УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГООБЕСПЕЧЕННОСТИ ЛИСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ
APPARATUS FOR DETERMINING MOISTURE CONTENT OF DECIDUOUS PLANTS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при оценке функционального состояния лиственных растений, определяемого их влагообеспеченностью, в реальном времени с целью осуществления регулируемого полива, оптимального для растительных объектов, независимо от типа почв как в полевых условиях, так и в теплицах.
Известен фотометр для измерения коэффициента диффузного отражения природных объектов, в том числе растений, который разрабатывался для работы в полевых условиях, содержащий источник освещения устройства, расположенный в шаре с рассеивающей рабочей поверхностью так, что он непосредственно освещает измеряемый образец, встроенный микропроцессор позволяет выводить зарегистрированный коэффициент спектрального отражения непосредственно в компьютер или на принтер прямо из прибора без применения компьютера (см. Кувалдин, Э.В. Фотометры для измерения коэффициентов отражения природных объектов в спектральной области излучения солнца // Э.В. Кувалдин. - Научное приборостроение. - №1 (том 15). - 2005. - С. 21-28.).
Недостатками данного устройства являются его сложность и проблемы, связанные с устранением внешней засветки, т.к. его работа осуществляется при солнечном освещении.
Известно устройство оценки содержания влаги (воды) в листьях растений (см. патент WO №2007129648, МПК G01N 21/31; A01G 7/00, публ. 15.11.2007 г.), основанное на измерении спектрального коэффициента отражения инфракрасного излучения от листьев и дальнейшем использовании множественного регрессионного анализа по полученным спектральным данным.
Недостатком данного устройства является достаточно сложный алгоритм выделения диагностической информации, а также невозможность учета формирования диффузного и зеркального отражения на поверхности листовой пластины, которая обладает различными участками, приводящими к появлению смешанного отраженного излучения, каждая из составляющих которого будет иметь различное направление и будет нести определенную информацию о состоянии растения в целом.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения шероховатости поверхности, работа которого направлена на определение как диффузной, так и зеркальной составляющих, содержащее лазер, эллипсоидальное зеркало, первый фокус которого расположен на оси зондирующего лазерного пучка, а выходное отверстие размещено на оси зеркально отраженной компоненты света, первый фотоприемник, установленный во втором фокусе эллипсоидального зеркала, предназначенный для регистрации суммарной (интегральной) интенсивности диффузной компоненты, и блок обработки информации, электрически соединенный с первым фотоприемником, второй фотоприемник, регистрирующий суммарную (интегральную) интенсивность зеркальной компоненты, установленный на оптической оси зеркальной компоненты отраженного света, оптически сопряженный с выходным отверстием эллипсоидального зеркала и электрически соединенный с блоком обработки информации (см. патент РФ 2156437, МПК G01B 11/00, публ. 20.09.2000 г.).
Недостатком известного устройства является то, что оно может быть использовано для определения шероховатости сверхгладких поверхностей и плоских металлических полупроводниковых и диэлектрических изделий (а не растительных объектов), и его работа направлена на получение отношения диффузной и зеркальной составляющих, которое определяет шероховатость оцениваемой поверхности. Разделение потока излучения на составляющие с использованием отверстия не гарантирует отсутствия диффузной составляющей в излучении, попадающем на фотоприемник зеркального отражения, а применение в конструкции эллипсоидального зеркала не предполагает использование устройства вне лаборатории из-за жестких требований к условиям окружающей среды и внешним механическим воздействиям.
Согласно изобретению предлагается устройство для определения влагообеспеченности лиственных растений, в качестве предмета исследования которых выступает шероховатая поверхность листовых пластин (см. Бондарева Л.А., Суханова М.В. Исследование шероховатой поверхности листьев растений // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2014. - №1 (303). - С. 144-151.), а указанный результат получается в результате измерения зеркальной составляющей отраженного излучения от листьев растений.
Техническая задача заключается в создании устройства, способного непосредственно в полевых условиях неинвазивно в реальном времени провести оценку влагообеспеченности растительных объектов с целью дальнейшего контроля за расходом воды и регулирования интенсивности полива для оптимизации процесса выращивания растительных объектов и затрат, связанных с этим процессом.
Техническая задача достигается тем, что устройство для определения влагообеспеченности лиственных растений содержит лазер или светодиод, излучающий в диапазоне длин волн 750…1150 нм, который оснащен конденсором для формирования светового пятна, первый фотоприемник установлен на оси зеркально отраженной компоненты и оснащен фокусирующей линзой, второй фотоприемник установлен чувствительной поверхностью в фокусе собирающей линзы, которая расположена в боковой поверхности полого цилиндра на полусфере, образованной отраженным лучистым потоком от листа растения, размещенного внутри измерительной камеры, причем электрические выходы первого и второго фотоприемников соединены с блоком обработки информации, осуществляющим выделение зеркальной составляющей отраженного потока путем вычитания диффузной составляющей излучения из смешанного отраженного потока и расчет коэффициента отражения зеркальной составляющей.
Технический результат заключается в возможности определения разработанным устройством функционального состояния растений для определения их потребностей в воде в режиме реального времени на основе облучения листьев растений электромагнитным излучением ближнего инфракрасного диапазона и измерении зеркальной составляющей отраженного излучения, по величине которой судят о влагообеспеченности растения.
Сущность устройства поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена конструкция устройства (продольное сечение), на фиг. 2 - схема предлагаемого устройства (сечение в плоскости падения).
Устройство (фиг. 1) содержит лазер или светодиод 1, излучающий в ближнем ифракрасном диапазоне через конденсор 2, первый фотоприемник 3, установленный на оси зеркально отраженной компоненты с фокусирующей линзой 4, второй фотоприемник 5, установленный чувствительной поверхностью в фокусе собирающей линзы 6, расположенной в боковой поверхности полого цилиндра на полусфере, образованной отраженным лучистым потоком от листа растения 7, размещенного в измерительной камере 8, причем электрические выходы фотоприемников 3 и 5 соединены с блоком 9 обработки информации.
Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в отличие от известного устройства для определения шероховатости поверхности в предлагаемом техническом решении используется:
1) в качестве источника излучения лазер или светодиод 1, длина волны которого должна соответствовать ближнему инфракрасному диапазону длин волн 750…1150 нм, где наблюдается наиболее интенсивное отражение от листьев растений;
2) расположение первого фотоприменика 3, регистрирующего смешанное 11 отражение, содержащее как зеркальную, так и диффузную 10 составляющую отраженного излучения, должно быть под тем же углом, что и источник излучения, а первая фокусирующая линза 4 направляет суммарное излучение на чувствительную поверхность первого фотоприемника 3;
3) расположение второго фотоприемника 5, регистрирующего диффузную 10 составляющую отраженного излучения, должно быть ориентировано на поверхность объекта исследования 7, фокусирующая линза 6 которого направляет отраженное излучение на его чувствительную поверхность;
4) блок обработки информации 9, одновременно фиксирующий величину фототока в двух каналах, определяет разность этих величин, выделяя тем самым информацию о зеркальной составляющей, а одновременное измерение интегральных интенсивностей исключает влияние нестабильности источника излучения на определение влагообеспеченности растений;
5) использование устройства в полевых условиях предъявляет специфические требования к его конструкции, связанные с простотой и надежностью эксплуатации. Замена эллипсоидального зеркала на полый цилиндр с зеркальной внутренней поверхностью, внутри которого осуществляется процесс отражения от листьев, обеспечивает как достаточную прочность устройства, так и его сравнительную простоту. При этом существенное упрощение конструкции позволяет обеспечить формирование диффузной 10 составляющей отраженного от листьев излучения внутри измерительной камеры 8.
Устройство работает следующим образом.
Пучок монохроматического света длиной волны 750…1150 нм от лазера или светодиода 1 (фиг. 2) падает под острым углом на контролируемую поверхность листа 7. В связи с тем, что распределение микронеровностей по поверхности листовой пластины неоднородно, исследование проводится на площадке, диаметр которой составляет 15 мм, а излучение от лазера или светодиода 1 проходит через конденсор 2 для формирования светового пятна указанного диаметра. Отразившись от неровностей профиля поверхности листа растения, поток электромагнитного излучения разделяется на зеркальную и диффузную 10 составляющие отраженного света.
Диффузная составляющая 10 фокусируется собирающей линзой 6 на чувствительной поверхности второго фотоприемника 5, регистрирующего интенсивность диффузной компоненты. Внутренняя поверхность измерительной камеры 8, выполненной в форме полого цилиндра, имеет светоотражающее покрытие, обеспечивающее в области длин волн ближнего инфракрасного диапазона показатель отражения от 84% до 99%. Выбор материала напрямую влияет на точность полученных результатов измерения. Фокусирующая линза 6 должна лежать касательно к полусфере диффузного 10 распределения светового потока. При этом равномерное во всех направлениях распределение диффузно отраженного потока предполагает, что он будет попадать не только на второй фотоприемник 5, но и на первый фотприемник 3, который расположен под тем же углом, что и источник излучения 1. Подобное расположение предполагает возможность регистрации зеркальной составляющей отраженного излучения в случае, если исследуемая поверхность листа 7 растения обладает минимально выраженными микронеровностями и формирует направленный поток излучения. Зеркальная составляющая фокусируется собирающей линзой 4 на чувствительной поверхности первого фотоприемника 3, регистрирующего интенсивность зеркальной составляющей совместно с диффузной 10, которая также попадает на фотоприемник 3.
Сигналы с фотоприемников 3 и 5 поступают в блок 9 обработки информации, осуществляющий вычитание диффузной составляющей 10 излучения из суммарного отраженного потока 11. При этом полученный результат в виде зеркальной составляющей отраженного потока несет непосредственную информацию о влагообеспеченности исследуемого растения.