Листовой фотоколориметр

Полезная модель относится к области сельского хозяйства, экологии, биоиндикации, к устройствам для исследования оптических свойств материалов, конкретно твердых сред, в частности листьев растений.
В физиологических процессах, протекающих в растении под действием фотосинтетически активной радиации (ФАР), участвует лишь та ее часть, которая поглощается растительными тканями. Такие пигменты листа растения, как хлорофиллы, каротиноиды и антоцианы, поглощают излучение в определенных спектральных диапазонах. Поскольку содержание пигментов часто связано с другими физиологическими или структурными свойствами листа, можно сделать вывод о критических состояниях растений исходя из оптических свойств листьев. Поэтому оптические свойства листьев могут выступать как индикаторы комплексной физиологии листьев в широком диапазоне условий окружающей среды.
Оценка оптических свойств листьев растения обеспечивает широкие возможности для оперативной оценки состояния растения по содержанию пигментов в листьях. Такие измерения являются альтернативой деструктивных методов отбора проб, позволяют провести быстрый мониторинг состояния растения в процессе его роста. Его применение в практике светокультуры может способствовать повышению урожайности культур и получения урожая более высокого качества. При наличии соответствующих экспериментальных данных возможно нахождение корреляции между оптическими свойствами листьев и другими биометрическими показателями растений.
Важнейшим пигментом является хлорофилл, основная функция которого заключается в преобразовании световой энергии в накопленную химическую энергию. Хлорофилл поглощает излучение в синей и красной области ФАР. Степень поглощения излучения листом растения зависит от многих факторов. Содержание хлорофилла непосредственно определяет потенциал фотосинтеза и первичное производство. Кроме того, содержание хлорофилла дает косвенную оценку состояния питательных веществ, поскольку большая часть листового азота включена в хлорофилл. Содержание хлорофилла листьев так же тесно связано с растительным стрессом и старением.
Техническим средством измерения оптической плотности листьев растений является фотоколориметр.
Известно устройство для оценки оптических свойств твердых сред, в том числе листьев растений, содержащее блок светодиодов, излучающих на различных длинах волн диапазона ФАР, фотоприемник, прижимное устройство, блок питания и регистратор, в качестве которого используется цифровой мультиметр [Будаговская О.Н., Козлова И.И., Гончаров С.А. Простое устройство для экспресс-оценки светопропускной способности укрывных материалов в области фотосинтетически активной радиации. Патент РФ № 156626, МПК G01J 3/50, G01N 21/59, A01G 7/00, 2015].
Недостатки известного технического решения:
- не предусмотрена фиксация результатов измерений во внутренней памяти или ЭВМ;
- необходимость ручной калибровки.
Известен фотоколориметр, содержащий блок светодиодов, фотоприемник, процессор, дисплей, клавиатуру и блок питания [Островская В.М., Красный Д.В. Фотоколориметр-рефлектометр. Патент РФ № 2187789, МПК G01J 3/50, G01N 21/59, A01G 7/00, 2001].
Недостатки известного технического решения:
- необходимость использования отдельного фотоприемника для каждого светодиодного источника;
- недостаточная эргономичность устройства, связанная с формой корпуса.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является фотоколориметр, содержащий блок светодиодов, фотоприемник, блок питания и процессор, первый вход которого соединен с выходом клавиатуры, а первый выход соединен с входом дисплея [Красный Д.П. и др. Фотоколориметр. Пат. РФ № 2289799, МПК G01J 3/50, G01N 21/59, A01G 7/00, 2005].
Недостатки известного технического решения:
- недостаточная функциональность. Оптическая плотность зависит от толщины образца, определение которой конструкцией известного устройства не предусмотрено;
- недостаточное удобство в работе;
- недостаточная эргономичность устройства, связанная с выбранной формой корпуса.
Техническая задача полезной модели заключается в повышении функциональности устройства, удобства в работе, улучшении эргономических показателей за счет разработки средства оценки оптических свойств листьев растений как комплексного показателя воздействия на них факторов окружающей среды для оптимизации светокультуры.
Технический результат достигается тем, что листовой фотоколориметр, содержащий блок светодиодов, фотоприемник, блок питания и процессор, первый вход которого соединен с выходом клавиатуры, а первый выход соединен с входом дисплея, согласно полезной модели, он снабжен датчиками толщины и прижима, прижимом и электромагнитным приводом прижима, подпружиненным рычагом, опирающимся на выключатель, блоком памяти, соединенным с вторым выходом процессора, второй, третий, четвертый и пятый входы процессора соединены соответственно с выходами датчиков толщины и прижима, фотоприемника и выключателя,  третий и четвертый выходы процессора соединены соответственно с входами блока светодиодов и электромагнитного привода прижима, корпус листового фотоколориметра  выполнен в форме пистолета с прорезью для измеряемого образца в своей передней части.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематически представлена конструкция листового фотоколориметра; на  фиг. 2 – его функциональная схема.
Листовой фотоколориметр содержит основные элементы: блок светодиодов 1, излучающих в синем B (400…500 нм), зеленом G (500…600 нм) и красном R (600…700 нм) диапазонах, фотоприемник 2, процессор 3, дисплей 4, клавиатуру 5, блок питания 6. Он содержит дополнительные элементы: прижим 7, электромагнитный привод прижима 8, датчик толщины 9, датчик прижима 10, выключатель 11, рычаг 12, блок памяти 13.  Корпус листового фотоколориметра выполнен в фирме пистолета, внутри которого расположены внутренние элементы устройства и содержит прорезь 14 для измеряемого образца Л (листа растения) в передней части корпуса. Первый вход (Input 1, I1)  процессора 3 соединен с выходом клавиатуры 5, а его первый выход (Output 1, O1)  соединен с входом дисплея 4. Блок памяти 13 соединен с вторым выходом O2 процессора 3. Второй I2, третий I3, четвертый I4 и пятый I5 входы процессора 3 соединены соответственно с выходами датчиков толщины 9 и прижима 10, фотоприемника 2 и выключателя 11. Третий O3 выход процессора 3 соединен с входом блока светодиодов 1. Прижим 7 механически связан с электромагнитным приводом 8, вход которого соединен с четвертым O4 выходом процессора 3. Подпружиненный рычаг 12 выполнен с возможностью поворота относительно фиксированной оси вращения и опирается на выключатель 11.
Устройство работает следующим образом.
Перед измерениями устройство калибруют, задав соответствующий режим работы процессора 3 с помощью клавиатуры 5. При этом измеряемый образец в прорезе корпуса 14 отсутствует. Оператор нажимает на рычаг 12, который поворачивается вокруг оси вращения и передает усилие на выключатель 11, после срабатывания последнего на вход I5 процессора 3 поступает сигнал. После этого с выхода О4 процессора поступает сигнал на электромагнитный привод 8 прижима 7. Затем, с необходимыми временными задержками для стабилизации считываемых данных, процессор выдает сигналы на вход блока светодиодов 1, обеспечивая поочередное включение светодиодов различного спектрального диапазона излучения, входящих в этот блок. Потоки излучения измеряются фотоприемником 2 и в виде аналогового сигнала поступают на второй I2 вход процессора 3, где преобразуются в цифровую форму. Значения потоков  от i-го светодиода запоминаются в оперативной памяти процессора 3. После отпускания рычага 12 происходит возврат прижима 7 в исходное состояние и переход устройства в режим измерения.
Измеряемый образец (лист растения Л) помещают в прорезь 14 и нажимают рычаг 12. Прижим 7 фиксирует положение измеряемого образца в прорезе 14 независимо от его толщины. При заданной силе нажатия прижима 7 срабатывает датчика прижима 10, после чего производится считывание сигнала с датчика толщины 9 через второй I2 вход процессора 3, который сохраняет значение толщины d в блоке памяти 13. Далее, как и в режиме калибровки, поочередно включаются светодиоды в блоке светодиодов 1. Прошедшие через образец Л потоки  измеряются фотоприемником 2, соответствующие им сигналы передаются в процессор 3, где для каждого i-го спектрального диапазона вычисляются значения коэффициентов пропускания по формуле
, %                                                      (1)
оптической плотности по формуле
, дБ                                                  (2)
и удельной оптической плотности по формуле
, дБ/мм.                                                   (3)
Значения d, ,  и  вместе с информацией о времени проведения измерений и идентифицирующей образец записью образуют строку в базе данных, записываемой в блоке памяти 13.
Пример 1. Устройство использовали при определении спектральных коэффициентов попускания T листьев вишни. В таблице 1 указаны средние значения коэффициентов и стандартные ошибки. Измерения проводили осенью, когда в связи с сезонными процессами пигментация листьев изменяется.
Таблица 1. Спектральные коэффициенты пропускания листьев вишни
Лист (цвет)
Толщина d, мм
Коэффициенты пропускания, %
<img file="00000009.jpg" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000010.jpg" he="7" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000011.jpg" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Зеленый
0,27±0,05
0,74±0,02
9,30±0,37
4,14±0,20
Красный
0,30±0,05
3,11±0,08
9,31±0,36
49,08±2,56
Желтый
0,21±0,04
5,43±0,13
40,72±1,62
57,53±2,86
Выявлено, что у листьев зеленого цвета значения коэффициентов пропускания во всех спектральных диапазонах B, G и R малы (0,74…5,43 %). Лист красного цвета характеризуется повышенным значением коэффициента пропускания в красном диапазоне (=49,08 %). У листа желтого цвета увеличены значения коэффициентов пропускания в зеленом (=40,72 %) и красном (=57,53 %) диапазонах. Толщины листьев различного цвета значимо не различаются. Применение устройства в данном исследовании позволило обьективно оценить происходящие в растении процессы по найденным с помощью устройства спектральным коэффициентам пропускания, значения которых зависят от содержания различных пигментов в листьях и характеризуют их физиологическое состояние.
Пример 2. С помощью устройства у листьев различных овощных культур определяли их толщину d, мм; значения оптической плотности , дБ и удельной оптической плотности , дБ/мм в отдельных спектральных диапазонах. В таблице 2 указаны средние значения измеренных величин.
Таблица 2. Оптические свойства листьев овощных культур
Растение
Толщина d, мм
Спектральная оптическая плотность
B
G
R
<img file="00000017.jpg" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />, дБ
<img file="00000018.jpg" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" />, дБ/мм
<img file="00000019.jpg" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />, дБ
<img file="00000020.jpg" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" />, дБ/мм
<img file="00000021.jpg" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />, дБ
<img file="00000022.jpg" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" />, дБ/мм
Клубника
0,17
2,01
11,82
0,85
5,00
1,19
7,00
Хрен
0,23
2,12
9,22
0,77
3,35
1,11
4,83
Сельдерей
0,24
1,77
7,38
0,58
2,42
0,90
3,75
Топинамбур
0,27
1,88
6,96
0,79
2,93
1,08
4,00
Тыква
0,28
2,39
8,54
0,81
2,89
1,21
4,32
Томат
0,29
2,51
8,66
0,88
3,03
1,31
4,52
Картофель
0,32
2,17
6,78
0,79
2,47
1,09
3,41
Перец
0,33
2,36
7,15
0,74
2,24
1,06
3,21
Кабачек
0,41
2,04
4,98
0,85
2,07
1,20
2,93
Огурец
0,41
2,40
5,85
0,88
2,15
1,16
2,83
Капуста
0,49
2,68
5,47
0,96
1,96
1,38
2,82
Выявлено, что толщина листьев d у растений различных овощных культур изменяется в достаточно больших пределах (от 0,17 до 0,49 мм). Анализ результатов измерений свидетельствует, что недостаточно ограничиться измерением только оптической плотности  для оценки концентрации пигментов в силу различной толщины листовой пластинки. В этом случае необходимо определять значения удельной оптической плотности . Например, для синего диапазона максимальное значение оптической плотности из обследованных культур наблюдается у листьев капусты (=2,68 дБ). Однако причиной этому является большая толщина листа (d=0,49 мм). Максимальное значение удельной оптической плотности в этом диапазоне (=11,82 дБ/мм) наблюдается у листьев клубники, имеющих саму маленькую толщину (d=0,17 мм).
Пример 3. Устройство использовали для оценки статистических показателей экспериментальных данных – среднего значения , среднеквадратичного отклонения  и коэффициента вариации , %. Наряду со спектральной оптической плотностью стандартными средствами фиксировали массу листьев, г и их длину вдоль центральной жилки, мм для ювенильных (в фазе первого настоящего листа) растений огурца (таблица 3).
Таблица 3. Статистические показатели оптической плотности и биометрических параметров ювенильных растений огурца
Показатель
Спектральная оптическая плотность, дБ
Биометрическиепараметры
<img file="00000017.jpg" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000019.jpg" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000021.jpg" he="7" wi="7" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Масса, г
Длина, мм
Среднее значение <img file="00000023.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
3,23
1,22
1,80
0,65
25,50
Ср. квадр. откл. <img file="00000024.jpg" he="4" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" />
0,08
0,05
0,10
0,15
7,00
Коэф. вариации <img file="00000026.jpg" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" />
2,5
4,1
5,6
23,1
27,5
Результаты измерений показали, что значения коэффициента вариации, характеризующего степень различий вариантов измеренного признака, незначительны по спектральной оптической плотности (2,5…5,6 %). По другим биометрическим параметрам  вариация значительна (23,1 % по массе и 27,5 % по длине. Это свидетельствует о том, что оценка листьев растений по оптическим свойствам имеет меньшую степень рассеивания данных и более надежна.
Наличие в составе устройства датчика толщины повышает функциональность путем обеспечения возможности определения дополнительного параметра – удельной оптической плотности. Наличие прижима, управляемого электромагнитным приводом с помощью рычага и выключателя повышает удобство в работе. Выполнение корпуса в форме пистолета улучшает эргономические характеристики устройства.