АНАЛИЗАТОР КАЧЕСТВА СПЕКТРА ПОТОКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ

Полезная модель относится к области спектрального приборостроения и предназначена для использования прежде всего при оценке спектральных параметров источников излучения, применяемых для облучения растений (в светокультуре).
Спектр излучения в диапазоне фотосинтетически активной радиации (ФАР) оказывает сильное влияние на эффективность продукционного процесса в светокультуре.
Известно устройство для измерения спектра источников излучения, содержащее полихроматор и блок регистрации спектра. Спектральный состав излучения определяют с помощью программного обеспечения компьютера, к которому подсоединяют прибор при работе [Кузьмин, В. Приборы для измерения оптических параметров / В. Кузьмин, В. Антонов, О. Круглов // Полупроводниковая светотехника. - 2010. - №3. - С. 31],
Недостатками известного устройства являются следующие. Задача обработки спектральной информации возложена на компьютер. Обязательное наличие компьютера с кабельной связью создает неудобства при использовании прибора в производственном помещении культивационного сооружения. Штатное программное обеспечение компьютера для математической обработки результата не предусматривает оценку качества спектрального состава потока оптического излучения в применении к светокультуре.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является анализатор спектральной энергоемкости потока оптического излучения, содержащий полихроматор (1), первый выход которого соединен с входом блока (2) регистрации спектра, первый (4), второй (5) и третий (6) сумматоры, выходы которых соединены с входами четвертого сумматора (7), выход которого соединен с вторыми входами первого (8) и второго (9) блоков деления, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого (4) и второго (5) суматоров, блок (10) задания доли потока в первом спектральном поддиапазоне, блок (11) задания доли потока во втором спектральном поддиапазоне и блок (21) индикации [Патент на ПМ РФ №119876 Анализатор спектральной энергоемкости потока оптического излучения / Ракутько С.А. и др. Заявка №2012113017/28 от 03.04.2012].
Недостатки известного устройства:
-2
-1
1. Измеряемый поток учитывается в энергетических единицах, Вт. Однако в метрологии светокультуры необходимо нахождение количества фотонов, падающих на определенную площадь за единицу времени, т.е. фотонной облученности, моль·м·с.
2. Принятый критерий оценки - энергоемкость потока - не является величиной, характеризующей качество спектра потока излучения. В практике светокультуры желательно иметь прибор, по показаниям которого можно судить о качестве спектра применяемого источника излучения по близости двух спектров - измеренного и нормируемого.
Задача полезной модели - создание измерительного прибора, позволяющего оценить качество спектра применяемого источника излучения по близость двух спектров (измеряемого и задаваемого пользователем) с учетом долей потока фотонов в отдельных спектральных поддиапазонах ФАР.
Технический результат - возможность анализа качества потока источника излучения по степени близости его спектра к заданному распределению долей фотонного потока в поддиапазонах ФАР.
Технический результат достигается тем, что анализатор качества спектра потока оптического излучения в светокультуре содержит полихроматор (1), первый выход которого соединен с входом блока (2) регистрации спектра, первый (4), второй (5) и третий (6) сумматоры, выходы которых соединены с входами четвертого сумматора (7), выход которого соединен с вторыми входами первого (8) и второго (9) блоков деления, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого (4) и второго (5) суматоров, блок (10) задания доли потока в первом спектральном поддиапазоне, блок (11) задания доли потока во втором спектральном поддиапазоне, блок (21) индикации, блок (3) определения фотонной облученности, соответствующие входы которого соединены с вторым выходом полихроматора (1) и выходом блока (2) регистрации спектра, а выходы соединены с входами первого (4), второго (5) и третьего (6) сумматоров, первый (12) и второй (13) блоки вычитания, первый (14) и второй (16) блоки возведения в квадрат, первый (15) и второй (20) блоки умножения, пятый сумматор (17), блок (18) извлечения квадратного корня, блок (19) вычитания из единицы, при этом выходы первого блока (8) деления и блока (10) задания доли потока в первом спектральном поддиапазоне соединены с соответствующими входами первого блока (12) вычитания, выход которого соединен с входом первого блока (14) возведения в квадрат и первым входом первого блока (15) умножения, выходы второго блока (9) деления и блока (11) задания доли потока во втором спектральном поддиапазоне соединены с соответствующими входами второго блока (13) вычитания, выход которого соединен с входом второго блока (16) возведения в квадрат и вторым входом первого блока (15) умножения, выходы первого (14), второго (16) блоков возведения в квадрат и первого блока (15) умножения соединены с входами пятого сумматора (17), выход которого соединен с входом блока (18) извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом блока (19) вычитания из единицы, выход которого соединен с входом второго блока (20) умножения, выход которого соединен с входом блока (21) индикации.
Новые существенные признаки: устройство дополнительно содержит блок (3) определения фотонной облученности, соответствующие входы которого соединены с вторым выходом полихроматора (1) и выходом блока (2) регистрации спектра, а выходы соединены с входами первого (4), второго (5) и третьего (6) сумматоров, первый (12) и второй (13) блоки вычитания, первый (14) и второй (16) блоки возведения в квадрат; первый (15) и второй (20) блоки умножения, пятый сумматор (17), блок (18) извлечения квадратного корня, блок (19) вычитания из единицы, при этом выходы первого блока (8) деления и блока (10) задания доли потока в первом спектральном поддиапазоне соединены с соответствующими входами первого блока (12) вычитания, выход которого соединен с входом первого блока (14) возведения в квадрат и первым входом первого блока (15) умножения, выходы второго блока (9) деления и блока (11) задания доли потока во втором спектральном поддиапазоне соединены с соответствующими входами второго блока (13) вычитания, выход которого соединен с входом второго блока (16) возведения в квадрат и вторым входом первого блока (15) умножения, выходы первого (14), второго (16) блоков возведения в квадрат и первого блока (15) умножения соединены с входами пятого сумматора (17), выход которого соединен с входом блока (18) извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом блока (19) вычитания из единицы, выход которого соединен с входом второго блока (20) умножения, выход которого соединен с входом блока (21) индикации.
Признаки, характеризующие полезную модель в конкретных формах выполнения:
- границы спектральных поддиапазонов для первого (4), второго (5) и третьего (6) сумматоров составляют соответственно 400…500 нм (синий), 500…600 нм (зеленый), 600…700 нм (красный);
- границы спектральных поддиапазонов для первого (4), второго (5) и третьего (6) сумматоров составляют соответственно 400…520 нм (зона вегетативного действие), 520…610 нм (зона восприимчивости каротиноидов), 610…700 нм (зона стимулирования цветения).
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат обеспечивается тем, что:
1. Устройство дополнительно содержит блок (3) определения фотонной облученности, соединенный соответствующими связями с другими блоками устройства, что обеспечивает возможность учета количества фотонов, падающих на определенную площадь за единицу времени;
2. Устройство дополнительно содержит первый (12) и второй (13) блоки вычитания, первый (14) и второй (16) блоки возведения в квадрат, первый (15) и второй (20) блоки умножения, пятый сумматор (17), блок (18) извлечения квадратного корня, блок (19) вычитания из единицы, соединенные соответствующими связями между собой и другими блоками устройства, что обеспечивает возможность определения величины, характеризующей качество спектра применяемого источника излучения по близости двух спектров -измеренного и нормируемого.
Возможность использование предлагаемой полезной модели в приборостроении, в сельском хозяйстве при культивировании растений в условиях дополнительного освещения, известность программно-аппаратных методов и средств (цифровых и аналоговых), с помощью которых возможна реализация отдельных блоков модели и ее структуры в целом в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил устройство того же назначения, что и предлагаемое техническое решение, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы существенные признаки, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
На фиг. 1 показана функциональная схема заявляемого анализатора: 1 - полихроматор, 2 - блок регистрации спектра, 3 - блок определения фотонной облученности, 4 - первый сумматор, 5 - второй сумматор, 6 - третий сумматор, 7 - четвертый сумматор, 8 - первый блок деления, 9 - второй блок деления, 10 - блок задания доли потока в первом спектральном поддиапазоне, 11 - блок задания доли потока во втором спектральном поддиапазоне, 12 - первый блок вычитания, 13 - второй блок вычитания, 14 - первый блок возведения в квадрат, 15 - первый блок умножения, 16 - второй блок возведения в квадрат, 17 - пятый сумматор, 18 - блок извлечения квадратного корня, 19 - блок вычитания из единицы, 20 - второй блок умножения, 21 - блок индикации.
B
G
R
B
G
R
AB
На фиг. 2 показано вычисление расстояния между двумя точками, характеризующими спектр излучения в треугольной системе координат: k, k, k - оси координат, соответствующие долям потока в синем, зеленом и красном поддиапазонах ФАР; Δ, Δ, Δ - разности координат точек А и В по соответствующим осям; L - расстояние между точками А и В; С и D - вспомогательные точки.
На фиг. 3 показан спектр источников излучения из примера: ЛЛ - люминесцентных ламп, НА - натриевых ламп: СД - светодиодных источников.
На фиг. 4 в таблице показаны численные значения вычисляемых величин из примера.
На фиг. 5 показано графическое отображение измеренных спектров из примера в виде точек на треугольной системе координат и отрезки, соответствующие расстоянию между этими точками и точки, соответствующей нормированному спектру.
В основе полезной модели лежат следующие положения.
Получаемые широко распространенными спектральными приборами графические (или табличные) данные о спектре в производственных условиях являются избыточными. Массив спектральных данных не позволяет непосредственно оценить близость спектров измеряемого потока и потока, наиболее эффективного для растений данного вида (т.е. качество спектра применяемого источника излучения). Признанным в метрологии светокультуры является подход, основанный на выделении трех спектральных поддиапазонов излучения ФАР (400…700 нм): синего (В - blue) 400…500 нм, зеленого (G - green) 500…600 нм и красного (R - red) 600...700 нм. Исследования роста, фотосинтеза и продуктивности растении показали, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растении являются следующие соотношения энергии по спектру ФАР в растениеводческих лампах: 30% - в синем, 20% - в зеленом, 50% - в красном поддиапазонах [Протасова Н.Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Физиология растений. - т. 34. - Вып. 4. - 1987]. В ряде исследований найдены соотношения, наиболее оптимальные для отдельных культур и даже сроков их вегетации.
По другой методике границы диапазонов составляют: зона вегетативного действия (V - vegetative) 400…520 нм; зона восприимчивости каротиноидов (С - carotenoid) 520…610 нм; зона стимулирования цветения (F - flowering) 610…700 нм [http://growlightsource.com/content/GLS.com-MeasuringPlantLight.pdf].
λ
2
Первичной спектральной информацией являются величины энергетической облученности E, Вт·м, для каждой длины волны λ.
-2
-1
Величины фотонной облученности, моль·м·с, в выделенных поддиапазонах, например, для BGR поддиапазонов:
где  - постоянная Планка, ;
8
-1
с - скорость света, c=3·10 м·с;
A
A
23
-1
N - число Авогадро, N=6,023·10 моль.
Фотонная облученность в диапазоне ФАР
Доли потоков в спектре равны долям соответствующих облученностей в общей облученности ФАР. При трех поддиапазонах достаточно вычисление доли потоков в двух поддиапазонах, например, синем и красном.
B
G
R
Данному набору можно сопоставить точку в треугольной системе координат, оси которой направлены по сторонам равностороннего треугольника (фиг.2). Каждой такой точке соответствует определенный набор коэффициентов k, k, k.
Для двух точек А и В разности координат по соответствующим осям
AB
Расстояние L между точками А и В (т.е. степень близости соответствующих спектров) определяется из прямоугольного треугольника ABD.
Приняв спектр одной из точек в качестве нормируемого, показатель качества спектра оценивают по величине
ИН
где L - расстояние между точками, отображающими измеренный (И) и нормируемый (Н) спектры в треугольных координатах.
Анализатор состоит из полихроматора (1), блока (2) регистрации спектра, выходы которых соединены с входами блока (3) определения фотонной облученности, выходы которого соединены с входами первого (4), второго (5) и третьего (6) сумматоров. Выходы сумматоров соединены с входами четвертого сумматора (4) и с первыми входами блоков деления (8) и (9), со вторыми входами которых соединен выход четвертого сумматора (7). Выходы блоков деления вместе с выходами блоков задания доли потока в первом (12) и втором (13) спектральном поддиапазонах соединены с соответствующими входами блоков вычитания (12) и (13). В состав устройства входят первый (14) и второй (16) блоки возведения в квадрат, первый (15) и второй (20) блоки умножения, пятый сумматор (17), блок извлечения квадратного корня (18) блок (19) вычитания из единицы, блок (21) индикации.
λ
λ
2
Анализатор работает следующим образом. Полихроматор (1) разлагает исследуемый поток оптического излучения диапазона ФАР в спектр, представляющий собой массив данных энергетической облученности E, Вт·м, для каждой длины волны λ, нм. Блок регистрации спектра (2) осуществляет формирование сигнала, пропорционального величине E на отдельных длинах волн. Блок (3) определения фотонной облученности преобразует величины энергетической облученности в величины фотонной облученности. Сумматоры (4), (5) и (6) с учетом принятых границ по длинам волн определяют фотонную облученность в отдельных поддиапазонах ФАР. Сумматор (7) определяет энергию фотонного потока всего диапазона ФАР.
B
R
Блоки деления (8) и (9) на своих выходах формируют сигналы, соответствующие долям фотонных потоков в относительных единицах в первом и втором спектральных поддиапазонах, например, в синем k и красном k.
В блоках (10) и (11) задают нормированные для облучаемых культур доли фотонных потоков в относительных единицах в первом и втором спектральных поддиапазонах, например, в синем  и красном .
B
R
Блоки вычитания (12) и (13) формируют величины сигналов Δ и Δ.
ИН
Блоки (14)-(18) формируют сигнал, соответствующий величине L, характеризующей степень близости измеренного спектра к нормированному для данной культуры. Блоки (19) и (20) формируют сигнал, соответствующий величине К, характеризующей качество спектра. Данная величина отображается блоком индикации 21.
B
G
R
B
G
R
AB
Пример 1. На фиг. 2 показаны две точки, характеризующие два спектра: в т. А спектральный состав излучения характеризуется набором k:k:k=0,17:0,66:0,16, в т. В - k:k:k=0,54:0,13:0,33. Расстояние между точками как мера близости спектров L=0,478 отн. ед.
Пример 2. В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИА-ЭП (Санкт-Петербург) в ходе экспериментов по светокультуре проводили оценку качества спектра излучения люминесцентных ламп (ЛЛ), натриевых ламп (НА), светодиодных источников (СД).
λ
Спектр источников в виде зависимости фотонной облученности E от длины волны λ для каждого источника излучения показан на фиг. 3. Получены значения фотонной облученности в отдельных поддиапазонах ФАР и общей фотонной облученности ФАР. Доли фотонных потоков в поддиапазонах в относительных единицах показаны в таблице на фиг. 4.
B
R
ИН
В качестве нормированных значений приняты  и . Получены величины сигналов Δ и Δ. Получены сигналы, соответствующие величине L, графически показанные на фиг. 5.
Сформированы сигналы, соответствующие величине К. Измерения показали, что наивысшее (К=87,1%) качество спектра из измеренных источников излучения наблюдается у ЛЛ.
Таким образом, с помощью заявляемого устройства возможно измерение степени соответствия измеренного и задаваемого в качестве нормируемого спектрального состава излучения по доли фотонного потока в отдельных поддиапазонах и оценка качества спектра в применении к светокультуре.
Наглядность измеряемой величины показателя качества спектра позволяет использовать предлагаемое устройство в научных исследованиях, в учебном процессе аграрного вуза, при проведении энергоэкоаудита в культивационных сооружениях, в производственном процессе светокультуры.