Пристрій для реєстрації ксилемного потоку

Реферат: Пристрій для реєстрації ксилемного потоку, що включає джерело живлення, нагрівач, блок давачів температури та вимірювальний блок, причому вимірювальний блок зв'язаний з комунікативним шлюзом та за допомогою зворотного зв'язку з блоком живлення, блок давачів температури містить перший та другий давачі температури, які розташовані рівновіддалено від нагрівача, при цьому повна відстань між давачами температури дорівнює діаметру стебла рослини, а температура давачів складає до 80 % від температури перегріву нагрівача, яка контролюється третім давачем температури. UA 112601 U (12) UA 112601 U UA 112601 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки та фітомоніторингу і може бути використана в системах керування при вирішуванні технічної задачі з підвищення продуктивності сільськогосподарської продукції, зокрема при вирощуванні овочів у закритому ґрунті. Відомий аналог (Патент SU 1732855 А1 Способ оценки состояния водного обмена древесных растений; опубл. 15.05.1992 р., Бюл № 18), який включає джерело теплових імпульсів, давач ксилемного потоку, встановлений на стовбурі дерева, підсилювач постійного струму та самописець, за допомогою яких відбувається постійне спостереження за динамікою ксилемного водного потоку протягом доби та встановлюються періоди водного дефіциту у часі. Недоліком аналога є те, що не враховано переносу тепла радіально до стовбура, і, відповідно, відсутня оцінка похибки у визначенні швидкості ксилемного потоку. Окрім того, застосування самописця не відповідає сучасному рівню фітомоніторингу, для якого є характерним застосування пристроїв з використанням бездротових мереж та віддаленого доступу до первинних даних. Відомий аналог (Патент RU 2118488, опубл. 10.09.1998 p.), який розв'язує задачу підвищення точності потреби рослин у воді шляхом визначення стану критичного водного дефіциту та встановлення тривалості поливу. Досягається це за рахунок того, що використовується інвазивний давач швидкості ксилемного потоку як джерело первинної інформації, потім відбувається перетворення сигналу давача у цифровий вигляд, що надає можливості апаратно визначити інформативні параметри, відповідно до методики, і отримати сигнали для керування системою поливу в автоматичному режимі. Задача технічного рішення досягається за рахунок значного апаратного ускладнення. Так, до складу пристрою входять: три давачі швидкості ксилемного потоку, підсилювач, логічний блок керування, аналого-цифровий перетворювач, блок пам'яті, компаратор, блок визначення мінімального значення швидкості, ключі, блок керування поливом, таймер та давач освітлення. Недоліком аналога є велика кількість окремих блоків, що призводить до збільшення вартості пристрою. Окрім цього використовується середнє значення вимірюваного сигналу, інструментальна похибка давачів не враховується - все це має негативний вплив на точність визначення швидкості ксилемного потоку. Недоліком є також те, що давач інвазивний, а сам пристрій є комунікативно обмеженим для застосування у фітомоніторингу. Найближчий аналог (Корисна модель RU 49275 Устройство для измерения скорости движения ксилемного потока в древесных растениях; опубл. 10.11.2005 p.), який найбільш близький за сукупністю ознак та спрямований на підвищення точності вимірювання швидкості ксилемного потоку. Пристрій включає вимірювальний блок, джерело живлення, імпульсний лінійний нагрівач із манганінового дроту, давачі температури (термопари мідь-константан), ввімкнуті за диференціальною схемою. Визначення швидкості ксилемного потоку відбувається за рахунок визначення часу встановлення теплового балансу між двома термопарами які встановлені вище та нижче нагрівача на різних відстанях від нього. Недоліком аналога є: різне геометричне розташування термопар, при певному розташуванні давачів тепловий баланс взагалі може бути не досягнутий; застосування як джерела живлення конденсатора, геометрія розташування термопар є критичним параметром внаслідок впливу теплоємності рослини на кінцеве значення теплового імпульсу, сформованого за рахунок розряду конденсатора; велика відстань від нагрівача до першого та другого давачів температури, що суттєво обмежує класи сільськогосподарських рослин, для яких можливо застосування пристрою. Задачею корисної моделі є підвищення точності визначення швидкості ксилемного потоку і поліпшення комунікативних можливостей пристрою, зменшення масо-габаритних показників. Поставлена корисною моделлю задача досягається тим, що пристрій для реєстрації ксилемного потоку, що включає джерело живлення, нагрівач, блок давачів температури та вимірювальний блок, згідно пропонованого рішення вимірювальний блок зв'язаний з комунікативним шлюзом та за допомогою зворотного зв'язку з блоком живлення, блок давачів температури містить перший та другий давачі температури, які розташовані рівновіддалено від нагрівача, при цьому повна відстань між давачами температури дорівнює діаметру стебла рослини, а температура давачів складає до 80 % від температури перегріву нагрівача, яка контролюється третім давачем температури. На схемі запропонованого пристрою (див. креслення) зображено: блок живлення 1, нагрівач 2, блок давачів 3, перший давач температури 4, третій давач температури 5, другий давач температури 6, вимірювальний блок 7, комунікативний шлюз 8, рослина 9, зворотний зв'язок вимірювального блока і блока живлення 10. 1 UA 112601 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Для реєстрації динаміки ксилемного потоку було використано багаторічне стебло штамба бенгальського фікуса 9. Діаметр фрагмента штамба в зоні вимірювання складав 12,5 мм. Вимірювання було виконано за допомогою устаткування: комп'ютера з встановленим програмним забезпеченням LabVIEW 8.6, ваг для виконання біологічного калібрування, приладу вимірювання параметрів мікроклімату - освітленості та вологи, пристрою для збору інформації NІ USB 6009 як комунікативного шлюзу 8, що не потребує окремого зовнішнього джерела живлення, це термінальний блок, в якому є вісім каналів аналого-цифрового перетворення, два канали цифро-аналового перетворення, два канали генерації аналогових сигналів, 32розрядний лічильник та USB інтерфейс. Програмна підтримка N1 USB-6009 відбувається в середовищі Windows 2000/XP та здійснюється за допомогою драйвера NI-DAQmx. Рослину культивовано в умовах штучного мікроклімату з можливістю зміни температури і вологості повітря та освітленості, в ємності, розміщеній на електронних вагах з діапазоном вимірювання маси до 10 кг та роздільною здатністю 2 г. Освітленість поверхні листа та відносна вологість повітря контролювались приладами MastechMS8209 з наступними характеристиками: освітленість в спектральному діапазоні 400 нм - 700 нм, верхній діапазон 4000 Люкс, похибка ±5 %; відносна вологість повітря в діапазоні 30-90 % з похибкою ±5 %. Швидкість вітру, температура і вологість ґрунту не реєструвались. Біологічне калібрування виконувалось в умовах локального нагрівання стебла резисторним електричним нагрівачем 2 з одночасним вимірюванням зміни температури поверхні стебла нижче та вище від нагрівача. Активний опір нагрівача 300 Ом, максимальна потужність 2 Вт. Температура стебла в центральній зоні нагрівача контролювалась незалежним термопарним вимірювачем MastechMS8209 з похибкою вимірювання ±0,5 °C та регулювалась зміною електричного режиму нагрівача в діапазоні від 10 °C до 45 °C. Як перший 4 та другий 6 давачі температури для реєстрації швидкості ксилемного потоку використано підібрану пару платинових тонкоплівкових терморезисторних перетворювачів типу Pt100, які були змонтовані на стеблі неінвазивним способом. Первинні перетворювачі монтувались на відстані від середини нагрівача 2, що дорівнює діаметру стебла; при цьому їх середня температура перегріву відносно навколишнього середовища і стебла в зоні, яка не підлягає нагріванню, склала близько 80 % від температури перегріву нагрівача. На стеблі рослини первинні перетворювачі було термоізольовано від навколишнього середовища, так що радіальними втратами тепла від нагрівача в навколишнє середовище та зустрічним поглинанням первинними перетворювачами сонячної радіації можна знехтувати. За таких обставин теплообмін від нагрівача в зоні вимірювання відбувається кондуктивним шляхом вздовж стебла (в цьому процесі система характеризується симетрією відносно поперечного перетину стебла в середині нагрівача) та конвективним шляхом за рахунок ксилемного рідинного потоку (в цьому процесі система характеризується несиметрією і переважним теплопереносом від кореня до крони). За допомогою синтезованого пристрою і комп'ютерно-інтегрованої системи з програмним забезпеченням LabVIEW в умовах лабораторного мікроклімату апробовано процес біологічного калібрування в координатах: опір давача - ксилемний потік. В результаті експерименту встановлено, що середньодобові втрати вологи не перевищували 5 мл/год., що свідчить про дієздатність пристрою. Технічний результат з поліпшення точності у визначенні швидкості ксилемного потоку досягається за рахунок зменшення впливу радіальних втрат тепла при застосуванні методу теплового балансу визначення швидкості ксилемного потоку. Обмеження температури перегріву нагрівача створює умови нерівноважного стану у тепловому балансі, що дає можливість отримувати і використовувати для аналізу стану рослини параметри теплової хвилі, як інформативної складової у методі теплового балансу і виконувати біологічне калібрування швидкості ксилемного потоку у рослині відповідно до залежності опір терморезисторів швидкість ксилемного потоку. Визначеність у температурі перегріву зменшують вимоги до потужності живлення, а кількісні показники швидкості ксилемного потоку визначають за допомогою передавальної характеристики - опір терморезисторів - швидкість ксилемного потоку. Зменшення масо-габаритних показників пристрою вирішується шляхом застосування тонкоплівкових терморезисторів, які обгортають навкруг стебла, і тим самим вирішується одночасно задача поліпшення чутливості пристрою до конвективних теплових змін за рахунок збільшення контактної поверхні зі стеблом. Покращення масо-габаритних показників пристрою також пов'язано з використанням процесорів з програмною архітектурою, які поєднують в собі елементи для аналого-цифрового 2 UA 112601 U 5 перетворення, виміру та обробки даних та мають бездротовий комунікативний інтерфейс, що дає змогу синтезувати інтелектуальний давач ксилемного потоку. Технічне рішення корисної моделі дозволяє створити простий та зручний для використання пристрій, який легко автоматизується. Отримання кількісних показників транспіраційного процесу шляхом визначення швидкості ксилемного потоку за допомогою пристрою надає можливість застосувати "хмарні" інтернет-технології. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Пристрій для реєстрації ксилемного потоку, що включає джерело живлення, нагрівач, блок давачів температури та вимірювальний блок, який відрізняється тим, що вимірювальний блок зв'язаний з комунікативним шлюзом та за допомогою зворотного зв'язку з блоком живлення, блок давачів температури містить перший та другий давачі температури, які розташовані рівновіддалено від нагрівача, при цьому повна відстань між давачами температури дорівнює діаметру стебла рослини, а температура давачів складає до 80 % від температури перегріву нагрівача, яка контролюється третім давачем температури. Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3