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу обумовленою дією зовнішніх дестабілізуючих факторів. Відомий спосіб надлишкових вимірювань поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин (Красников В. В. и др. Спектральный люминесцентный анализ пищевых продуктов / В. В. Красников, Е. И. Тимошкин, А. В. Титкова. - М.: Агропромиздат, 1987.- С. 23-29), заснований на формуванні нормованих за значенням потужності Ф0 потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1 і  2 та практично однаковими смугами пропускання k 20 , де k 2  2 , k k встановлюють, з урахуванням коефіцієнтів передачі ф1 і ф 2 оптичних фільтрів, значення коефіцієнтів перетворення у напруги відбитих потоків оптичного випромінювання та підсилення U  S 1k ф1Ф0  S 2k ф2Ф0 л л цих напруг за умовою, що 0 , опроміненні досліджуваного зразка листка C х хлорофілу і з нормованою за значенням рослини з невідомою за значенням концентрацією площею 40 45 50 s0 , перетворенні потужностей відбитих та послаблених потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1 і  2 (в межах смуг пропускання k 22 ) у напруги, їх підсиленні, вимірюванні і запам'ятовуванні отриманих значень напруг та значень коефіцієнтів поглинання з наступним визначенням дійсного значення поверхневої концентрації хлорофілу за відомим рівнянням вимірювань. Відомому способу притаманні недостатня точність визначення концентрації, яка обумовлена впливом запотівання та забруднення оптичних елементів вимірювача на кінцевий результат, нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів, а також труднощами у визначенні коефіцієнтів поглинання та розсіювання хлорофілу різними видами рослин. Відомий спосіб визначення концентрації хлорофілу у листах рослин (Войтович И. Д., Корсунский В. М. Интеллектуальные сенсоры. БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернетуниверситет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2009), заснований на формуванні нормованих за значенням потужності Ф0 потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль K і ИK , опроміненні досліджуваного (з невідомою за значенням концентрацією C х хлорофілу) зразків листка рослин з нормованої за значенням площею s0 , перетворенні 1 UA 101241 C2 ИК потужностей потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль  K і ИK у напруги UЛ та UК  , вимірюванні останніх, запам'ятовуванні отриманих значень напруг та визначенні значення Л поверхневої концентрації хлорофілу за рівнянням вимірювань  5 10 15 20 25 30  К  C х  ln UИК / UК   1   UИК / k ПХ , Л Л Л UИК  Л де - напруга, пропорційна інтенсивність потоку оптичного випромінювання, що UК  пройшов через досліджуваний зразок листка на інфрачервоній опорній) довжини хвилі; Л напруга, пропорційна інтенсивності потоку оптичного випромінювання, що пройшов через k К  досліджуваний зразок листка на червоній довжині хвилі; ПХ - питомий коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання хлорофілом;  - коефіцієнт перекриття. Відомому способу притаманна низька точність визначення поверхневої концентрації, яка обумовлена необхідністю апріорного визначення значення питомого коефіцієнта поглинання потоку оптичного випромінювання хлорофілом та значення коефіцієнта перекриття досліджуваного зразка листка хлорофілом. Крім того, недостатня точність визначення поверхневої концентрації обумовлена послабленням потужності потоків оптичного випромінювання, що вимірюється, за рахунок поглинання їх запотілими (пітними) та забрудненими оптичними елементами вимірювача, а також нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів та їх абсолютних значень. Поставлена технічна задача створення такого способу визначення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, в якому, шляхом введення нових операцій вимірювання, нового порядок і умов їх проведення, забезпечилось би підвищення точності визначення концентрації хлорофілу у листках рослин за рахунок виключення впливу на кінцевий результат похибок, обумовлених зменшенням потужності потоків оптичного випромінювання за рахунок запотівання та забрудненням оптичних елементів вимірювача, виключення систематичних похибок, обумовлених нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів та їх абсолютних значень, а також похибок, обумовлених відхиленнями значення коефіцієнта перекриття досліджуваного зразка листка від стандартного зразка, що відтворює нормовану за значенням поверхневу концентрацію хлорофілу. Вирішення поставленої технічної задачі досягається тим, що спосіб надлишкових вимірювань поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин оснований на формуванні нормованих за значенням потужності Ф0 потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1,2 і  3 та практично однаковими смугами пропускання k 20 , де k 2  2 , встановленні, з 35 k ,k k урахуванням коефіцієнтів передачі ф1 ф2 і ф 3 оптичних фільтрів, таких значень коефіцієнтів  л л перетворення S 1, S 2 і Sл3 у напруги відбитих потоків оптичного випромінювання та підсилення цих напруг, за якими значення напруг перетворення потоків оптичного 1,2 3 , випромінювання на довжинах хвилі і рівні між собою, тобто U0   U01  U02  U03   Sл1kф1Ф0   Sл2kф2Ф0   Sл3 kф3 Ф0  , направленні потоків оптичного випромінювання на досліджуваний зразок листка рослини з невідомою за значенням C 40 s концентрацією х хлорофілу і з нормованою за значенням площею x під заданим кутом  , опроміненні його, перетворенні потужностей відбитих під тим же кутом  та послаблених потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1, 2 і  3 (в межах смуг пропускання k20 ) у напруги, їх підсиленні, вимірюванні і запам'ятовуванні отриманих значень напруг та значень коефіцієнтів поглинання з наступним визначенням дійсного значення поверхневої концентрації хлорофілу за відомим рівнянням вимірювань. Від відомих спосіб відрізняється тим, 45  ,  1 2 3 що зазначеними потоками оптичного випромінювання з довжинами хвиль і аналогічним чином додатково і почергово опромінюють стандартний зразок листка рослин з C s відомою за значенням концентрацією 0 хлорофілу і з нормованою за значенням площею 0 під раніше вибраним кутом  , перетворюють потужності відбитих під тим же кутом та послаблених потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 2 1, 2 і 3 (в межах смуг UA 101241 C2 пропускання k20 ) у напруги, їх підсилюють, вимірюють, запам'ятовують отримані значень напруг, а про поверхневу концентрацію хлорофілу досліджуваного зразка листка рослини судять за отриманим у неявному вигляді рівнянням вимірювань   k C  C C k s   k C  C C k s 1 x m x px x k  e  2 x m x px x пх  U1  U2  e k C  C C k s k C  C C k s  k 0 U1  U п 2 e 1 0 m 0 p 0 0  e  2 x 0 0 p 0 0 , пх п 3 4 3 де k  U3  U4  / U3, k 0  U  U / U ; U1 - напруга, що отримана від перетворення потоку 5 оптичного випромінювання з довжиною хвилі 1 , відбитого від досліджуваного зразка листка рослини; U2 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі  2 , відбитого від досліджуваного зразка листка рослини; U3 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі  3 , відбитого 10 від досліджуваного зразка листка рослини; U4 - напруга, що отримана при нульовому значенні  потужності потоку оптичного випромінювання; U1 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі 1 , відбитого від стандартного зразка листка рослини 1 ; U 2 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного  15 випромінювання з довжиною хвилі  2 , відбитого від стандартного зразка листка рослини, U3 напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі 3  , відбитого від стандартного зразка листка рослини; U4 - напруга, що отримана при нульовому значенні потужності потоку оптичного випромінювання; k 1 - коефіцієнт поглинання хлорофілу а і хлорофілу b на довжині хвилі 1 ; k 2 - коефіцієнт поглинання хлорофілу а і хлорофілу b на довжині хвилі  2 ; px і p0 - коефіцієнти розсіювання потоку оптичного випромінювання досліджуваним та стандартним зразками листка рослини одного й того ж виду, k 20 25 k причому питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням величин c хп  Сх / sx . Спосіб за п. 1 від відомих відрізняється тим, що, при наявності випадкових завад та шумів на виході вимірювального каналу, до визначення дійсного значення концентрації хлорофілу у листку рослини кожну з напруг додатково вимірюють 9-34 чи 35-50 (100) разів, знаходять їх середньостатистичні значення та дисперсії (чи невизначеності), використовують для отримання кінцевого результату. На фіг. 1 наведені спектральні характеристики хлорофілу а і хлорофілу b, де відмічені  30 35  робочі довжини хвиль, наприклад 1, 2 і  3 або 1, 3 . На фіг. 2 наведена функціональна схема пристрою для визначення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, де 1 - джерело оптичного випромінювання, 2 діафрагма, 3 - оптична система, що складається з напівпрозорого дзеркала 4 і мікрооб'єктива 5; 6 - досліджуваний об'єкт (зразок листка рослини); 7 - предметний стіл; 8 - конфокальна діафрагма; 9 - блок оптичних фільтрів; 10 - імерсійний фотоприймач з керованим коефіцієнтом підсилення; 11 - цифровий мілівольтметр. Суть запропонованого способу надлишкових вимірювань поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин оснований на формуванні нормованих за значенням потужності Ф0 потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1 і  2 та практично однаковими смугами пропускання k20 , де k 2  2 . Це здійснюється шляхом формування нормованого за 40 значенням потужності Ф0 потоку оптичного інфрачервоного випромінювання, що перекриває весь робочий діапазон довжин хвиль від 400 нм до 700 нм, з наступним виділенням робочих потоків оптичного випромінювання за допомогою оптичних чи інтерференційних фільтрів з заданими смугами пропускання k20 на робочих довжинах хвиль 1, 2 і  3 . Зазначені потоки оптичного випромінювання можна також сформувати за допомогою лазерів, що генерують їх на  , 45  заданих довжинах хвиль 1 2 і 3 . Це вже питання реалізації. При цьому, у запропонованому способі встановлюють, з урахуванням коефіцієнтів передачі kф1, kф2 і k ф3 оптичних фільтрів, такі значення коефіцієнтів перетворення 3 S 1, S 2 л л і S 3 л у UA 101241 C2 напруги відбитих потоків оптичного випромінювання та підсилення цих напруг, за якими значення напруг U01, U02 і U03 перетворення потоків оптичного випромінювання на довжинах 1, 2 хвилі і 3 були б рівними U0  U01  U02  U03  Sл1kф1Ф0  Sл2kф2Ф0  Sл3kф3 Ф0 . між собою, тобто Згідно зі способом, потоки оптичного випромінювання направляють на досліджуваний зразок 5 листка рослини з невідомою за значенням концентрацією C х хлорофілу і з нормованою за значенням площею s x . Причому направляють їх під заданим кутом  . Опромінюють досліджуваний зразок листка рослини, перетворюють потужності відбитих під тим же кутом  та послаблених потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1, 2 і 10 15 3 (в межах смуг пропускання k22 ) у напруги. Їх підсилюють, вимірюють і запам'ятовують отримані значення напруг та значення коефіцієнтів поглинання. Дійсне значення поверхневої концентрації хлорофілу визначають за відомим рівнянням вимірювань. Припустимо, що функція перетворення вимірювального (оптико-електронного) каналу є ідеальною і лінійною, тобто Uix  SлФх  U0 , (1) де Sл - номінальна за значенням крутість перетворення; Фх - потік оптичного U0 20 випромінювання, що містить інформацію про концентрацію хлорофілу; - зміщення функції перетворення вимірювального каналу, яке не залежить від потужності потоку оптичного випромінювання та його довжини хвилі. Реальна функція перетворення вимірювального каналу має вигляд: Ux  S Фх  U  Sл  SФх  U0  a   SлФх  U0   a  мп  , (2) л 0 л де S  Sл 1   л  - крутість перетворення потоку оптичного випромінювання у напругу;  л  Sл / Sл 25 30 ; S л - приріст крутості перетворення під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на вимірювальний канал;  a і мп - адитивна та мультиплікативна складові похибки вимірювання потужності потоку оптичного випромінювання. Перетворення потужності відбитого від листка і послабленого потоку оптичного випромінювання, з урахуванням закону Бугера-Ламберта-Бера та впливу неінформативних параметрів оптичного каналу на похибку перетворення (при лінійній функції перетворення вимірювального каналу (2)) описується рівнянням величин вигляду k C  C C k s B оп Bпз  k s B оп Bпз   Ui  S k фi Ф0 1  k пe  i m i p  1  k п e p  U   л 01     , (3) де Ui - напруга, яка отримана в результаті перетворення потужності відбитого від зразка S листка та послабленого потоку оптичного випромінювання; л - крутість перетворення потоку оптичного випромінювання у напругу на робочій довжині хвилі на момент проведення 35     вимірювання, причому Sл  Sл 1  л , S л - номінальна за значенням крутість потоку оптичного    випромінювання у напругу на момент введення в дію засобу вимірювання;  л  S / Sл відносна похибка перетворення (чутливості) оптико-електронного каналу від зміни параметрів лінійної функції перетворення під дією дестабілізуючих факторів; оптичного фільтра; 40 довжині хвилі; kp k k фi - коефіцієнт передачі - коефіцієнти поглинання потоку оптичного випромінювання на робочій - коефіцієнт розсіювання потоку оптичного випромінювання зразком листка заданої площі (на практиці вибирають kp в межах 0,001  kp  0,10,2 ); Bоп - показник оптичного послаблення, що вноситься елементами оптичного тракту; Bсп - показник забруднення та запотівання елементів оптичного тракту; s - площа поверхні зразка листка рослини (нормована  за значенням); U0 - зміщення функції перетворення від дії дестабілізуючих факторів; k п 45 коефіцієнт перекриття хлоропластами зразків листка рослини; 4 Сm  100% . UA 101241 C2 Згідно з запропонованим способом, спочатку формують потік оптичного випромінювання з довжиною хвилі 1 , що відповідає на спектральній характеристики листка досліджуваного виду рослини значенню, при якому коефіцієнти поглинання хлорофілу а і хлорофілу b рівні між собою і є максимальними (див. рис. 1), тобто k1  k1a  k1b  k max . Опромінюють ним досліджуваний 5 зразок листка рослини з невідомим значенням концентрації C х (у %) хлорофілу. Перетворюють потужність відбитого від листка потоку оптичного випромінювання у напругу  k C  Cm  C x k px s0  Bоп  Bпз   k s  B  B  U1  U0 1  k пx e 1 x  1  k пx e px 0 оп пз    U , (4)   01      S k Ф U U  01 л1 ф1 0 де 0 ; Sл1 - крутість перетворення на довжині хвилі 1 ; px - коефіцієнт розсіювання потоку оптичного випромінювання зразком досліджуваного листка рослини 10 (вибирають k px  0,1 ); kпx k - апріорі задане оператором значення коефіцієнта перекриття хлоропластами у досліджуваних зразках листка рослини (частіше в межах 0,85  kпx  0,95 ). Напругу (4) вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують, як запам'ятовують і 15 значення коефіцієнта поглинання k 1 . Слід зазначити, що (усереднені) значення коефіцієнтів поглинання на тій чи іншій довжини хвилі відомі для кожного виду рослин. Для прикладу на рис. 1 наведені спектральні характеристики хлорофілу а і хлорофілу b, де відмічені робочі довжини хвиль та відповідні ним значення коефіцієнтів поглинання, які використовують для визначення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин. Як видно з фіг. 1, вимірювання можуть бути проведені на довжинах    хвиль 1, 2 і  3 чи 1, 2 і  3 (при наявності відповідних оптичних фільтрів і каналів). 20 Після цього формують другий потік оптичного випромінювання з довжиною хвилі  2 , що відповідає на спектральній характеристики листка досліджуваного виду рослини значенню, при якому коефіцієнти поглинання хлорофілу а і хлорофілу b рівні між собою, але мають мінімальне значення (див. фіг. 1), тобто k2  k2a  k2b  k min . Опромінюють другим потоком досліджуваний зразок листка рослини з невідомим значенням 25 концентрації C х хлорофілу. Перетворюють потужність відбитого від листка потоку оптичного випромінювання у напругу  k C  Cm  C x k px s0  Bоп  Bпз   k s  B  B  U 2  U0 1  k пx e  2 x  1  k пx e px 0 оп пз    U , (5)   01     U  U02  S 2k ф2Ф0 S 2 л де 0 ; л - крутість перетворення на довжині хвилі  2 . Напругу (5) вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують, як запам'ятовують й 30 значення коефіцієнта поглинання k 2 . Далі з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал Ф3 на довжині хвилі  3 , що відповідає максимальному значенню коефіцієнта k 35 поглинання хлорофілу b, тобто 3 . Отриманий оптичний сигнал перетворюють у напругу k C  C C k s B B  k s B B  U  U 1  k e  3 x m x px 0 оп пз  1  k e px 0 оп пз    U , (6)   3 де 0   пx  U0  U03 пx  S 3k ф3Ф0 S 3 л л ;   01 - крутість перетворення на довжині хвилі  3 . Напругу (6) вимірюють, а отримане значення N3  S0U3 та значення коефіцієнта поглинання k 3 40 запам'ятовують. Виключають дію відбитого потоку оптичного вимірювального каналу. При нульовому значенні оптичного сигналу у напругу випромінювання , k C  Cm C x k p s 0 B оп B пз   k s B B  U4  U00 1  k пx e  3 x  1  k пx e p 0 оп пз    U  U   01 01     де U00  S 3kф3Ф00 л сигналу, тобто при 45 на фотоприймач (7) - нульове значення напруги, отримане при нульовому значенні оптичного Ф00   0 , перетворюють вихідний сигнал вимірювального каналу. Напругу (7) вимірюють, а отримане значення N4  S0U4 запам'ятовують. 5 UA 101241 C2 Від відомих запропонований спосіб відрізняється тим, що зазначеними потоками оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1, 2 і  3 аналогічним чином додатково і почергово опромінюють стандартний зразок листка рослин з відомою за значенням концентрацією C0 хлорофілу і з нормованою за значенням площею s 0 під раніше вибраним кутом  . Для цього ще раз формують перший потік оптичного випромінювання з довжиною хвилі 1 . 5 Опромінюють ним стандартний зразок листка рослини з відомим значенням концентрації C0 10 хлорофілу і з нормованою за значенням площею s 0 . Перетворюють потужність потоку оптичного випромінювання відбитого від стандартного зразка листка рослини у напругу k C  C C k s B B  k s B B  U  U 1  k e 1 0 m 0 p 0 0 оп пз  1  k e p 0 0 оп пз    U , (8)   1 де 0  п0   k p0 п0   01 - коефіцієнт розсіювання потоку оптичного випромінювання стандартним зразком листка рослини того ж виду; kп0 - паспортне значення коефіцієнта перекриття хлоропластами для стандартного зразку листків рослини (частіше в межах 0,85  kп0  0,95 ). У загальному 15 випадку kпх  kп0 . Бажано, щоб значення цих коефіцієнтів були однакові, тобто kпх  kп0  kп . Напругу (8) вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують. Після цього формують другий потік оптичного випромінювання з довжиною хвилі  2 . 20 Опромінюють стандартний зразок листка рослини з відомим значенням концентрації C0 хлорофілу. Перетворюють потужність потоку оптичного випромінювання відбитого від зразка листка у напругу k C  C C k s B B  k s B B  U  U0 1  k п0e  2 0 m 0 p 0 0 оп пз  1  k п0 e p 0 0 оп пз    U  2 01      . (9) Напругу (9) вимірюють, а отриманий результат запам'ятовують, як запам'ятовують й значення коефіцієнта поглинання k 2 . Далі з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал Ф3 на довжині хвилі  3 , що відповідає максимальному значенню коефіцієнта 25 поглинання хлорофілу b, тобто k 3 . Отриманий оптичний сигнал перетворюють у напругу k C  C C k s B B  k s B B  U  U 0 1  k п0 e  3 0 m 0 p 0 0 оп пз  1  k п0 e p 0 0 оп пз    U , (10)  3 01      Напругу (10) вимірюють, а отримане значення N3  S0U3 та значення коефіцієнта поглинання k 3 30 запам'ятовують. Виключають дію відбитого потоку оптичного випромінювання на вимірювального каналу. При нульовому значенні оптичного сигналу у напругу k C  C C k s B B  k s B B   U  U 1  k e  1  k e  U  U , (11) 00  4 де 35   п0  3 0 U00  S 3k ф3Ф00 л m 0 p0 0 оп пз p0 0 п0 оп пз   01 фотоприймач 01 - нульове значення напруги, отримане при нульовому значенні оптичного сигналу, тобто при Ф00   0 , перетворюють вихідний сигнал вимірювального каналу. N S U 0 4 запам'ятовують. Напругу (11) вимірюють, а отримане значення 4 Про поверхневу концентрацію хлорофілу досліджуваного зразка листка рослини судять за рівнянням вимірювань, отриманим у неявному вигляді   k C  C  C k 40 s   k C  C  C k s m x px x m x px x k e 1 x  e 2 x пх U1  U 2 , (12)    k C  Cm  C0 k p 0 s0  k C  C0  C0 k p 0 s0  k  0 U1  U п 2 e 1 0  e 2 x пх п 3 4 3 де k  U3  U4  / U3, k 0  U  U / U ; U1 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі рослини; U2 1 , відбитого від досліджуваного зразка листка - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з 6 UA 101241 C2 довжиною хвилі  2 , відбитого від досліджуваного зразка листка рослини; U3 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі  3 , відбитого від досліджуваного зразка листка рослини; U4 - напруга, що отримана при нульовому значенні  потужності потоку оптичного випромінювання; U1 - напруга, що отримана від перетворення 5 потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі 1 , відбитого від стандартного зразка 1 листка рослини ; U 2 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного  випромінювання з довжиною хвилі  2 , відбитого від стандартного зразка листка рослини, U3 напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі 3 10  , відбитого від стандартного зразка листка рослини; U4 - напруга, що отримана при нульовому значенні потужності потоку оптичного випромінювання; k 1 - коефіцієнт поглинання хлорофілу а і хлорофілу b на довжині хвилі 1 ; k 2 - коефіцієнт поглинання хлорофілу а і хлорофілу b на довжині хвилі  2 ; px і p0 - коефіцієнти розсіювання потоку оптичного випромінювання досліджуваним та стандартним зразками листка рослини одного й того ж виду; k Cm  100% 15 k , причому питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням величин c хп  Сх / sx . k  kp0  kp При рівності площ і коефіцієнтів розсіювання, тобто при sx   s0  і pх , рівняння вимірювань (12) прийме вигляд:     k C  C  C k s 20 25   k C  C  C k s m x p 0 m x p 0 k  U10  U20 e 1 x  e 2 x y , (13) пх    k 1C0  Cm  C0 k p s0  k  2C x  C0  C0 k p s0 x 0 U10  U  kп 20 e e  пх п 30 40 30 20 - напруги, що отримані при де k  U30  U40  / U30, k0  U  U / U ; U10, U20, U10, U kpх  kp0  kp sx   s0 і . Спосіб за п. 1 від відомих відрізняється також тим, що, при наявності випадкових завад та шумів на виході вимірювального каналу, до визначення дійсного значення концентрації хлорофілу у листку рослини кожну з напруг додатково вимірюють 9-34 чи 35-50 (100) разів, знаходять їх середньостатистичні значення та невизначеності, які використовують для отримання кінцевого результату. В цьому випадку рівняння надлишкових вимірювань має вигляд:   k C  C  C k s   k C  C  C k s m x px x m x px x k  U1  U2 e 1 x  e 2 x пх , (14)    k C  C  C k s  k C  C0  C0 k p 0 s0 k  0 U  U e 1 0 m 0 p 0 0  e  2 x п 2  30  c хп  Сх / sx 35    2 пх п 3 4 3 де k  U3  U4 / U3, k 0  U  U / U ; U1, U2,U1, U - середні значення напруг, що отримані завдяки статистичної обробки результатів багатократних вимірювань. Усереднена питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням величин С , де х - концентрація хлорофілу, що отримана за результатами статистичної обробки результатів багатократних вимірювань. Як видно з лівої частини отриманих рівнянь надлишкових вимірювань (12), (14), підвищення точності вимірювання досягається за рахунок виконання операцій віднімання та ділення  2 отриманих значень напруг. Зокрема, при виконанні обчислень вигляду U1  U2  / U1  U  виключаються адитивна та мультиплікативна складові систематичної похибки результатів перетворення відповідних послаблений потоків оптичного випромінювання у зазначені напруги, U  U /U  U  1 2 1 2 а при виконанні обчислень вигляду виключаються не тільки систематична похибка вимірювання, але й випадкова похибка результатів перетворення. При правильному 40 k k виборі пх чи пх забезпечується підвищення точності за рахунок виключення впливу нерівності коефіцієнтів перекриття на результат вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу. На кінцевий результат не впливають значення показника Воп оптичного послаблення і  показника забруднення та запотівання Всп елементів оптичного тракту, а також зміщення U0 функції перетворення вимірювального каналу, що обумовлено дією зовнішніх дестабілізуючих 7 UA 101241 C2 факторів. Забезпечення рівності площ поверхні досліджуваного та стандартного зразків листка рослини, тобто sx   s0  , також сприяє подальшому підвищенню точності вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу. Результат вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу залежить, в основному, від 5 10 15 20 25 похибки відтворення фізичної величини C0 стандартним зразком. Деякою мірою він залежить від можливого відхилення площі досліджуваного зразка від площі стандартного зразка листка рослини (при помилках у підготовці досліджуваного зразка) та від невиконання умови рівності між собою значень крутості оптико-електронних каналів. Таким чином, запропонований спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин забезпечує вирішення поставленої задачі підвищення точності вимірювання. Пояснимо суть запропонованого способу вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин на прикладі роботи пристрою, функціональна схема якого наведена на рис. 2. Робота пристрою складається з чотирьох тактів вимірювання і одного такту обчислення. Значення коефіцієнтів поглинання хлорофілу а і хлорофілу b апріорі визначаються за спектральними характеристиками, тобто відомі. Потік оптичного випромінювання, що генерує джерело 1, поступає, через діафрагму 2, напівпрозоре дзеркало 4 і мікрооб'єктив 5 на досліджуваний зразок листка 6 рослини, що розташований на предметному столі 7. Відбитий потік оптичного випромінювання за допомогою мікрооб'єктива 5 фокусується на напівпрозоре дзеркало 4, відбивається від нього і через конфокальну діафрагму 8 і систему фільтрів 9 надходить на імерсійний фотоприймач 10 (з підсилювачем). Вихідна напруга фотоприймача вимірюється за допомогою цифрового мілівольтметру 11. В залежності від того, який оптичний фільтр підключений на вході імерсійного фотоприймача, здійснюється виділення оптичного сигналу на заданій довжини хвилі, зміна коефіцієнта підсилення фотоприймача 10 (ручне керування) та підсилення зазначеного сигналу у задане число разів. У першому такті вимірювання ручним способом на шляху оптичного сигналу розміщується оптичний фільтр 9 з центральною довжиною хвилі 1 та встановлюється перше значення  коефіцієнта підсилення фотоприймача, тобто Sл1 . 30 На виході цифрового мілівольтметра 11 з'являється напруга (4), значення N1  S0U1 якої висвітлюється на індикаторі мілівольтметра. Це значення запам'ятовується. У другому такті вимірювання ручним способом на шляху оптичного сигналу розміщується оптичний фільтр 9 з центральною довжиною хвилі  2 та встановлюється друге значення  коефіцієнта підсилення фотоприймача, тобто Sл2 . 35 40 N S U 0 2 якої На виході цифрового мілівольтметра 11 з'являється напруга (5), значення 2 висвітлюється на індикаторі мілівольтметра. Отримане значення запам'ятовується. Після цього на предметний стіл встановлюється стандартний зразок листка рослини того ж виду. У третьому такті вимірювання ручним способом на шляху оптичного сигналу розміщується оптичний фільтр 9 з центральною довжиною хвилі 1 та встановлюється перше значення  коефіцієнта підсилення фотоприймача, тобто Sл1 .   На виході цифрового мілівольтметра 11 з'являється напруга (6), значення N1  S0U1 якої висвітлюється на індикаторі мілівольтметру. Це значення запам'ятовується. У другому такті вимірювання ручним способом на шляху оптичного сигналу розміщується 45 оптичний фільтр 9 з центральною довжиною хвилі коефіцієнта підсилення фотоприймача, тобто S 2 л 2 та встановлюється друге значення . N  S0U 2 2 На виході цифрового мілівольтметра 11 з'являється напруга (7), значення висвітлюється на індикаторі мілівольтметра. Отримане значення запам'ятовується. N 50 якої За отриманими результатами вимірювань визначають дійсне значення Cx поверхневої концентрації хлорофілу за рівнянням надлишкових вимірювань, представленим у неявному вигляді як рівняння числових значень: 8 UA 101241 C2  C  C  C k s  k  C  C  C k s  k m x px x m x px x k e 1 x  e 2 x пх N1  N 2 , (11)    k C  Cm  C0 k p 0 s0   k C  C0  C0 k p 0 s0   k  0 N1  N п 2 e 1 0  e 2 x     де N1, N2, N1 і N2, N0, N4, N0 і N4 - результати вимірювань при заданих значеннях k 1,k 2 ,k 3 ,k px ,k p0 , s x , s0 і C0 . Причому значення коефіцієнтів поглинання k 1 і k 2 визначаються за спектральними характеристиками на досліджувану рослину певного виду; 5 значення s x і s 0 встановлюються за паспортними даними на площу стандартного зразка s 0 і вибираються рівними між собою, тобто sx   s0 ; Cm  100 % ; значення C0 визначається за k 10 k px p0 паспортними даними на стандартний зразок листка рослини; значення і встановлюються за паспортними даними на коефіцієнт розсіювання стандартного зразка і, як k k  kp0  kp правило, вибираються рівними між собою, тобто pх . На практиці p можна задати як 0,001  kp  0,10,2 мале число . При цьому питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням числових значень с xп   Сx  /sх  , де С x  - концентрація хлорофілу, що отримана за рівнянням числових значень (11). При наявності випадкових похибок в кожному такті проводять від 10 до 34 чи від 35 до 100 15 N , N , N N вимірювань. Результати статистично оброблюють. Отримані середні значення 1 2 1 і 2 підставляють у (5) для визначення усередненого значення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин. В результаті маємо:  C  C  C k s  k  C  C  C k s  k m x px x m x px x k  N1  N2 e 1 x  e 2 x пх . (12)    k C  Cm  C0 k p 0 s0   k C  C0  C0 k p 0 s0   k  0 N1  N e 1 0  e 2 x п 2 Усереднена питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням числових значень 20 с xп   Сx /sх  . Таким чином, запропонований спосіб надлишкових вимірювань поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин забезпечує досягнення поставленої технічної задачі, тобто забезпечує автоматичне зменшення систематичних похибок вимірювання, а при багатократних вимірюваннях і статистичної обробки зменшує й випадкову складову похибки. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб надлишкових вимірювань поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, оснований на формуванні нормованих за значенням потужності Ф0 потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1,  2 і  3 та смугами пропускання k 2  0 , де k 2  2 , та встановленні, з урахуванням коефіцієнтів передачі k ф1, k ф 2 і k ф 3 оптичних фільтрів, таких значень коефіцієнтів перетворення S 1, S 2 і S  3 у напруги відбитих потоків оптичного л л л випромінювання та підсилення цих напруг, за якими значення напруг перетворення потоків оптичного випромінювання на довжинах хвилі 1,  2 і  3 рівні між собою, тобто U0   U01  U0 2   U0 3   Sл1k ф1 Ф 0   Sл2 k ф 2 Ф 0   Sл3 k ф3 Ф 0 , направленні потоків оптичного випромінювання на досліджуваний зразок листка рослини з невідомою за значенням концентрацією C х хлорофілу і з нормованою за значенням площею s x під заданим кутом  , опроміненні його, перетворенні потужностей відбитих під тим же кутом  та послаблених потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1,  2 і 3 , в межах смуг пропускання k 2  0 , у напруги, їх підсиленні, вимірюванні і запам'ятовуванні отриманих значень напруг та значень коефіцієнтів поглинання з наступним визначенням дійсного значення поверхневої концентрації хлорофілу за відомим рівнянням вимірювань, який відрізняється тим, що зазначеними потоками оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1,  2 і  3 аналогічним чином додатково і почергово опромінюють стандартний зразок листка рослин з 9 UA 101241 C2 відомою за значенням концентрацією C 0 хлорофілу і з нормованою за значенням площею s 0 під раніше вибраним кутом  , перетворюють потужності відбитих під тим же кутом та послаблених потоків оптичного випромінювання з довжинами хвиль 1,  2 і  3 , в межах смуг пропускання k 2  0 , у напруги, їх підсилюють, вимірюють, запам'ятовують отримані значення напруг, а про поверхневу концентрацію хлорофілу досліджуваного зразка листка рослини судять за отриманим у неявному вигляді рівнянням вимірювань:  k C C C k s  k C C C k s k U1  U2 e 1 x m x px x  e  2 x m x px x ПХ ,   k C C C k s k C C C k s  k 0 U1  U П 2 e 1 0 m 0 p0 0 e 2 x 0 0 p0 0   де k ПХ  U3  U4  / U3 , k П0  U  U / U , k  3 4 3 ПХ - коефіцієнт перекриття хлоропластами у стандартних зразках листка рослини, k  0 П - паспортне значення коефіцієнта перекриття хлоропластами для стандартного зразка листка рослини, U1 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі  1 , відбитого від досліджуваного зразка листка рослини, U2 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі  2 , відбитого від досліджуваного зразка листка рослини, U3 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі  3 , відбитого від досліджуваного зразка листка рослини, U4 - напруга, що  U1 - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі  1 , відбитого від стандартного зразка листка рослини, U - напруга, що отримана від перетворення 2 потоку оптичного випромінювання з довжиною хвилі  2 , відбитого від стандартного зразка листка рослини, U - напруга, що отримана від перетворення потоку оптичного випромінювання 3 з довжиною хвилі 3 , відбитого від стандартного зразка листка рослини, U - напруга, що 4 отримана при нульовому значенні потужності потоку оптичного випромінювання, отримана при нульовому значенні потужності потоку оптичного випромінювання, Cm максимальне значення концентрації хлорофілу та дорівнює 100 %, k 1 - коефіцієнт поглинання хлорофілу а і хлорофілу b на довжині хвилі  1 , k  2 - коефіцієнт поглинання хлорофілу а і хлорофілу b на довжині хвилі  2 , k px і k p 0 - коефіцієнти розсіювання потоку оптичного випромінювання досліджуваним та стандартним зразками листка рослини одного й того ж виду, причому питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням величин c ХП  С х / s x . 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що, при наявності випадкових завад та шумів на виході вимірювального каналу, до визначення дійсного значення концентрації хлорофілу у листку рослини кожну з напруг додатково вимірюють 9-50 разів, знаходять їх середньостатистичні значення та дисперсії чи невизначеності та використовують для отримання кінцевого результату. 10 UA 101241 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 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 11