Фитотрон

Полезная модель относится к сельскому хозяйству, к устройствам для управляемого выращивания растений в искусственных условиях на стеллажах, в том числе гидропонным способом, и предназначена для проведения научно-исследовательских работ по светокультуре.
Световой режим является важнейшим фактором, определяющим функциональное состояние растений. Основные параметры светового режима – спектральный состав излучения, его интенсивность (создаваемая освещенность) и продолжительность освещения в течение суток (фотопериод). Для сокращения времени проведения экспериментов и обеспечения воспроизводимости результатов исследований по светокультуре необходимо проводить их одновременно, с различными значениями указанных параметров при стабилизации других факторов окружающей среды (полив, температура, влажность и т.д.).
Известен многоярусный стеллаж для научно-исследовательских работ с растениями, состоящий из каркаса в виде вертикальных стоек и рам, на которых закреплены полки с размещенными на них под различным углом к горизонту технологическими поверхностями [Пат. РФ № 2537923, МПК A01G9/00, 14.05.2013 г.].
Недостаток известного технического решения: применение наклонных поверхностей не обеспечит различие уровня освещенности, поскольку растения в своем росте будут ориентировать на направление к источнику света и вертикаль, а не на угол наклона поверхности субстрата.
Известна многоярусная узкостеллажная установка для выращивания растений, включающая каркас из треугольных рам, между которыми с отступом в поперечной плоскости размещены полки, над которыми закреплены источники света [ПМ №112591, МПК A01G 9/12, 23.09.2011 г.].
Недостаток известного технического решения: поскольку расстояния между источниками света и полками жестко заданы, то поддержание стабильного уровня освещенности по мере роста растений затруднено.
Наиболее близким техническим решением является установка для выращивания растений, содержащая общий каркас, лотки, закрепленные на тросах и расположенные в пространстве так, что следующий ярус расположен со сдвигом относительно предыдущего, светильник, устройство регулирования параметров микроклимата [Пат. РФ №2101929, МПК A01G 9/00, A01G31/06, 30.09.1994 г.].
Недостаток известного технического решения: компоновка лотков на едином тросе не позволяет задать свое расстояние, а значит, и уровень освещенности, для каждого яруса. Кроме того, затруднен доступ к растениям, что снижает удобство в работе с установкой.
Задачей заявляемой полезной модели - создание фитотрона, обеспечивающего сокращение времени проведения сравнительных параллельных экспериментов с варьированием параметров светового режима растений при поддержании других параметров микроклимата на одном уровне и регистрацией результатов измерений.
Технический результат достигается тем, что фитотрон, включающий каркас с подвешенными на вертикальных тросах лотками, расположенными многоярусно со сдвигом, светильники, закрепленные в верхней части каркаса, устройство регулирования параметров микроклимата, согласно полезной модели, снабжен датчиками расстояния, размещенными над центрами лотков, которые подвешены через тензометрическими датчики массы растений к регуляторам высоты подвеса, выполненным с возможностью независимого регулирования высоты лотков, фитотрон выполнен в форме параллелепипеда с квадратным горизонтальным сечением и внутренним пространством разделенным светонепроницаемыми перегородками на пять прямоугольных отсеков, четыре из которых – экспериментальные, оборудованы дверцами и смотровыми окнами, и один технический, с устройством регулирования параметров микроклимата, образован внутренними вертикальными плоскостями экспериментальных отсеков, у которых меньшие стороны состыкованы с большими сторонами соседнего отсека, при этом соотношение длины больших и меньших сторон каждого экспериментального отсека равно 1,4-1,6, светильники выполнены в виде светящейся плоскости по всей площади верхней поверхности каждого экспериментального отсека, длина лотков менее 0,8 длины большей стороны экспериментального отсека, а ширина менее 0,2 длины меньшей его стороны.
Заявляемый фитотрон является техническим решением, относящимся к устройству, поскольку состоит из частей (сборочных единиц), соединенных между собой сборочными операциями и находящихся в функционально-конструктивном единстве. Функциональное единство механических и электронных компонентов фитотрона состоит в выполнении взаимосвязанных эксплуатационных функций (управление параметрами светового режима и другими факторами среды, обеспечение доступа к растениям, измерение их биометрических параметров в процессе эксперимента) и обеспечивается их соединением по соответствующим каналам (воздуховоды, трубы для полива, силовые и сигнальные электрические провода, а так же использованием беспроводной связи датчиков с внешними устройствами. Конструктивное единство частей фитотрона обеспечивается применением сборочных операций (сварка, приклеивание, пайка, использование болтового соединения) с образованием единого устройства.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан фитотрон, вид сверху; на фиг. 2 – то же, вид сбоку (для трехярусной реализации); на фиг. 3 – фитотрон, общий вид; на фиг. 4 приведена таблица с численными значениями параметров светового режима и результаты эксперимента для примера реализации полезной модели.
Фитотрон для научно-исследовательских работ по светокультуре содержит общий каркас 1, лотки 2 для выращиваемых растений, тросы 3, светильники 4, устройство регулирования параметров микроклимата 5, датчики расстояния 6, регуляторы высоты подвеса 7 каждого лотка, тензометрические датчики массы 8 растений, четыре экспериментальных отсека 9, технологический отсек 10, дверцы 11 и смотровое окно 12.
Общий каркас 1 из металлического профиля является основой для монтирования всех элементов фитотрона. Фитотрон имеет форму параллелепипеда с горизонтальным сечением в виде квадрата со стороной А. Его внутреннее пространство разделено светонепроницаемыми перегородками на пять прямоугольных отсеков, четыре из которых экспериментальные 9 и один технический 10. Меньшая из сторон С каждого отсека 9 состыкована с большей стороной B соседнего отсека, а другая меньшая сторона С вместе с большей В стороной соседнего отсека выходят наружу и образуют внешнюю поверхность фитотрона. Экспериментально определено, что соотношение сторон, обеспечивающее эргономичность и оптимальную функциональность устройства, составляет B/C=1,4…1,6.
Внутренние перегородки отсеков имеют белую диффузно отражающую поверхность.
В технологическом отсеке 10 смонтировано устройство регулирования параметров микроклимата 5. Устройство 5 реализовано известным образом. Его функциями (полив, регулирование температуры, газового состава, вентиляции и т.д.) управляет программируемое устройство (на фиг. не показано). В плане технологический отсек имеет форму квадрата с длиной стороны D=B-C. Каждый экспериментальный отсек 9 снабжен дверцами 11 и смотровым окном 12.
Лотки 2 в каждом экспериментальном отсеке 9 служат для размещения растений в горшках, при выращивании на субстрате либо проточных коробах в случае использования гидропоники. Экспериментально установлено, что длина L лотка 2 не превышает 0,8 длины большей сторона B отсека 9. В этом случае удовлетворяется требование обеспечения достаточной равномерности освещенности по всей поверхности каждого лотка 2. Ширина W лотка 2 не превышает 0,2 длины меньшей стороны C отсека 9. В этом случае отсутствует затенение растений кронами вышележащих ярусов.
Лотки прикреплены через вертикальные тросы 3 и тензометрические датчики массы 8 растений к регуляторам высоты 7 подвеса, выполненным с возможностью независимого регулирования их высоты. Над центрами лотков 2 размещены датчики расстояния 6. Лоток 2 последующего яруса расположен выше и со сдвигом относительно предыдущего. Такая компоновка позволяет наиболее компактно разместить растения в отсеке 9 и обеспечить доступ их кронам, а так же поддерживать требуемые значения создаваемой освещенности на каждом лотке 2 в течение всего эксперимента. Светильники 4 выполнены в виде диффузной светящейся плоскости по всей площади верхней поверхности каждого экспериментального отсека 9 и закреплены в верхней части каркаса 1.
Фитотрон функционирует следующим образом.
Размещают контейнеры с сеянцами выбранного вида растений на лотках 2. В соответствии с планом исследований в каждом экспериментальном отсеке 9 задают параметры светового режима: спектральный состав излучения светильников 4 и фотопериод. Величина освещенности на каждом лотке 2 зависит от расстояния между верхушками растений и светильников 4. В начале эксперимента определяют эти расстояния для обеспечения требуемых значений освещенности. В дальнейшем, по мере роста растений, эти расстояние поддерживается автоматически, с помощью датчиков расстояния 6 и регуляторов высоты подвеса 7. Программируют устройство регулирования параметров микроклимата 5, задавая условия окружающей среды, требуемые для выращивания растений.
С определенным интервалом производят измерения биометрических параметров растений с помощью необходимых приборов, вынимая растения через дверцы 11 и возвращая их на лотки после проведения измерений.
В процессе работы параметры микроклимата вместе с биометрическими данными о растениях, измеряемыми датчиками известных типов, в том числе тензометрического датчика массы 8, сохраняют в программируемом устройстве, в качестве которого может выступать управляющий компьютере (на фиг. не показан). Наблюдают за ростом и развитием растений через смотровое окно 12 визуально, либо используя фото или видео камеры.
Пример. Устройство использовали при исследовании влияния параметров светового режима на растения томата (Lycopersicum Esculentum Mill.) в лаборатории энергоэкологии светокультуры (ИАЭП, Санкт-Петербург). Один из макетных образцов фитотрона имел размеры A=2,5 м, B=1,5 м, C=1,0 м, D=0,5 м, размеры лотков составляли L=1,0 м, W=0,15 м. На каждом лотке размещали по пять растений в контейнерах с торфом.
-1.
-2
План исследований заключался в следующем: определить биометрические параметры рассады, выращенной при двух различных фотопериодах (16 и 22 ч), при двух разных спектрах (тип I и II, отличающиеся количеством синего излучения в общем потоке) и трех уровнях освещенности (100, 170 и 240 мкмоль·см). Итого количество вариантов составляло 2х2х3=12.
В первых двух экспериментальных отсеках источники света, в качестве которых применялись светодиоды, были настроены на спектр излучения типа I, в третьем и четвертом отсеках – на спектр типа II. В первом и третьем установили фотопериод 16 ч, во втором и четвертом – 22 ч. Предварительно определили, на каких расстояниях между лотками 2 и светильниками 4 при каждом типе спектра обеспечивались требуемые уровни освещенности. В процессе эксперимента по мере роста растений автоматически поддерживали эти расстояния для лотков 2 нижнего, среднего и верхнего ярусов по сигналу с датчиков расстояния 6 с помощью регуляторов высоты 7 подвеса.
С помощью устройства регулирования параметров микроклимата 5 обеспечивали полив растений, поддерживали температуру воздуха и другие параметры. Для измерения биометрических параметров растений внешними приборами растения вынимали через дверцы 11 и после обмеров возвращали на лотки 2. Показания датчиков 6 и 8 сохраняли в автоматическом режиме на управляющем компьютере. В него же вносили остальную информацию о проведении эксперимента. Визуальное наблюдение за ростом и развитием растений вели через смотровое окно 12. На фиг. 4 в таблице показаны результаты измерения одного из регистрируемых параметров – индекса CCI, характеризующего содержание хлорофилла в листьях полученной 40-дневной рассады. Применение фитотрона позволило получить эти данные для 12-ти сочетаний факторов за один цикл выращивания.
Связанными эффектами являются следующие. Регулирование уровня освещенности путем изменения расстояния между кроной растения и светильником 4 позволяет исследовать динамический режим освещения, изменяя высоту подвеса по требуемому алгоритму. Наличие в составе устройства тензометрических датчиков массы 8 позволяет устанавливать параметры среды выращивания растений в зависимости от их массы. Это повышает функциональность установки. Ярусное размещение лотков 2 обеспечивает удобный доступ ко всем растениям в экспериментальном отсеке 9. Компоновка экспериментальных отсеков 9 вокруг технологического 10 повышает компактность и эргономичность устройства, а также снижает его стоимость, поскольку часть поверхностей используется как ограждающие конструкции для соседних отсеков 9.
Использование фитотрона позволит значительно сократить время проведения эксперимента.