Устройство для измерения параметров филлотаксиса

Полезная модель относится к устройствам для проведения исследований в области ботаники и экофизиологии растений, к механическим средствам измерения и может быть использована при фенотипировании, определении морфологии растений, создании их геометрических моделей, в селекционных и экологических исследованиях, при оптимизации светокультуры.
Термин «филлотаксис» означает расположение листьев на стебле растения, что является их важной морфологической характеристикой. При формировании побега зачатки листьев, подчиняясь законам филлотаксиса, закладываются на конусе нарастания растения последовательно, образуя генетическую спираль. В дальнейшем на стебле растения по этой спирали располагаются узлы, в которых листья прикрепляются к стеблю. Основными параметрами филлотаксиса являются величины междоузлий, определяемые как разности высот узлов последовательных в порядке появления листьев, измеренных вдоль стебля и угол расхождения между двумя последовательными листьями. Это двугранный угол, образуемый двумя полуплоскостями (гранями), исходящими из общей прямой (ребра). Его величину характеризуют плоским углом дивергенции - меньшим углом между проекциями на плоскость поперечного сечения стебля прямых, соединяющих ось стебля с точками последовательно образовавшихся листьев (Брынцев В.А. Филлотаксис. Опыт применения компьютерных моделей для решения вопросов теоретической морфологии растений. – М.: ФГУ УМЦ, 2006.– 112 с).
Такая организация кроны растения обеспечивает наименьшее затенение листьями верхних ярусов нижележащих листьев. Факторы внешней среды различной интенсивности в различной степени влияют на параметры филлотаксиса. Их изменчивость может быть критерием отбора сортов, оценки влияния факторов естественной среды, а также либо выбора  параметров микроклимата в замкнутых системах выращивания растений. Для измерения параметров филлотаксиса необходимы соответствующие технические средства.
Известно устройство для определения морфометрических параметров растений, содержащее корпус, поворотную платформу для размещения изучаемого растения, выполненную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр (Яценко В.М. и др. Установка для автоматического измерения параметров растений. Патент РФ №2726257, 2019).
Недостатки известного технического решения: сложность конструкции, ее значительные габариты, необходимость применения специализированного программного обеспечения для обработки изображений с видеокамер, недостаточная точность определения морфометрических параметров программным методом при различных формах кроны. Для использования подобного рода оборудования необходимы обучающие выборки, полученные непосредственным измерением угловых и линейных параметров, характеризующих растения.
Известно устройство для выявления пространственной структуры соцветий цветковых растений, включающее закрепленную на внешней опоре градуированную по вертикали линейную, а по горизонтали - угломерную  шкалы (Иванов С.П., Сволынский А.Д. Устройство для выявления пространственной структуры соцветий цветковых растений. Патент РФ на ПМ №154167, 2015).
Недостатки известного технического решения: невысокая точность измерения из-за больших ошибок визирования.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для измерения угловых и линейных координат, содержащее корпус, поворотную платформу, выполненную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр, две угловые шкалы с указателями, контактный щуп, стойку (Блинов Н.А. и др. Устройство для измерения угловых и линейных координат. А.с. № 970081, 1979).
Недостатки известного технического решения: считывание показаний с угловых шкал производится визуально, что снижает точность измерений; устройство имеет значительные габариты; при подводе контактного щупа к точке измерения необходимо сначала ослабить, а затем зафиксировать его положение в пространстве, что составляет неудобство в работе.
Техническая задача полезной модели заключается в повышении точности измерения, компактности и удобства в работе.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения параметров филлотаксиса, содержащее корпус, поворотную платформу, выполненную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр, две угловые шкалы с указателями, контактный щуп и стойку, согласно полезной модели дополнительно снабжено двумя датчиками угла, трещоткой, двумя рычагами и двумя горизонтальными осями, ручкой, электрическим разьемом, кнопкой, при этом трещотка закреплена на корпусе с возможностью вращения поворотной платформы в заданном направлении, корпус выполнен в виде вытянутого прямоугольника, на его верхней поверхности с одной стороны размещены поворотная платформа с угловой шкалой, указателем и вертикальной осью с датчиком угла, стойка закреплена на другой стороне корпуса и соединена с рычагом, установленным с возможностью его вращения вокруг их общей горизонтальной оси, другой конец рычага с размещенным на нем указателем угла соединен со вторым рычагом, размещенным с возможностью вращения вокруг их общей горизонтальной оси, на которой закреплены вторая угловая шкала и второй датчик угла, на конце рычага закреплен контактный щуп, а в его средней части - ручка, все оси вращения выполнены на основе болтового соединения с возможностью регулирования трения в них, датчики угла и кнопка связаны проводной связью с электрическим разъемом, подключенным к внешнему электронному устройству для передачи результатов измерений.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 схематически представлена конструкция устройства; на фиг. 2 показано определение углов  и  при работе с устройством; на фиг. 3 показана кинематическая схема устройства; на фиг. 4 показана зависимость высоты узла  от угла  для численных значений конструктивных параметров устройства, приведенных в примере; на фиг. 5 представлены результаты измерения параметров филотаксиса из примера.
Устройство для измерения параметров филлотаксиса содержит корпус 1, выполненный в виде вытянутого прямоугольника, поворотную платформу 2, установленную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси 3, проходящей через ее центр, две угловые шкалы 4 и 5, соответственно, снабженные  указателями 6 и 7, контактный щуп 8 и стойку 9. контактный щуп 8 и стойку 9, датчики  угла 10 и 11,  трещотку 12, рычаги 13 и 14, горизонтальные оси 15 и 16, ручку 17, электрический разъем 18 и кнопку 19.
Чтобы исключить возможность ошибки при прохождении последовательности листьев (поворота платформы 2 в неверном направлении) при измерениях, трещотка 12 закреплена на корпусе 1 таким образом, что обеспечивается возможность вращения поворотной платформы 2 только в заданном направлении (по или против часовой стрелке). В зависимости от типа генетической спирали растения это направление может быть изменено переустановкой трещотки 12. Первый датчик угла 10 закреплен на вертикальной оси 3 и передает на внешнее электронное устройство информацию об угле дивергенции δ. Для удобства оперирования одной рукой поворотная платформа 2 с угловой шкалой 4, вертикальная ось 3 и датчик угла 10 размещены с одной стороны верхней поверхности корпуса 1. С его другой стороны, для удобства оперирования другой рукой, размещены стойка 9, которая соединена с возможностью вращения с одним концом рычага 13 горизонтальной осью 15. Другой конец рычага 13, с размещенным на нем вторым указателем 7, соединен с возможностью вращения второй горизонтальной осью 16 с концом второго рычага 14, на котором закреплены вторая угловая шкала 5 и второй датчик угла 11. Сигналы с этого датчика 11 характеризуют высоту узла растения, на который позиционирован контактный щуп 8, закрепленный на другом конце второго рычага 14. На средней части второго рычага 14 размещена ручка 17, за которую оператор подводит контактный щуп 8 к узлам листьев. Конструктивные элементы устройства закреплены на корпусе 1 таким образом, что вертикальная ось вращения 3 лежит в плоскости движения рычагов 13 и 14. Все оси вращения выполнены на основе болтового соединения, степень зажима которых (трение) задается таким образом, чтобы не допустить самопроизвольного изменения положения рычагов, но обеспечить легкость перемещения контактного щупа 8 в пространстве. Датчики углов 10 и 11 соединены с электрическим разъемом 18, который служит для подключения к внешнему электронному устройству для передачи результатов измерений. К этому же разъему подключена кнопка 19, нажатие на которую служит сигналом на автоматическое считывание показаний датчиков углов.
Конструктивными параметрами устройства являются: высота расположения корневой шейки растения (от которой отсчитывают положение узлов листьев) относительно верхней поверхности корпуса 1 ; высота узла измеряемого узла ; высота центра первой горизонтальной оси 15 относительно верхней поверхности корпуса 1 ; расстояние между проекциями центра вертикальной оси 3 и первой горизонтальной осью на верхнюю поверхность корпуса 1 ; длины первого 13 и второго 14 рычагов соответственно  и . При различных положениях контактного щупа 8 угол между вертикалью и первым рычагом составляет β, угол между рычагами, отсчитываемый по второму указателю 7 составляет α (фиг. 3).
В проекциях на горизонтальную ось Оx справедливо выражение
.
(1)
В проекциях на горизонтальную ось Оx справедливо выражение
.                           (2)
Из этих уравнений следует, что при заданных конструктивных параметрах ,,, и  угол  зависит только от угла  и является поправочным коэффициентом в расчетах. Можно найти  зависимость высоты узла  от измеренного угла  в виде функции  и пересчитывать измеренные значения угла в высоту узлов, либо отградуировать вторую угловую шкалу 5 непосредственно в единицах высоты.
Устройство работает следующим образом.
При помощи разъема 18 устройство подключают к внешнему электронному устройству, например, к ноутбуку, на котором запускают специальную программу. Поворотом платформы 2 устанавливают на ноль указатель 6 угла дивергенции . Растение, параметры филлотаксиса которого необходимо определить, размещают  на поворотной платформе 2 таким образом, чтобы его стебель совпал с осью вращения платформы 3, а контактный щуп 8 касался точки на стебле, от которой производится отсчет высоты узла. Вращая платформу 2 в заданном трещоткой 12 направлении, последовательно подводят контактный щуп 8 к узлам листьев, в том порядке, в котором они появлялись на растении. По угловой шкале 4 визуально фиксируют углы дивергенции δ. По угловой шкале 5 визуально фиксируют углы α, которые, по предварительно найденной аппроксимирующей зависимости переводят в значения высот узлов . При нажатии на кнопку 19 считанные данные с датчиков углов 10 и 11 передаются на внешнее электронное устройство. Важно обращать внимание на то, чтобы в момент нажатия на кнопку 19 контактный щуп 8 и поворотная платформа 2 оставались в неподвижном состоянии. Для этого устанавливают соответствующую степень зажима болтовых соединений. Пары значений (δ, ) представляют собой параметры филлотаксиса, которые сохраняют в памяти внешнего электронного устройства, обрабатывают и отображают определенным образом, например, в виде диаграммы (фиг. 5).
Пример. В варианте устройства, изготовленного в лаборатории энергоэкологии светокультуры института агроинженерных и экологических проблем (Санкт-Петербург), конструктивные параметры устройства составляли: = 120 мм, = 65 мм, = 305 мм, = 295 мм, = 225 мм. Была получена зависимость высоты узла от показания второго датчика угла 11. Данная зависимость была аппроксимирована полиномом третьей степени (фиг. 4), который использовали в программном обеспечении для обработки результатов измерений.
Устройство использовали при определении параметров филлотаксиса растений перца (Capsicum Annuum L.), выращиваемого в контролируемых условиях. При измерениях фиксировали показания с датчиков угла 10 и 11 при последовательной установке контактного щупа 8 на узлы листьев (с первого по девятый), которые передавали на внешне электронное устройство, подключенное к электрическому разъему 18. В соответствии с вариантом алгоритма программы, исходные данные преобразовывали в картину точек, соответствующих последовательным узлам листьев, с указанием для каждого номера листа угла дивергенции и величины его высоты над корневой шейкой (фиг. 5), которая является характеристикой филлотаксиса данного экземпляра растения.
Наличие датчиков угла 10 и 11 (энкодеров), преобразующих угловые величины в электрический сигнал, позволяет обеспечить передачу сигналов в электронное устройство, что повышает точность измерения параметров.
Максимальные пути перемещения контактного щупа 8 в плоскости измерений при вращении растения на платформе 2 определяют измерительный объем, в пределах которого можно определять параметры филлотаксиса. За счет выбора оптимальных размеров примененного рычажного механизма габариты устройства могут быть в максимальной степени приближены к габаритам исследуемых растений, что повышает компактность устройства.
Крепление рычагов 13 и 14 между собой и со стойкой 9 обеспечено болтовыми соединениями, степень зажима которых (трение) задается таким образом, чтобы не допустить самопроизвольного изменения положения рычагов 13 и 14, но обеспечить легкость перемещения контактного щупа 8 в пространстве. Наличие переустанавливаемой трещотки 12 предотвращает ошибочный поворот платформы 2 в неверном направлении. Компоновка элементов на корпусе 1 и наличие ручки 17 на рычаге 14 позволяет оператору повернуть платформу 2 с размещенным на ней растением, подвести контактный щуп 8 к листовому узлу и нажать на кнопку 19 считывания данных. Эти дополнительные признаки обеспечивают повышение удобства в работе.
Использование полезной модели позволит повысить точность измерения и удобство в работе.