Фотоелектричний прилад для визначення оптичних властивостей листя рослин

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, и может быть использовано в устройствах для автоматического опрыскивания растений различными жидкостями, например, гербицидами бурьянов, засоряющими посевы сельскохозяйственных культур, а также этих культур - жидкими удобрениями. Известны приборы для измерения коэффициентов отражения R и пропускания D листьями растений светового луча (Брандт А.Б., Танеева С.В. Оптические параметры растительных организмов. - М.: На ука, 1967. - С.97, рис.36А; Физиология растений. - Т.5. - Вып.5. -1958. - С.474, рис.1). Недостатком таких приборов является то, что они могут использоваться лишь в том случае, когда по отношению к растениям, у которых определяются коэффициенты R и D, они находятся в неподвижном состоянии. Эти приборы не могут быть использованы в полевых условиях, то есть в таких случаях, когда они должны перемещаться в пространстве относительно растений, подвергнутых воздействию атмосферных условий, например, воздействию ветра, а также в условия х возможной запыленности этих растений, причем размеры как самих растений, таки растений между ними, характеризуются непостоянством этих величин, а расположение растений в пространстве носит случайный характер. В качестве прототипа выбран фотоэлектрический прибор для определения оптических свойств листьев растений (Физиология растений. - Т.5. - Вып.5. - 1958. - С.474, рис.1), содержащий источник света, оптическую систему и интегрирующую сфер у с расположенным в ней приемником света (фото умножителем). В основу изобретения поставлена задача создания прибора для определения оптических свойств листьев, с помощью которого находятся коэффициенты отражения R и пропускания D светового луча листьями как культурных растений, так и злаковых и двудольных бурьянов, имеющих различные значения R и D, произрастающих в рядках на поле, и за счет этого появляется возможность распознавания растений при опрыскивании культурных растений жидкими удобрениями, а бурьянов - гербицидами, что приводит к химическому уничтожению бурьянов. Поставленная задача решается так, что в предлагаемом фотоэлектрическом приборе, содержащем источник света, оптическую систему и интегрирующую сфер у с расположенным в ней фото умножителем, согласно изобретению прибор снабжен блоком управления, пневматической системой и блоком исполнительных устройств, при этом блок управления содержит компараторы, дешифратор, усилители электрических сигналов и блоки задержки времени, причем выход фото умножителя соединен со входами компараторов, выходы которых соединены с соответствующими входами дешифратора, а его выходы через соответствующие усилители электрических сигналов и блоки задержки времени - со входами блока исполнительных устройств, при этом оптическая система размещена в направляющей трубе, соединенной с источником света, и приемной трубе, соединенной с интегрирующей сферой, обе трубы расположены симметрично и наклонно относительно вертикальной оси, проходящей через линию их соединения, причем в месте их соединения выполнено общее для этих труб о тверстие, а пневматическая система содержит трубу, вход которой соединен с источником сжатого воздуха, а выход посредством конфузора - с тр убой меньшего диаметра, выведенной в атмосферу, причем в верхней части поверхности конфузора выполнен ряд отверстий, а одно из отверстий расположено под общим для направляющей и приемной труб отверстием, параллельно обеим трубам пневматической системы установлена направляющая планка, под которой размещен соединенный с источником сжатого воздуха дополнительный трубопровод с выполненной возле заглушенной его стороны прямоугольной горизонтальной щелью, расположенной на нижней его поверхности, заканчивающейся в зоне соединения конфузора с трубой меньшего диаметра, при этом оптическая система и часть пневматической системы защищены пылесветонепроницаемым кожухом, в котором с противоположных сторон в направлении перемещения прибора с самого низа кожуха выполнены прямоугольные отверстия, равные габаритным размерам растения и закрытые шторками из мягкой пылесветонепроницаемой ткани, которой до самой земли в нижней своей части по всему периметру обтянут кожух. На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого фотоэлектрического прибора для определения коэффициента отражения R листом растения светового луча, сечение А - А (вариант I); на фиг.2 - местный вид Б прибора в зоне дополнительного трубопровода; на фиг.3 - сечение В - В местного вида Б; на фиг.4 - вертикальный разрез Г - Г общего вида прибора; на фиг.5 местный вид Д поверхности прибора в зоне выхода растения из него; на фиг.6 - сечение Е - Е элементов прибора в зоне фиксации листа растения относительно светового луча; на фиг.7 общая функциональная схема блока управления прибора; на фиг.8 - вариант прибора для определения коэффициента пропускания D листом растений светового луча (вариант II), вид сверху. В состав прибора (фиг.1) входят источник света 1 с отражателем 2, оптическая система 3, интегрирующая сфера 4 с расположенным в ней фото умножителем 5, блок управления 6, пневматическая система 7 и блок исполнительных устройств 8. Оптическая система 3 предназначена для направления луча света от источника света 1 в интегрирующую сфер у 4 и состоит из направляющей трубы 9 с расположенными в ней конденсорами 10 и 11, вход которой соединен с источником света 1, и приемной трубы 12 с расположенными в ней последовательно объективом 13, светофильтром 14 и диафрагмой 15, причем вход приемной трубы 12 соединение выходом направляющей трубы 9, а вы ход - с интегрирующей сферой 4. Направляющая труба 9 и приемная труба 12 расположены под углом a (фиг.4) по отношению друг к другу и в месте их соединения на нижней поверхности стыкуемых труб выполнено общее отверстие 16. Пневматическая система, состоит из трубы 17, соединенной с источником сжатого воздуха с расходом Q1 и давлением p1 (на чертеже не показано), которая посредством конфузора 18 соединена с трубой меньшего диаметра 19, выведенной в атмосферу, куда выбрасывается отработанный сжатый воздух. Сочетание трубы 17, конфузора 18 и трубы 19 определяет конструкцию эжекционного устройства, необходимого в приборе для фиксации листа растения относительно светового луча. Параллельно эжекционному устройству проложен дополнительный трубопровод 20. Для фиксации листьев растения в верхней части поверхности конфузора 18 выполнены отверстия 21, расположенные со смещением относительно друг друга. Одно из отверстий 21 расположено под отверстием 16 оптической системы 3. Дополнительный трубопровод 20 (фиг.2) предназначен для подъема листьев растения из горизонтального положения в наклонное и через редуктор (на чертеже не показано) соединен с источником сжатого воздуха с расходом Q2 и давлением p2, а на противоположной стороне этот трубопровод заглушен (в зоне фиксации, то есть присасывания листьев растения к конфузору 18) и возле заглушенной стороны трубопровода 20 на нижней его поверхности выполнена прямоугольная горизонтальная щель 22. Направляющая планка 23 предназначена для направления растения к зоне присасывания его листьев. Эта планка установлена параллельно эжекционному устройству, к нижней ее части (фиг.3) прикреплен дополнительный трубопровод 20, а ее верхняя часть прикреплена к трубам 9 и 12 оптической системы 3 (на чертеже не показано). С целью защиты прибора от пыли и ветра (фиг.4) оптическая система 3 и часть пневматической системы 7 помещены внутрь пылесветонепроницаемого кожуха 24 с крышкой 25, в котором с противоположных сторон в направлении перемещения прибора с самого низа кожуха выполнены прямоугольные отверстия 26, 27 (фиг.1), равные габаритным размерам растений. Эти отверстия закрыты шторками из мягкой пылесветонепроницаемой ткани 28 и 29, такой же тканью 30 (фиг.5) до самой земли в нижней своей части по всему периметру, за исключением отверстий 26 и 27, обтянут кожух 24. Направление растении в зону фиксации его листьев и их фиксация показаны на фиг.6. Блок управления 6 (фиг.7) содержит компараторы 31, 32, 33, дешифратор 34, усилители электрических сигналов 35, 36, 37, блоки задержки времени 38, 39, 40. Компараторы 31, 32, 33, реагирующие на разность потенциалов между входами, предназначены дли сравнения напряжений фотоумножителя 5 с опорными напряжениями, выработки двоичной цифры 0 (логический нуль) и двоичной цифры 1 (логическая единица) и подачи их на вход деши фратора 34. Дешифратор 34 используется для формирования управляющих сигналов на основе двоичного кода команд и подачи этих сигналов с его выходов на входи соотве тствующи х усилителей электрических сигналов 35, 36, 37, выходы которых связаны со входами соответствующи х блоков задержки времени 38, 39, 40. Использование этих блоков дает возможность устанавливать исполнительные устройства 8 на значительном расстоянии от блока управления 6 предлагаемого прибора. В качестве исполнительных устройств 8 используются, например, электромагнитные клапаны для подачи гербицидов на бурьяны и жидких удобрений на культурные растения. В зависимости от высоты растений и толщины их листьев в приборе предусмотрена возможность перемещения по вертикали как самого прибора, так и его элементов, причем некоторые из них могут перемещаться в горизонтальной плоскости, а также направляющей трубы 9 и приемной трубы 12 с интегрирующей сферой 4 на определенный угол (механизмы перемещения на чертеже не показаны). На фиг.8 представлена конструкция прибора для определения коэффициента пропускания D листом растения светового луча. Состав этого прибора аналогичен вышеописанному, за исключением незначительно измененной оптической системы 3, в которую введены поворотные зеркала 41 и 42 и диафрагма 43. Работа предлагаемого прибора осуществляется следующим образом. Прибор работает в нескольких режимах. В случае, если определяется коэффициент R листьев невысоких растений, у которых листья располагаются почти горизонтально, то пневматическая система 7 отключается, а также отключается подача сжатого воздуха в тр убопровод 20, причем оптическая система 3 опускается вниз к самому растению, а пневматическая система 1 перемещается от него в сторону в горизонтальном направлении. При перемещении прибора над рядком с растениями, например, слева направо, среди которых могут быть как бурьяны, так и культурные растения, растение через отверстие 27, отгибая шторку 29, попадает внутрь кожуха 24, закрытого крышкой 25, а затем направляется планкой 23 к отверстию 16 оптической системы 3, через которое проходит световой луч от источника света 1, расположенного в направляющей трубе 9 оптической системы 3, сконцентрированный отражателем 2 и конденсаторами 10 и 11. Луч света попадает на лист растения и частично отражается в направлении оси приемной трубы 12, и пройдя через объектив 13, свето фильтр 14 и диафрагму 15, попадает в интегрирующую сферу 4, а затем на фото умножитель 5, в котором вырабатывается ток, пропорциональный интенсивности его освещения. Допустим, прибор предназначен для определения коэффициентов R культурного растения, злакового бурьяна и двудольного бурьяна, каждый из которых имеет свой коэффициент R, то есть все три коэффициента R имеют различные значения. Следовательно, в блок управления 6 направляются по отдельности электрические сигналы трех различных значений. Эти сигналы поступают от фото умножителя 5 на входы компараторов 31, 32, 33, опорные напряжения которых установлены следующим образом; опорное напряжение Uоп1 равно напряжению электрического сигнала, соответствующего коэффициенту R к ультурного растения, опорное напряжение Uоп2 - то же, для злакового бурьяна, а опорное напряжение Uоп3 - то же для двудольного бурьяна. В том случае, если в зоне прохождения светового луча оптической системы 3 (под отверстием 16) не будет находиться никаких растений, то световой луч, пройдя по направляющей трубе 9, не попадет в приемную трубу 12, а следовательно, и на фотоумножитель 5, а осветит участок земли, находящийся под кожухом 24. Настройка фотоумножителя 5 и компараторов 31, 32, 33 должна проводиться с учетом слабого освещения пространства под кожухом 24 и попадания незначительной части световой энергии на фотоумножитель 5, которая не приведет к включению блока 6 и срабатыванию исполнительных устройств 8. Если в зоне прохождения светового луча под отверстием 16 окажется какое-либо растение, допустим, культурное, то световой луч, встретив на своем пути лист растения, отразится от него (часть светового потока пройдет через лист и осветит пространство под кожухом 24 с меньшей интенсивностью, чем в случае, когда растения под кожухом 24 не будет) и, пройдя по приемной трубе 12, попадет в интегрирующую сферу 4, осве тив фото умножитель 5, в результате чего на вы ходе из него появится электрический сигнал с напряжением U1, равным Uоп1, который попадет на входы компараторов 31, 32, 33. Следовательно, на выходе компаратора 31 будет выработан логический нуль ("0"), а на выходах компараторов 32 и 33 будет выработана логическая единица ("1"), так как опорные напряжения Uоп2 ¹ U1 и Uоп3 ¹ U1. Таким образом, на вход дешифратора 34 поступят сигналы "0", "1", "1", а на выходе из него будут сигналы "0", "1", "0". Сигнал "1" поступит к усилителю электрических сигналов 36, где буде т усилен до величины, при которой срабатывает исполнительное устройство 8, обслуживающее культурное растение. Если под отверстием 16 будет находиться злаковый бурьян, то на выходе из фотоумножителя 5 появится электрический сигнал с напряжением U2, равным Uоп2, на выходах компараторов 31 и 33 будет выработана "1", так как Uоп1 ¹ U2 и Uоп3 ¹ U2, а на вы ходе компаратора 32 - выработан "0". Следовательно, на выходе из дешифратора 34 сигналы будут такими: "1", "0", "0". Сигнал "1" поступит к усилителю электрических сигналов 35, откуда поступит к исполнительному устройству 8, обслуживающему злаковый бурьян. Если под отверстием 16 окажется двудольный бурьян, то на выходе из фотоумножителя 5 будет получен сигнал с напряжением U3, равным Uоп3, а на выходе из дешифратора 34 сигналы будут следующими: "0", "0", "1", так как Uоп1 ¹ U3, Uоп2 ¹ U3. Сигнал "1" поступит к усилителю электрических сигналов 37, откуда поступает к исполнительному устройству 8 для обслуживании двудольных бурьянов. Сигналы от усилителей 35, 36, 37 поступают к исполнительным устройствам 8 через блоки задержки времени 38, 39, 40. Если растений имеют высоту большую, чем они были при первом режиме, и листья растений располагаются не горизонтально, а наклонно вверх, то в данном случае включается пневматическая система 7 при отключенном трубопроводе 20. При прохождении сжатого воздуха через эжекционное устройство, включающее в себя трубы 17 и 19 и конфузор 18, происходит подсасывание листьев растения к отверстиям 21, причем один из листьев подсасывается к тому отверстию 21, которое располагается под отверстием 16. На какое-то время лист растения фиксируется относительно светового луча, который отражается от поверхности, листа и направляется в интегрирующую сфер у 4. При дальнейшем перемещении прибора листья растения за счет касательного усилия, создаваемого перемещением, отсоединяются от отверстий 21, и растение через отверстие 26, отогнув шторку 28, оказывается снаружи кожуха 24. Воздух из эжекционного устройства выбрасывается в атмосферу. При отсутствии растения под отверстием 16 световой луч попадет в трубы 17 и 19 через отверстие 21, находящееся под отверстием 16, и там рассеется. Если растения относительно высоки и их листья имеют малое отклонение от горизонтали вверх, в этом случае к источнику сжатого воздуха подключается трубопровод 20 и через щель 22 воздух направляется под нижнюю сторону листа, отклоняя его вверх, после чего листья растения подсасываются к отверстию 21. Установка растения относительно светового луча производится при горизонтальном перемещении планки 23. С целью варьирования длиной l световой волны предусматривается установка в оптической системе 3 различных светофильтров 14. Использование шторок 28 и 29 и ткани 30, обтягивающей кожух 24, препятствует попаданию внутрь него естественного света. Работа прибора для определения коэффициентов пропускания D листьями растений светового луча описывается аналогично вышесказанному. Использование поворотных зеркал 41 и 42 и диафрагмы 43 связано с особенностями конструкции этого варианта прибора. Особенностью использования этой конструкции является то, что она всегда работает при включенной пневматической системе 7, независимо от того, какую высоту имеют растения. Подключение трубопровода 20 производится по мере необходимости.