Устройство для измерения веса растений в фитотроне в режиме реального времени

Устройство относится к средствам для взвешивания, а именно к устройствам для неразрушающего определения в режиме реального времени веса растений, выращиваемых в условиях фитотрона. Устройство может быть использовано для онлайн-мониторинга изменения веса растений, выращиваемых в фитотронах различного типа, с целью оптимизации условий выращивания и проведения других биологических и биотехнологических исследований.
Динамика изменения веса растений в процессе роста является важным показателем его благополучия. Мониторинг изменения веса выращиваемого в фитотроне растения в режиме реального времени в зависимости от изменения тех или иных параметров среды выращивания (влажность, температура, состав газовой среды, состав питательных растворов и т.д.) позволяет оптимизировать условия выращивания и достичь максимальной эффективности процесса. Для проведения таких исследований требуется специальное оборудование, которое позволяет в непрерывном автоматическом режиме отслеживать изменение веса вегетирующих растений, размещенных в посадочных гнездах фитотрона.
Известно устройство для получения информации о росте растений [CN 211234530 U, опубл. 11.08.2020]. Устройство включает закрывающийся крышкой корпус, внутри которого размещен узел взвешивания, содержащий несколько измерительных блоков для измерения веса различных частей растения (листья, стебель и т.д.). Для проведения измерений растение необходимо извлечь из среды выращивания и переместить в корпус устройства, что неприемлемо для проведения измерений в режиме реального времени.
В заявке [CN 107423530 А, опубл. 08.09.2017] и в публикации [Shaokun Sun et al. "Study of tomato growth weight-distribution model based on real-time plant weight in a solar greenhouse" Journal of Taibah University for Science, Volume 15, 2021 - Issue 1] описана система измерения в режиме реального времени веса растений томатов, выращиваемых в теплице. Система содержит крановые весы, соединенное с ними устройство сбора данных, модуль питания, подающий питание на крановые весы и устройство сбора данных, модуль передачи данных, подключенный к модулю сбора данных и к компьютеру. Устройство неудобно для применения в фитотронных установках, в которых растения часто размещают в посадочных гнездах одновременно на нескольких параллельных полках (посадочных платформах). При проведении исследований на группе растений необходимость одновременного использования нескольких подобных устройств может создавать ограничения для нормального развития надземной части растений.
В работе [Wei-Tai Chen et al. "An Automated and Continuous Plant Weight Measurement System for Plant Factory" Front. Plant Sci., 31 March 2016 | https://doi.org/10.33 89/fpls.2016.003921 описана автоматизированная система для онлайн-измерения веса растений, выращиваемых в условиях гидропоники. Система включает опорную конструкцию, держатель для взвешиваемого растения, тензодатчик и компьютер. Опорная конструкция состоит из верхнего и нижнего дисков с отверстиями, соединенных между собой креплением к торцевым поверхностям размещенного между ними тензодатчика, соединенного с компьютером. Держатель с растением соединен с верхним диском так, что корни растения достигают питательного раствора через отверстие в нижнем диске, а стебель и листья растут сквозь отверстие в верхнем диске.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является прибор для неразрушающего измерения веса выращиваемых гидропонным способом растений, защищенный патентом [US 9775300 В2, опубл. 03.10.2017]. Конструкция прибора отличается от предыдущего аналога тем, что тензодатчик закреплен на верхней поверхности верхнего диска и ориентирован по отношению к взвешиваемому растению боковой (длинной) стороной. Аналоговый электрический сигнал, подаваемый тензодатчиком, поступает через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на компьютер. Устройство по прототипу характеризуется следующими недостатками:
1) поскольку высокая влажность внутри фитотрона создает неблагоприятные условия для работы электронных устройств, электронный блок, предназначенный для сбора, преобразования и обработки данных, вынесен за пределы фитотрона, что требует использования длинного соединительного кабеля. Это может привести к получению искаженных данных, поскольку аналоговый сигнал, поступающий от измерителя веса, подвержен затуханию и помехам тем в большей степени, чем длиннее коммуникации;
2) в устройстве по прототипу тензодатчик ориентирован по отношению к взвешиваемому растению боковой (длинной) стороной, при этом его проводящие элементы испытывают на себе не только растягивающее усилие, непосредственно определяющее получаемые результаты измерений, но и дополнительные сжимающие и изгибающие усилия, влияние которых может исказить результаты измерений трудно предсказуемым образом.
Следует отметить, что устройства, описанные в двух последних аналогах, предназначены для измерения веса растений в фитотронах гидропонного типа, в которых корни растений постоянно погружены в питательный раствор, что также может вносить искажения в результаты измерений веса целого растения. Этой проблемы не возникает при использовании аэропонных технологий.
Аэропонное выращивание растений - одно из активно развивающихся направлений производства растительной продукции, а также инструмент для проведения биотехнологических исследований, направленных на выведение и культивирование новых генно-модифицированных растений. Современный аэропонный фитотрон представляет собой высокотехнологичное автоматизированное устройство, позволяющее выращивать растения без почвы в строго контролируемых условиях, обеспечивающих наиболее полную реализацию их генетического потенциала. В отличие от гидропонного фитотрона, в аэропонном фитотроне корневое питание растений, размещенных в посадочных гнездах на посадочной платформе, осуществляют не погружением корней в питательный раствор, а путем периодического распыления питательного раствора в корневой зоне фитотрона. В этих условиях можно получить более корректные данные об изменении веса целого растения, включая корневую систему, на основании которых можно, например, оптимизировать режимы корневого питания. Однако, внутренняя среда аэропонного фитотрона также характеризуется высокой влажностью и высоким содержанием солей, что, как отмечалось выше, создает неблагоприятные условия для работы электронных устройств.
Проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в том, чтобы предложить конструкцию устройства для онлайн-измерения веса растений в фитотроне в режиме реального времени, которое может работать непосредственно в фитотроне в агрессивных условиях повышенной влажности и высокого содержания солей, что позволит отказаться от использования длинных соединительных кабелей, искажающих результаты измерений.
Проблема решена предлагаемым устройством для измерения веса растения в фитотроне в режиме реального времени, включающим опорную конструкцию, держатель для растения и тензодатчик, соединенный с компьютером через электронный блок, отличающимся тем, что держатель для растения выполнен в форме кольца, удерживающего приспособление, в котором зафиксировано взвешиваемое растение, при этом кольцо соединено с торцевым концом одноточечного тензодатчика, а противоположный торцевой конец тензодатчика соединен с опорной конструкцией, представляющей собой выполненное в форме пластины основание, на котором в непосредственной близости от тензодатчика расположен влагонепроницаемый корпус, внутри которого размещен электронный блок, причем корпус снабжен сальником для герметичного ввода соединительных кабелей и привинчивающейся крышкой, на внутренней поверхности которой выполнен желоб, заполняемый уплотняющим материалом, при этом в пластине выполнено отверстие, расположение, форма и геометричесие размеры которого обеспечивают беспрепятственные деформации тензодатчика и колебания соединенного с ним кольца с удерживаемым растением в процессе взвешивания.
Надежная защита электронного блока от агрессивной внешней среды внутри влагонепроницаемого корпуса дает возможность размещать его внутри камеры фитотрона максимально близко от тензодатчика, что позволяет отказаться от длинных соединительных кабелей, искажающих аналоговый сигнал, поступающий от тензодатчика в электронный блок, и тем самым, повысить достоверность результатов измерений.
В отличие от прототипа, в предлагаемой конструкции тензодатчик ориентирован по отношению к взвешиваемому растению торцевой (короткой) стороной, при этом сведены к минимуму сжимающие и изгибающие воздействия на тензодатчик, влияние которых может исказить результаты измерений.
Сущность полезной модели поясняют следующие иллюстрации:
фиг. 1. - схематическое изображение заявляемого устройства;
фиг. 2. - крышка корпуса электронного блока;
фиг. 3. - схематическое изображение (в разрезе) крепления взвешиваемого растения в кольцевом держателе;
фиг. 4. - фрагмент посадочной платформы аэропонного фитотрона с размещенными на ней устройствами для одновременного он-лайн измерения веса нескольких вегетирующих растений;
фиг. 5. - диаграмма мониторинга изменения веса растения кок-сагыз, выращиваемого в аэропонном фитотроне. Время мониторинга 5 часов.
Перечень и нумерация элементов, показанных на фиг. 1-4:
1) кольцевой держатель;
2) приспособление, фиксирующее растение;
3) тензодатчик;
4) основание;
5) влагонепроницаемый корпус для электронного блока;
6) крышка корпуса;
7) отверстия в крышке корпуса;
8) паз в крышке корпуса;
9) уплотняющий (герметизирующий) материал;
10) сальник гермоввода;
11) кабель, соединяющий тензодатчик с электронным блоком;
12) кабель, соединяющий электронный блок с компьютером;
13) круглое отверстие;
14) продолговатое отверстие;
15) посадочная платформа;
16) отогнутая кромка приспособления 2, фиксирующего растение;
17) вкладыш для фиксации растения.
Устройство содержит держатель в форме кольца 1 (кольцевой держатель), служащий опорой для приспособления 2, в котором зафиксировано взвешиваемое растение (фиксирующее приспособление). Кольцевой держатель выполняют из гибкого, инертного по отношению к растворам неорганических солей материала. Тензодатчик 3 одним торцевым концом соединен с кольцевым держателем 1, а противоположным торцевым концом - с основанием 4. Соединения могут быть винтовыми, клеевыми, шпилечными, резьбовыми и т.д. Используют одноточечный тензодатчик с характеристиками, зависящими от предполагаемого диапазона изменения веса растения в течение периода измерений. В непосредственной близости от тензодатчика 3 на основании 4 установлен влагонепроницаемый корпус 5, внутри которого размещают электронный блок (на схеме не показан), включающий аналогово-цифровой преобразователь и микроконтроллер. Корпус 5 снабжен герметизирующей крышкой 6 с отверстиями 7 для привинчивания ее к корпусу. Как показано на фиг. 2, на внутренней поверхности крышки 6 выполнен паз 8, заполняемый при герметизации уплотняющим материалом 9, обеспечивающим плотность прилегания крышки 6 к корпусу 5. В качестве уплотняющего материала может быть использован диэлектрический влагонепроницаемый материал, например, сложенная в несколько слоев латексная пленка, которую прокладывают между корпусом 5 и крышкой 6, а затем через отверстия 7 скрепляют их винтовыми соединениями. При этом уплотняющий материал 9 заполняет паз 8 и, таким образом, обеспечивает необходимую влагоизоляцию размещенного в корпусе 5 электронного оборудования. В корпусе 5 выполнено отверстие для сальника гермоввода 10, обеспечивающего герметичный ввод кабеля 11, соединяющего тензодатчик с электронным блоком, и вывод кабеля 12, соединяющего электронный блок с компьютером, размещенным за пределами фитотрона (на схеме не показан). Такая герметизация корпуса 5 обеспечивает надежную защиту электронного блока от внешней агрессивной среды и позволяет размещать его внутри камеры фитотрона в непосредственной близости от тензодатчика (см. фиг. 4). Это позволяет минимизировать длину кабеля 11, соединяющего тензодатчик 3 с электронным блоком (длина не более 20 см), и исключить искажение результатов измерений, связанных с гашением аналогового сигнала в длинном соединительном кабеле. Работоспособность устройства обеспечена тем, что основание 4 выполнено с отверстием, расположение, геометрические размеры и форма которого обеспечивают возможность беспрепятственных колебаний расположенного над ним кольцевого держателя 1 с удерживаемым на нем приспособлением 2 для фиксации растения, а также -беспрепятственные свободные деформации тензодатчика 3 под действием веса растения. Отверстие может иметь любую форму, отвечающую сформулированному выше требованию. Например, как показано на фиг. 1 и 4, оно может быть выполнено в форме двух объединенных между собой отверстий - отверстия 13 круглой формы, расположенного соосно с находящимся над ним кольцом 1, и отверстия 14 продолговатой формы, расположенного под тензодатчиком 3. При этом диаметр круглого отверстия 13 должен превышать внешний диаметр кольцевого держателя 1, а геометрические размеры продолговатого отверстия 14 должны быть такими, чтобы не создавать препятствий для деформационных колебаний размещенного над ним тензодатчика 3 в процессе взвешивания. Основание 4 вместе с корпусом 5 могут быть изготовлены в форме одной детали, например, с помощью 3D-печати, или собраны из отдельных элементов с помощью обычных сборочных операций. Основание 4 сообщает всему устройству компактность и устойчивость и предотвращает возможное опрокидывание устройства при достижении взвешиваемым растением достаточно больших размеров. Для обеспечения компактности та часть основания 3, в которой выполнено отверстие 13, может иметь закругленную форму, как показано на фиг. 4, если это не ухудшает устойчивость конструкции в целом.
Для проведения измерений устройство размещают на посадочной платформе фитотрона 15 таким образом, чтобы отверстие 13 в основании 4 и расположенный над ним кольцевой держатель 1 располагались соосно с отверстием (посадочным гнездом) в посадочной платформе фитотрона, как показано на фиг. 3 и 4. Приспособление 2, фиксирующее растение (см. фиг. 3), может быть выполнено в форме цилиндра с отогнутой наружу верхней кромкой (верхним краем) 16, содержащего вкладыш 17 из мягкого гигроскопичного материала, например, поролона для фиксации растения. С помощью отогнутой кромки 16 приспособление 2 с растением устанавливают на кольцевом держателе 1, при этом стебель и листья растения располагаются над посадочной платформой, а корни - под ней в корневой камере фитотрона. Тензодатчик 3 регистрирует вес растения и через АЦП посылает сигнал на микроконтроллер, который управляет частотой взвешивания и количеством опросов АЦП. Результаты взвешивания через USB интерфейс передаются в расположенный снаружи фитотрона компьютер для обработки и анализа данных.
Как отмечалось выше, аналоговый сигнал, поступающий от тензодатчика, подвержен затуханию и помехам тем сильнее, чем длиннее провод, соединяющий тензодатчик с АЦП. В заявляемом устройстве электронный блок размещен внутри влагонепроницаемого корпуса, герметичность которого обеспечена использованием гермоввода и герметизирующей крышки с уплотняющей прокладкой. Эффективная изоляция размещенных в корпусе электронных устройств от агрессивной внешней среды, содержащей пары питательного солевого раствора, позволяет, в отличие от прототипа, размещать электронный блок внутри фитотрона в непосредственной близости от взвешиваемого растения и тензодатчика. Это, в свою очередь, позволяет использовать максимально короткий соединительный кабель, длина которого составляет не более 20 см, что обеспечивает точность и достоверность результатов измерений. Передача данных в компьютер по USB кабелю гарантирует безошибочную работу при длине USB кабеля до нескольких метров, поэтому использование длинного кабеля, соединяющего электронный блок с вынесенным за пределы фитотрона компьютером, не приводит к искажению результатов измерений.
Важно также отметить, что, в отличие от прототипа, в котором тензодатчик ориентирован по отношению к взвешиваемому растению боковой (длинной) стороной, в предлагаемом устройстве, как видно на фиг. 4, тензодатчик ориентирован по отношению к растению торцевой (короткой) стороной. При таком расположении тензодатчика его проводящие элементы под действием веса растения испытывают на себе, в основном, растягивающее усилие, непосредственно определяющее получаемые результаты измерений, а дополнительные сжимающие и изгибающие усилия, которые могут исказить результаты измерений, сведены, в отличие от прототипа, к минимуму.
Заявляемое устройство отличается простотой конструкции и малыми габаритами, просто в изготовлении и может быть использовано для длительного многодневного, в том числе в удаленном режиме, мониторинга веса растений, выращиваемых в фитотронах гидропонного и аэропонного типа. Благодаря компактности, на одной посадочной платформе может быть одновременно размещено и задействовано в измерениях несколько таких устройств (см. фиг. 4), что позволяет сократить затраты труда и времени при проведении комплексных сравнительных исследований. Измерения можно проводить в дистанционном режиме, отслеживая состояние растений по динамике набора веса в зависимости от вариации условий культивирования.
В качестве примера применения предлагаемого устройства для решения практической задачи отработки условий вьгоащивания растений, на фиг. 5 показаны результаты он-лайн измерений веса растения кок-сагыз, выращиваемого в аэропонном фитотроне. Для измерений использован одноточечный тензодатчик с диапазоном измерения 0 - 100 г, микроконтроллер Atmega 328 Nano. Продолжительность измерений составляет около 5 часов. Всплески на кривой изменения веса растения во времени соответствуют попаданию на корень питательного раствора, впрыскиваемого в корневую камеру фитотрона. Резкий спад кривой соответствует быстрому стеканию с корня излишков раствора, после чего происходит замедленное «сползание» с корня тонкой пленки оставшегося раствора, во время которого и происходит усвоение растением питательных веществ. Тот факт, что на диаграмме пики высокой интенсивности возникают в момент, когда вес растения (нижние точки на диаграмме) еще не вышел на плато, говорит о том, что используемый режим орошения корней не является оптимальным, поскольку очередное впрыскивание раствора происходит тогда, когда на корнях растения еще остался раствор от предыдущего полива. Продолжительность поливов в данном случае оказывается избыточной, т.к. примерно половина раствора, попадающего на корень, просто стекает вниз и не используется для питания растения. Таким образом, увеличивая интервал между впрыскиваниями питательного раствора и уменьшая интенсивность орошения, можно снизить энергозатраты без ущерба для питания растения.