УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ФОТОСИНТЕЗА
DEVICE FOR DETERMINING POWER CONSUMPTION OF PHOTOSYNTHESIS

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к физиологии растений, и может быть использовано для оптимизации технологии выращивания растений при искусственном облучении (светокультуры).
Светокультура является весьма энергоемким процессом. Основные затраты энергии здесь связаны с созданием условий для фотосинтеза.
Известно устройство, в котором для оценки части поглощаемой растениями в процессе фотосинтеза энергии (фитопотока) используют блок измерения облученности со спектральной чувствительностью, соответствующей спектральной чувствительности среднего растения [Свентицкий И.И. Способ оценки действия оптического излучения на растения. А.с. №124669. Заявка №615162/26, 29.12.1958. Опубл. в БИ №23, 1959].
Недостатком данного технического решения является необходимость предварительного теоретического или экспериментального определения кривой спектральной чувствительности среднего растения данного вида, что повышает трудоемкость измерений и снижает их точность.
Известно устройство для оценки энергоемкости потока излучения, включающее блок измерения облученности, блок деления, блок задания нормированных параметров. [Ракутько С.А. и др. Анализатор спектральной энергоемкости потока оптического излучения. ПМ №119876. Заявка 2012113017/28, 03.04.2012. Опубл. в бюл. №24, 27.08.2012]. Недостатком данного устройства является то, что оценка энергоемкости производится только по результатам спектральных измерений. Свойства растения как биологического объекта учитываются путем их ручного ввода через блок задания нормированных параметров. Устройство не позволяет определить энергоемкость фотосинтеза для конкретного экземпляра растения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению относится устройство для определения эксергии, включающее блок измерения облученности (фотоэлемент), блок задания времени облучения, первый и второй сумматоры, блок индикации [Обыночный А.Н., Свентицкий И.И., Юферев Л.Ю. Способ и устройство определения эксергии оптического излучения в растениеводстве. Пат. РФ №2280975. Заявка 2005103491/12, 10.02.2005. Опубл. в бюл. №22, 10.08.2006].
Недостатки известного технического решения:
1. величина эксергии, полученная при суммировании измеренной облученности по спектру и времени действия, использует функцию относительной спектральной эффективности фотосинтеза, принятую единой для всех растений, что не позволяет определить энергоемкость фотосинтеза для конкретного экземпляра растения;
2. даже при использовании функции относительной спектральной эффективности фотосинтеза, определенной для конкретного экземпляра растения, величина эксергии является скорее характеристикой потенциальной возможности обеспечения фотосинтеза, а не оценкой энергоэффективности реально протекающих в растении фотосинтетических процессов;
3. использование в качестве измерителя облученности фотоэлемента требует наличия светофильтров, необходимых для его калибровки на разных длинах волн;
4. аналоговые каналы оптических и электрических измерений, необходимость градуировки снижают точность измерений и удобство в работе с устройством.
Задача изобретения - создание точного и удобного в работе прибора, позволяющего по результатам измерения условий облучения и биометрических параметров растения определить энергоемкость фотосинтеза для конкретного экземпляра растения.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для определения энергоемкости фотосинтеза содержит блок (1) измерения облученности, блок (6) задания времени облучения, первый (8) и второй (13) сумматоры, блок (14) индикации, блок (2) измерения массы листа растения, блок (3) измерения площади листа растения, блок (4) фиксации времени появления очередного листа на растении, блок (5) задания фотопериода, первый (7) и второй (9) блоки умножения, блок (10) вычитания, первый (11) и второй (12) блоки деления, при этом выход блока (4) фиксации времени появления очередного листа на растении соединен с первым входом блока (10) вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока (6) задания времени облучения, а выход - с первым входом второго блока (9) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (3) измерения площади листа растения, а выход - с входом второго (13) сумматора, выход которого соединен с первым входом второго блока (12) деления, второй вход которого соединен с выходом первого (8) сумматора, вход которого соединен с выходом блока (2) измерения массы листа растения, а выход - с первым входом первого блока (11) деления, выход блока (1) измерения облученности соединен с первым входом первого блока (7) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (5) задания фотопериода, а выход - с вторым входом первого блока (11) деления, выход которого подключен к входу блока (14) индикации. В качестве блока (1) измерения облученности используют измеритель фотонной облученности.
Новые существенные признаки: наличие блока (2) измерения массы листа растения, блока (3) измерения площади листа растения, блока (4) фиксации времени появления очередного листа на растении, блока (5) задания фотопериода, первого (7) и второго (9) блоков умножения, блока (10) вычитания, первого (11) и второго (12) блоков деления, при этом выход блока (4) фиксации времени появления очередного листа на растении соединен с первым входом блока (10) вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока (6) задания времени облучения, а выход - с первым входом второго блока (9) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (3) измерения площади листа растения, а выход - с входом второго (13) сумматора, выход которого соединен с первым входом второго блока (12) деления, второй вход которого соединен с выходом первого (8) сумматора, вход которого соединен с выходом блока (2) измерения массы листа растения, а выход - с первым входом первого блока (11) деления, выход блока (1) измерения облученности соединен с первым входом первого блока (7) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (5) задания фотопериода, а выход - с вторым входом первого блока (11) деления, выход которого подключен к входу блока (14) индикации. В качестве блока (1) измерения облученности используют измеритель фотонной облученности.
Технический результат обеспечивается тем, что:
1. в устройстве задают и измеряют параметры, характеризующие условия облучения и биометрические показатели конкретного растения;
2. производят оценку энергоэффективности реально протекающего в растении процесса фотосинтеза по величине его энергоемкости, что позволяет произвести оптимизацию условий выращивания по минимуму энергоемкости;
3. использован измеритель фотонной облученности, определяющий количество фотонов (в молях) независимо от длины волны излучения;
4. использованы цифровые логические блоки, не требующие калибровки и регулировки, что повышает точность измерений и удобство в работе с устройством.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Возможность использование предлагаемого устройства в сельском хозяйстве и физиологии растений, известность программно-аппаратных методов и средств, с помощью которых возможна реализация отдельных блоков устройства и его структуры в целом в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил устройства 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».
Сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Анализ уровня техники не выявил известность влияния признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, на основной технический результат (обеспечение возможности оперативного определения энергоемкости фотосинтеза конкретного экземпляра растения), что свидетельствует об изобретательском уровне предлагаемого технического решения.
На фигуре показана схема устройства и его работа при определении энергоемкости фотосинтеза: ИС - источник света, действующий на растение, А - устройство для определения энергоемкости фотосинтеза, включающее 1 - блок измерения облученности, 2 - блок измерения массы листа растения, 3 -блок измерения площади листа растения, 4 - блок фиксации времени появления очередного листа на растении, 5 - блок задания фотопериода, 6 - блок задания времени облучения, 7 - первый блок умножения, 8 - первый сумматор, 9 - второй блок умножения, 10 - блок вычитания, 11 - первый блок деления, 12 - второй блок деления, 13 - второй сумматор, 14 - блок индикации. Измеряемые параметры: Е - облученность, n - номер листа растения, Mn - масса n-го листа, Sn - площадь n-го листа, Tn - время появления n-го листа растения. Задаваемые параметры: ФП - фотопериод, Тк - время облучения. Выходная величина: ЭФС - энергоемкость фотосинтеза.
В основе изобретения лежат следующие положения.
-2
-2
-1
Основным ассимилирующим органом, в котором под действием оптического излучения образуются органические вещества, служащие структурно-энергетическим материалом для всего растения, является лист [Ничипорович А.А. Световое и углеродное питание растений - фотосинтез. М: Изд-во АН СССР, 1955. - 287 с.]. Это позволяет определять продуктивность фотосинтеза, г·м·сут, по накоплению массы органического вещества в единице площади листа за определенное время для всех листьев растения по формуле
где Mn - масса вещества, полученного при фотосинтезе в n-ном листе, г;
2
Sn - площадь n-го листа, м;
Тв - возраст n-го листа, сут.
Разработаны различные практические мероприятия, направленные на повышение продуктивности растений. Однако, помимо обеспечения высокой продуктивности растений, важным также является повышение энергоэффективности облучения. Величиной, характеризующей энергоэффективность различных технологических процессов, является энергоемкость [Ракутько С.А. Оптимизация технологического процесса облучения в АПК по минимуму энергоемкости // Светотехника. 2009. №4. С. 57-60].
-1
Энергоемкость фотосинтеза, моль·г, вычисляется по формуле
где Hn - доза излучения, воспринятая n-ным листом, моль.
Энергоемкость показывает, какое количество энергии затрачивается на синтез единицы массы продуктов фотосинтеза.
По мере роста растения в моменты времени Тн на стебле появляются новые листья. На день окончания облучения Тк возраст n-го листа
При линейном характере зависимости изменения площади n-го листа с течением времени с момента его появления на стебле выражение для дозы:
где Е - фотоная облученность, моль,
То - время облучения n-го листа, с.
где ФП - фотопериод, ч.
С учетом выражений (4) и (5), суммируя для всех листьев растения
-2
-1
где Кф - постоянный коэффициент, моль·м·сут,
Тогда, с учетом формул (1) и (2) величина энергоемкости фотосинтеза
Работа устройства осуществляется следующим образом. Блок измерения облученности 1 воспринимает величину фотонной облученности Е, формируемую источниками света ИС, установленными в зоне выращивания растения. Блоки измерения массы листа растения 2, площади листа растения 3 и фиксации времени появления очередного листа на растении 4 измеряют соответствующие биометрические показатели растения Mn, Sn и Tn. В блоке 5 задают значение фотопериода ФП, в блоке 6 - продолжительность времени облучения Тк. На выходе блока вычитания 10 формируется сигнал, соответствующий величине Тв. На выходе блока умножения 9 формируется сигнал, соответствующий величине Sn·Tв. На выходе второго сумматора 13 формируется сигнал, соответствующий величине Σ(Sn·Tв). На выходе первого сумматора 8 формируется сигнал, соответствующий величине Σ(Mn). На выходе второго блока деления формируется сигнал, соответствующий величине ПФС. На выходе первого блока умножения 7 формируется сигнал, соответствующий величине Кф. На выходе первого блока деления 11 формируется сигнал, соответствующий величине ЭФС, значение которой отображается блоком индикации 14.
-2
-1
Пример. В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП (Санкт-Петербург) выращивали рассаду томата сорта Фламинго F1 под излучением светодиодных источников. Уровень облученности (сигнал на выходе блока 1) составлял Е=140 мкмоль·м·с, фотопериод (сигнал на выходе блока 5) ФП=14 часов в сутки. Эксперимент продолжался Тк=42 дня (сигнал на выходе блока 6). С помощью устройства для определения энергоемкости фотосинтеза для каждого листа растения фиксировали время появления листа Tn (выход блока 4), площадь листа Sn (выход блока 3) и массу сухого вещества Mn (выход блока 2), показанные в таблице. Здесь же показаны значения промежуточных величин, соответствующие сигналам на выходах соответствующих блоков устройства: возраст каждого листа Тв (выход блока 10), значения произведений Sn·Тв (выход блока 9), суммы Σ(Sn·Тв) (выход блока 13) и Σ(Mn) (выход блока 8).
Значение величины Кф (выход блока 7)
-2
-1
Кф=½·140·3600·14=3,528 моль·м·сут.
Значение величины ПФС (выход блока 12)
-2
-1
ПФС=1,37/1,31=1,046 г·м·сут.
Значение величины энергоемкости фотосинтеза (выход блока 11)
-1
ЭФС=3,528/1,046=3,373 моль·г.
Это означает, что на 1 г сухого вещества, полученного при фотосинтезе, затрачено 3,373 моля потока энергии излучения. Результаты измерения могут быть использованы для оптимизации процесса выращивания растений по критерию минимума энергоемкости путем варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов.