Устройство для измерения расхода ксилемного потока растения
DEVICE FOR MEASURING THE FLOW RATE OF THE XYLEM FLOW OF A PLANT

Настоящее изобретение относится к биологии и сельскому хозяйству и может быть использовано для измерения расхода воды растением, изучения его водного режима, функционального состояния, что, в свою очередь, может быть использовано для управления поливом в соответствии с величиной расхода воды интактным растением.
Из существующего уровня техники известен «Прибор для измерения ксилемного потока» (Van Bavel, et al. Apparatus for measuring sap flow. December 14, 1993 United States Patent 5.269.183).
Это устройство для измерения расхода сока непосредственно у травянистых растений и деревьев без необходимости эмпирической калибровки с использованием метода теплового баланса. Съемное многоразовое устройство, имеющее нагреватель, прикреплено к периферии стебля или ствола. Множество датчиков температуры встроено в защищенный от атмосферных воздействий кожух и экранировано. Расчеты расхода сока и данные, накопленные с датчиков температуры, автоматически обрабатываются и записываются устройством.
Общими признаками аналога и заявляемого устройства являются: источник тепла для теплового воздействия на фрагмент стебля, измерители наружных компонентов расхода тепла на поток массы жидкости, теплопроводность стебля вверх и вниз, и конвекцию в окружающую среду с последующим расчетом величины расхода жидкости растением.
Недостатком аналога является постоянный разогрев фрагмента стебля на максимальную величину, что вносит искажения в естественные процессы жизнедеятельности растения, а также снижает чувствительность прибора (при малых потоках растение сильно перегревается, при больших падает чувствительность прибора).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является измеритель водного потока в стебле интактного растения, основанный на методе теплового баланса, включающий источник тепла для теплового воздействия на фрагмент стебля, измерители наружных компонентов расхода тепла на поток массы жидкости, теплопроводность стебля вверх и вниз, и конвекцию в окружающую среду с последующим расчетом величины расхода жидкости растением (Sakuratani Т., 1981: A heat balance method for measuring water flux in the stem of intact plants. J. Agr. Met., 37, 9-17).
Общими признаками прототипа и заявляемого технического решения являются: тепловое воздействие на фрагмент стебля посредством нагревателя, измерители наружных компонентов расхода тепла на поток массы жидкости, теплопроводность стебля вверх и вниз, и конвекцию в окружающую среду с последующим расчетом величины расхода жидкости.
Недостатком прототипа является постоянный разогрев фрагмента стебля на максимальную величину, что вносит искажения в естественные процессы жизнедеятельности растения (при малых потоках растение сильно перегревается, при больших падает чувствительность прибора), а также затрудняется продолжительная автономная многосуточная работа.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для измерения расхода ксилемного потока растения в режиме фитомониторинга, в котором за счет применения адаптивного нагрева уменьшается суммарный разогрев растения, снижается перегрев при низких потоках, повышается чувствительность измерения при больших потоках, и благодаря этому осуществляется непрерывный не повреждающий мониторинг расхода ксилемного потока интактного растения в искусственных и естественных условиях.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве измерения расхода ксилемного потока растения, включающего нагреватель фрагмента стебля, измерители наружных компонентов расхода тепла на поток массы жидкости, теплопроводность стебля вверх и вниз, и конвекцию в окружающую среду с последующим расчетом величины расхода жидкости, согласно изобретения, дополнительно введены блоки хранения, выработки сигнала адаптивного управления мощностью нагрева и вычисления текущего значения величины расхода ксилемного потока растения, которые в совокупности изменяют величину последующего нагрева в соответствии с текущим уровнем расхода ксилемного потока.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является уменьшение искажения естественных процессов жизнедеятельности растения, а также повышение точности измерения расхода ксилемного потока растения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: На фиг. 1 представлено размещение чувствительных элементов и нагревателя на фрагменте стебля растения. На фрагменте стебля установлены датчики разностей температур, нагреватель с теплоизоляцией.
Расчет расхода ксилемного потока производится по уравнению теплового баланса фрагмента стебля:
где F - расход ксилемного потока во фрагменте стебля [Кг/с],
Q - тепловая энергия нагревателя [Вт],
с - удельная теплоемкость воды [Дж/Кг*°C],
- разность температур выше и ниже нагревателя [°C],
и  - разности температур верхнего и нижнего датчиков теплопроводности фрагмента стебля, соответственно [°C],
λ - удельная теплопроводность фрагмента стебля [Вт/м °C],
u
d
2
A и A - площади поперечного сечения нагретого фрагмента вверху и внизу, соответственно [м],
k - коэффициент, связанный с термопроводностью теплоизоляции, с формой и размером датчика [Вт/°C],
- разность температур между внутренней и внешней сторонами датчика [С],
-3
Δх - участок измерения теплопроводности фрагмента стебля [мм* 10].
На фиг. 2 представлена схема измерителя расхода ксилемного потока с адаптивным нагревом. Сигналы от датчиков температур, соответствующих значениям наружных компонентов расхода тепла на поток массы жидкости, теплопроводность стебля вверх и вниз, и конвекцию в окружающую среду поступают на усилители сигналов (блоки 1, 2, 3, 4), выходы которых соединены со входами блока обработки 5. Выход блока обработки 5 соединен со входами блока хранения 6, блока выработки сигнала адаптивного управления мощностью нагрева 7 и входом блока вычисления текущего значения величины расхода ксилемного потока растения 8. Выход блока хранения 6 соединен со вторым входом блока выработки сигнала адаптивного управления мощностью нагрева 7. Выходы блока выработки сигнала адаптивного управления мощностью нагрева 7 соединены с нагревателем и входом блока вычисления текущего значения величины расхода ксилемного потока растения 8. Выход блока вычисления текущего значения величины расхода ксилемного потока растения 8 является выходом устройства.
В блоке выработки сигнала адаптивного управления мощностью нагрева 7 осуществляется сравнение текущего измерения с предыдущим и по результатам сравнения вырабатывается сигнал, управляющий мощностью нагревателя. Также текущее значение мощности нагрева используется для конечного расчета величины расхода ксилемного потока.
Устройство работает следующим образом:
F
u
d
s
Фрагмент стебля при необходимости зачищают от верхнего слоя сухой коры. Устанавливают нагреватель и измерители наружных компонентов расхода тепла в соответствии с уравнением теплового баланса: на поток массы жидкости Q, теплопроводность стебля вверх q и вниз q, и конвекцию в окружающую среду q (фиг. 1).
Всю конструкцию теплоизолируют, оставляя снаружи лишь чувствительный элемент, связанный с температурой окружающей среды .
Чувствительные элементы датчика подключают к электронной схеме измерения и накопления данных о компонентах расхода тепла и адаптивного управления текущей мощностью нагревателя (фиг. 2).
По полученным данным рассчитывают по уравнению теплового баланса текущую величину расхода ксилемного потока растения.
В результате постоянных замеров компонентов с последующим расчетом, осуществляется непрерывный мониторинг за величиной ксилемного расхода интактного растения.
Управление величиной адаптивного нагрева осуществляется следующим образом:
От цикла к циклу измерения оценивается расход ксилемного потока F.
Весь диапазон измерения расхода ксилемного потока разбит на ступеньки, каждой из которых соответствует своя мощность нагрева. Самая большая мощность используется для максимальной величины расхода ксилемного потока, самая маленькая - для минимальной.
Если величина текущего значения расхода ксилемного потока находится в пределах установленной нормы мощности нагрева, то нагрев остается на той же ступеньке до следующего цикла.
Если величина текущего значения расхода ксилемного потока меньше предельного минимума установленной ступеньки (значит идет перегрев, поток меньше ожидаемого), то нагрев переключается на ступеньку слабее. Если это минимальная ступенька, то на ней и остается.
Если величина текущего значения расхода ксилемного потока больше предельного максимума установленной ступеньки (значит идет недогрев, поток больше ожидаемого), то нагрев переключается на ступеньку сильнее. Если это максимальная ступенька, то на ней и остается.
Таким образом, начав с любой мощности нагрева, прибор самостоятельно может «поймать» норму потока и дальше «по ней следовать».
Параметры системы (мощность нагрева, границы разности температур) всегда должны учитывать параметры выбранной части растения (толщина стебля, норма оводненности ткани), свойства потока (ожидаемые границы максимального и минимального расхода ксилемного потока), а параметры среды растение «учитывает» самостоятельно.