ПЕРЕНОСНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ ПО ИХ ВОДНОМУ БАЛАНСУ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Переносной измерительный комплекс для диагностики состояния древесных растений по их водному балансу относится к области устройств используемых в биологии и служит для диагностической оценки состояния древесных растений посредством измерения параметров скорости потока пасоки (воды и растворенных в ней питательных веществ) и величин, характеризующих водное состояние тканей древесины.
Уровень техники.
За основу работы переносного измерительного комплекса для диагностики состояния древесных растений по их водному балансу принят принцип работы измерительной системы П.В.Тихова, предназначенной для измерения скорости движения пасоки (воды и растворенных в ней питательных веществ) по растению с помощью теплового импульсного метода [Тихов П.В. Применение импульсного метода для измерений водопотребления древесными растениями // Биофизические методы исследований в экофизиологии древесных растений / Под ред. Кайбияйнена Л.К. Л.: Наука, 1979. С.98-106.]. Импульсный метод заключается в кратковременном нагреве древесины в исследуемой зоне с помощью импульсного нагревательного элемента с последующим измерением времени распространения импульса тепла вместе с движущейся пасокой на определенное расстояние вдоль ствола дерева.
Система П.В.Тихова включает в себя гальванометр, измерительный мост, преобразователь напряжения, ручной секундомер и пр. Данная система обладает рядом существенных недостатков: не компактность, полное ручное управление, зрительное напряжение, связанное с визуальным характером проведения замеров, наличие возникающей при этом систематической погрешности и т.д.
Наиболее близким прототипом полезной модели является полевой переносной прибор для определения водопотребления растениями тепловым импульсным методом, разработанный Жиренко Н.Г. [Жиренко Н.Г. Полевой переносной прибор для определения водопотребления растениями тепловым импульсным методом // Физиология растений, Т.42, №5, 1995, с.715-717]. Прибор выполнен на полупроводниковой элементной базе и имеет цифровую шкалу. Однако, проведение измерений с помощью такого прибора осуществляется в ручном режиме, а снятие серии показаний - посредством их переписывания на лист бумаги. Кроме этого, прибор не позволяет фиксировать динамику распространения теплового импульса, которая несет в себе информацию о водном состоянии тканей растения.
Раскрытие полезной модели.
Переносной измерительный комплекс для диагностики состояния древесных растений по их водному балансу позволяет определять скорость потока пасоки (или воды и растворенных в ней питательных веществ), общее водопотребление деревом, а также оценивать влажность древесины в зоне расположения датчиков. Такие возможности переносного измерительного комплекса позволяют использовать его для диагностики состояния древесных растений
Отличительной особенностью переносного измерительного комплекса является возможность проведения измерений в полностью автоматическом режиме с последующим сохранением массива данных в компьютерные файлы. Кроме этого переносной измерительный комплекс позволяет получать динамику распространения теплового импульса, которая необходима для анализа водного состояния тканей растения.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1. Структурная схема переносного измерительного комплекса для диагностики состояния древесных растений по их водному балансу.
Осуществление полезной модели.
Структурная схема переносного измерительного комплекса для оценки водного баланса древесных растений дана на фиг.1. Конструктивно все блоки измерительного комплекса выполнены в виде отдельных модулей. Питание комплекса осуществляется от автономного источника постоянного тока (аккумуляторной батареи) напряжением 12 В.
Преобразователи напряжения с целью повышения к.п.д. работают в импульсном режиме. Один из них преобразует однополярное напряжение питания устройства в двуполярное напряжением ±15 В и служит для питания усилителя, другой - в напряжение 200 В и служит для работы блока накопительной емкости и ее заряда до этого напряжения.
Импульсный нагреватель изготовлен из константановой проволоки, намотанной в ряд виток к витку на стальной стержень. В конкретном случае количество теплоты, выделяемое нагревательным элементом, составляет ~10,7 Дж за время 0,01 с. Нагреватель вживляется в ствол дерева на всю глубину.
Датчик температуры представляет собой сталь-константановую термопару, включенную по дифференциальной схеме. При установке датчика его термочувствительные элементы ориентируются относительно импульсного нагревателя вдоль оси ствола дерева и вживляются: рабочий спай - на расстоянии 10 мм выше, холодный - на 5 мм ниже от нагревательного элемента на глубину, определяемую поставленными задачами.
МДМ-усилитель работает по принципу модуляция-демодуляция и предназначен для усиления термо-э.д.с., вырабатываемой датчиком температуры, до напряжения, обеспечивающего работу микроконтроллера. Регулировкой коэффициента усиления в усилителе можно добиться чувствительности прибора по входу, составляющей до 0,1 мкВ. Практически приемлемым является достижение чувствительности прибора по входу, соответствующей термо-э.д.с., вырабатываемой термодатчиками при разности температуры на их спаях, составляющей 0,02 град. Так, в применяемых сталь-константановых термопарах термо-э.д.с. составляет около 5,3 мВ на 100 град, следовательно, чувствительность прибора по входу должна составлять ~1 мкВ. Дальнейшее увеличение чувствительности усилителя на практике себя не оправдало, так как это приводило к срабатыванию прибора от случайных внешних воздействий на датчик.
Работа измерительного комплекса задается с помощью разработанного нами программного обеспечения TMetr. Программное обеспечение позволяет управлять представленным комплексом в автоматическом режиме и дает возможность экспортировать массивы данных в файлы типа Excel. Программное обеспечение разработано в среде объекта ориентированного программирования Bortland Delphi 7. Непосредственное управление блоками устройства осуществляется с помощью компьютера (ноутбука) посредством модуля Ke-USB24A, выполненного на основе микроконтроллера PIC18F4550-1/P с возможностью сопряжения с компьютером через порт USB 2.0. Модуль, имеет 24 линии ввода/вывода с возможностью независимой настройки направления передачи данных (вход/выход) и имеет встроенный 10-разрядный АЦП с гарантированной частотой дискретизации до 400 Гц.
Принцип работы измерительного комплекса заключается в следующем. После запуска программы TMetr и инициации микроконтроллера, на экране монитора компьютера высвечивается главное окно программы. С помощью специальных проводников с соответствующими разъемами, комплекс подключается к датчику температуры и импульсному нагревателю. При активации кнопки "пуск" в главном окне программы, происходит подключение источника питания к преобразователям напряжений ±15 В и 200 В. В результате на МДМ-усилитель и блок накопительной емкости подаются соответствующие напряжения, а в блоке накопительной емкости начинает заряжаться конденсатор. При достижении напряжения на конденсаторе 200 В, с блока накопительной емкости на микроконтроллер поступает соответствующий сигнал, который передается на компьютер. Далее с компьютера через микроконтроллер поступает команда на преобразователь напряжения 200 В, прекращающая его работу, и сигнал на блок накопительной емкости, вследствие которого конденсатор разряжается через импульсный нагреватель. В результате в исследуемом объекте выделяет импульс тепла.
Посредством датчика температуры, МДМ-усилителя и микроконтроллера, в компьютер поступает информация о температуре в заданных точках объекта, которая с дискретностью 1 с заносится в массив данных с последующим ее экспортом в файл Excel. Одновременно с поступлением данных, в главном окне программы в реальном времени строится временная зависимость, отображающая динамику изменения разности температур фиксируемой датчиком температуры. Кроме этого, программа TMetr отображает время, соответствующее максимальной разности температур датчика, само значение максимальной разности температур и время достижения разности температур первоначального значения. Эти данные необходимы для расчета скорости пасоки, общего водопотребления растением, влажности древесины и других параметров, характеризующих водный баланс растения. После определения времени достижения разности температур первоначального значения, измерительный комплекс отключает источник питания и переходит в режим ожидания. При переходе к другому объекту наблюдения, датчик температуры и нагреватель отсоединяются. Далее вся процедура измерения повторяется.