АНАЛИЗАТОР КАЧЕСТВА ОБЛУЧЕНИЯ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ

Полезная модель относится к области сельского хозяйства и предназначена для использования при оценке качества облучения, создаваемого искусственными источниками света (ИС), применяемыми для облучения растений (в светокультуре).
Энергия потока оптического излучения (ОИ) в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм оказывает большое влияние на рост, развитие и физиологию растений. Важными поддиапазонами в этой области являются красный (R - red) 600-700 нм и дальнекрасный (FR - far red) 700-800 нм. Актуальной является оценка соответствия облучения, создаваемого ИС требованиям, предъявляемым растениями.
Известно устройство для определения качественных и количественных показателей энергии потока ОИ для светокультуры, включающее приемник потока ОИ, вычислительное устройство, в составе которого имеются блоки умножения и суммирования, переключатель индицируемой величины, блок индикации, блок задания спектральной эффективности фотосинтеза растений [Патент РФ №2354104. Способ и устройство определения фотоэлектрической, тепловой и фотобиохимической-фотосинтезной эксергии для трех видов преобразования энергии солнечного излучения / Гришин А.А. и др. Заявка: 2007139200/12, 24.10.2007].
Недостаток известного устройства: невозможность оценки качества потока ОИ по его способности обеспечить фотоморфогенез растений.
Известно устройство для анализа качества облучения в светокультуре по спектральной энергоемкости, содержащее полихроматор, систему регистрации спектра, сумматоры энергии потока ОИ, блоки деления, блоки задания нормируемых параметров энергии в спектральных поддиапазонах, блок индикации [Патент на ПМ №119876. Анализатор спектральной энергоемкости потока оптического излучения / Ракутько С.А. и др. Заявка: 2012113017/28, 03.04.2012].
Недостатком известного устройства: принятый критерий оценки - энергоемкость потока ОИ - не позволяет характеризовать качество потока по его способности обеспечить фотосинтез и фотоморфогенез растений.
Наиболее близким к заявляемому является техническое решение, включающее полихроматор (1), первый (5) и второй (6) блоки умножения, первый (8), второй (9), третий (10) и четвертый (11) сумматоры, первый (13) и второй (14) блоки деления, блок (16) индикации [Патент на ПМ №160900. Анализатор качества спектра потока оптического излучения в светокультуре / Ракутько С.А. и др. Заявка: Заявка: 2015141726/28, 30.09.2015].
Недостаток известного устройства: состав блоков и схема их соединения не позволяют одновременно (за одно измерение) оценить качество потока ОИ по его способности обеспечить фотосинтез и фотоморфогенез растений.
Задача полезной модели - создание измерительного прибора, позволяющего оценить качество облучения в светокультуре по его способности обеспечить процессы фотосинтеза и фотоморфогенеза у растений.
Технический результат - возможность одновременной оценки качества облучения в светокультуре по его способности обеспечить процессы фотосинтеза и фотоморфогенеза у растений.
Технический результат достигается тем, что анализатор качества облучения в светокультуре содержит полихроматор (1), блок (2) задания спектральной эффективности фотосинтеза, блок (3) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pfr, блок (4) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Рr, первый (5), второй (6) и третий (7) блок умножения, первый (8), второй (9), третий (10) и четвертый (11) сумматоры, блок (12) нормирования, первый (13) и второй (14) блоки деления, переключатель (15) индицируемой величины и блок (16) индикации, соединенные соответствующими связями.
Новые существенные признаки: устройство дополнительно содержит блок (2) задания спектральной эффективности фотосинтеза, блок (3) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pfr, блок (4) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pr, третий (7) блок умножения, блок (12) нормирования, переключатель (15) индицируемой величины, при этом выходы блока (2) задания спектральной эффективности фотосинтеза, блока (3) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pfr и блока (4) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pr соединены с первыми входами соответственно первого (5), второго (6) и третьего (7) блоков умножения, вторые входы которых соединены с выходом полихроматора (1), а выходы - сответственно с входами второго (9), третьего (10) и четвертого (11) сумматоров, выход полихроматора (1) также соединен с входом первого (8) сумматора, выход которого вместе с выходом второго (9) сумматора соединен с соответствующими входами первого (13) блока деления, выход которого соединен с первым входом блока (16) индикации, выход третьего (10) сумматора соединен с входом блока (12) нормирования, выход которого соединен с первым входом второго (14) блока деления, второй вход которого соединен с выходом четвертого (11) сумматора, а выход - со вторым входом блока (16) индикации, третий вход которого соединен с выходом переключателя (15) индицируемой величины.
Технический результат обеспечивается следующим.
1. Устройство дополнительно содержит блок (2) задания спектральной эффективности фотосинтеза и первый (13) блок деления, соединенные соответствующими связями с другими блоками устройства, что обеспечивает возможность определения коэффициента, характеризующего качество облучения в светокультуре по доле фитопотока в общем потоке излучения.
2. Устройство дополнительно содержит блок (3) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pfr, блок (4) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pr, третий (7) блок умножения, блок (12) нормирования, соединенные соответствующими связями с другими блоками устройства, что обеспечивает возможность определения коэффициента, характеризующего качество облучения в светокультуре через соотношение эффективных потоков фотоморфогенеза по фитохромам Pr и Pfr.
3. Устройство дополнительно содержит переключатель (15) индицируемой величины, что обеспечивает возможность выбрать отображаемый на индикаторе коэффициент и выполнить оценку качества облучения по двум критериям одновременно за одно измерение.
Возможность использования предлагаемой полезной модели в сельском хозяйстве при культивировании растений в условиях дополнительного облучения, 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».
λ
На фиг. 1 показана функциональная схема заявляемого анализатора: 1 - полихроматор, 2 - блок задания спектральной эффективности фотосинтеза, 3 - блок задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pfr, 4 - блок задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pr, 5 - первый блок умножения, 6 - второй блок умножения, 7 - третий блок умножения, 8 - первый сумматор, 9 - второй сумматор, 10 - третий сумматор, 11 - четвертый сумматор, 12 - блок нормирования, 13 - первый блок деления, 14 - второй блок деления, 15 - переключатель индицируемой величины, 16 - блок индикации. Показаны обозначения сигналов: E - массив значений спектральной облученности на различных длинах волн, Кф - массив значений спектральной эффективности фотосинтеза на тех же длинах волн, Kfr - массив значений спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pfr на тех же длинах волн, Kr - массив значений спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pr на тех же длинах волн, Фе - значение общего энергетического потока, Фф - значение фитоптока, Фfr - значение эффективного потока фотоморфогенеза по фитохрому Pfr, Фr - значение эффективного потока фотоморфогенеза по фитохрому Pr, Кфс - значение доли фитопотока в общем энергетическом потоке излучения, Кфх - значение соотношения эффективных потоков фотоморфогенеза по фитохромам Pr и Pfr.
На фиг. 2 в относительных единицах показаны значения спектральных эффективностей Kr, Kfr и Kф для различных длин волн.
На фиг. 3 показаны значения спектральной облученности на различных длинах волн от рассмотренных в примере облучателей.
На фиг. 4 в таблице показаны численные значения промежуточных и итоговых величин для рассмотренных в примере облучателей.
В основе полезной модели лежат следующие положения.
Важнейшими процессами, протекающими в растении под воздействием облучения, являются фотосинтез (процесс использования энергии света в химических реакциях, результат которых - образование органических веществ из углекислого газа и воды) и фотоморфогенез (изменение морфологии растения, где свет выступает в сигнальной роли, регулируя процессы роста и развития). Помимо обеспечения количественной величины облученности растений, в светокультуре важно соблюдение качества облучения, т.е. соответствия спектра излучения и потребности растений в излучении на различных длинах волн.
Фоточувствительный аппарат растений включает хлорофилл и две взаимопревращаемые формы фитохрома: Pr с максимумом поглощения излучения на длине волны 660 нм и Pfr с максимумом поглощения на 730 нм. Активной формой фитохрома, ускоряющей рост растения, является Pr. Если в интегральном потоке присутствует большая доля энергии в FR диапазоне, то равновесие форм фитохрома сдвигается в сторону Pfr формы и наблюдается ускоренный фотоморфогенез облучаемых растений.
Эффект от действия потока ОИ на растения может быть задан в спектральных координатах, в виде зависимости эффективности по соответствующему критерию от длины волны. Экспериментально установлены такие зависимости для фотосинтеза (Кф) и фотоморфогенеза по фитохромам Pfr (Кfr) и Pr(Кr). Графически эти зависимости показаны на фиг. 2.
λ
2
Первичной спектральной информацией являются величины энергетической облученности Е, Вт⋅м, для каждой длины волны λ.
-1
Для оценки потока ОИ по критерию обеспечения максимума фотосинтеза используют величину фитоотдачи (фит⋅Вт) потока, которая определяется как отношение фитопотока (фит) к энергетическому потоку (Вт) по формуле
Чем большее значение принимает коэффициент Кфс, тем более спектр излучения ИС близок к спектру эффективности по фотосинтезу [Жилинский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение.- М: Колос, 1982. -272 с.].
Для оценки фоторегуляторного воздействия потока ОИ на растения по отношению эффективных фитохромных потоков Фr и Фfr для форм фитохрома соответственно Pr и Pfr используют коэффициент, вычисляемый по формуле
где Kr и Kfr - величины спектральной эффективности фотоморфогенеза для соответсвующих форм фитохрома;
0,5 - нормирующий коэффициент, учитывающий соотношение максимумов спектральной эффективности воздействия излучения в отношении форм фитохрома.
Экспериментально установлено, что ИС, для которых Кфх меньше трех (т.е. с увеличенной долей энергии в FR диапазоне), ускоряют развитие растений, а значит, более пригодны для этих целей [Искусственное облучение растений. Методические рекомендации // В.Н. Волков, И.И. Свентицкий, П.И. Сторожев, Л.А. Царева. - Пущино, 1982. - 41 с.].
Совокупность коэффициентов Кфс и Кфх позволяет задать качество облучения по критериям обеспечения фотосинтеза и фотоморфогенеза растений.
Анализатор включает (фиг. 1) блок (2) задания спектральной эффективности фотосинтеза, блок (3) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pfr, блок (4) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pr, выходы которых соответственно соединены с первыми входами первого (5), второго (6) и третьего (7) блоков умножения. Вторые входы этих блоков умножения соединены с выходом полихроматора (1). Выходы блоков умножения соответственно соединены с входами второго (9), третьего (10) и четвертого (11) сумматоров. Выход полихроматора также соединен с входом первого (8) сумматора. Выходы первого (8) и второго (9) сумматоров соединены с соответствующими входами первого (13) блока деления, выход которого соединен с первым входом блока (16) индикации. Выход третьего (10) сумматора соединен с входом блока (12) нормирования, выход которого соединен с первым входом второго (14) блока деления, второй вход которого соединен с выходом четвертого (11) сумматора, а выход - со вторым входом блока (16) индикации. Третий вход блока (16) индикации соединен с выходом переключателя (15) индицируемой величины.
λ
-2
Анализатор работает следующим образом. Полихроматор (1) является первичным датчиком качества облученности и разлагает исследуемый поток ОИ в спектр, представляющий собой массив значений спектральной облученности E, Вт⋅м на различных длинах волн λ, нм.
Спектральную эффективность потока ОИ по фотосинтезу и фотоморфогенезу (для фитохромов Pfr и Pr) предварительно задают соответственно в блоках (2) задания спектральной эффективности фотосинтеза, (3) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pfr (4) задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pr в виде массивов сигналов. На выходе первого (5), второго (6) и третьего (7) блоков умножения формируются сигналы, соответствующие эффективным значениям по соответствующему критерию на данной длине волны. На выходах первого (8), второго (9), третьего (10) и четвертого (11) сумматоров формируются сигналы, соответствующие значениям общего энергетического потока (Фе), фитопотока (Фф), эффективного потока фотоморфогенеза по фитохромам Pfr (Фfr) и Pr(Фr). На выходах первого (13) и второго (14) блоков деления формируются сигналы, соответствующие значениям доли фитопотока в общем энергетическом потоке излучения (Кфс) и соотношению эффективных потоков фотоморфогенеза по фитохромам Pr и Pfr (Кфх). Данные сигналы формируются одновременно, в процессе одного измерения и поочередно отображаются блоком (16) индикации. Выбор отображаемого сигнала производится с помощью переключателя (15) индицируемой величины.
Пример. В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП (Санкт-Петербург) в ходе экспериментов по светокультуре проводили оценку качества облучения в светокультуре томата от облучателя «Оптолюкс-Спэйс-Агро» (производства ООО «ЛЕД-Энергосервис»), далее - Агро и от облучателя L-fito (производства ООО «Ледел»), далее - Ледел.
-1
-2
Уровень облученности под облучателями был выравнен на величину 140 мкмоль⋅с⋅м. Создаваемая при этом облучателями спектральная облученность показана на фиг. 3. В процессе эксперимента фиксировали биометрические показатели растений томата под облучателями.
С помощью модели анализатора качества облучения найдены сигналы, соответствующие значениям общего энергетического потока (Фе), фитоптока (Фф), эффективного потока фотоморфогенеза по фитохромам Pfr (Фfr) и Pr (Фr) для используемых облучателей. Полученные сигналы, соответствующие величинам Кфс и Кфх, показаны в таблице на фиг. 4.
Оценка облучателей по коэффициенту Кфс свидетельствует, что фитоотдача Ледел несколько больше, чем Агро (0,81>0,68). Это означает, что эффективность процесса фотосинтеза под таким облучателем немного выше, чем под Агро. Однако для Ледел Кфх=11,71 (больше трех), для Агро Кфх=2,51 (меньше трех). Следствием этого является существенно большая интенсивность фотоморфогенеза, что привело к более крупным и развитым растениям томата под Агро и подавленному фотоморфогенезу у растений под Ледел.
Таким образом, с помощью заявляемого устройства возможно измерение качества облучения в светокультуре по доли фитопотока в общем энергетическом потоке излучения и соотношению эффективных потоков фотоморфогенеза по отдельным фитохромам.
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.