[go: up one dir, main page]

RU225818U1 - Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза в условиях повышенной влажности в теплице - Google Patents

Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза в условиях повышенной влажности в теплице Download PDF

Info

Publication number
RU225818U1
RU225818U1 RU2023103448U RU2023103448U RU225818U1 RU 225818 U1 RU225818 U1 RU 225818U1 RU 2023103448 U RU2023103448 U RU 2023103448U RU 2023103448 U RU2023103448 U RU 2023103448U RU 225818 U1 RU225818 U1 RU 225818U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
spectroradiometer
polychromator
unit
probe
Prior art date
Application number
RU2023103448U
Other languages
English (en)
Inventor
Константин Абрамович Томский
Владимир Николаевич Кузьмин
Сергей Евгеньевич Николаев
Сергей Сергеевич Баев
Владимир Сергеевич Перетягин
Александр Сергеевич Васильев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "ТКА"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "ТКА" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "ТКА"
Application granted granted Critical
Publication of RU225818U1 publication Critical patent/RU225818U1/ru

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к сельскому хозяйству, в частности к растениеводству, и предназначена для измерения спектральной плотности энергетической освещенности источников непрерывного оптического излучения, нахождения фотосинтетической активной радиации, создаваемой указанными источниками в фотонных и энергетических единицах. Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза содержит полихроматор на основе дифракционной решетки с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой и с объективом с входной щелью постоянной ширины и с косинусным корректором, блок умножения, сумматоры, блок индикации и блок связи с ПК. Объектив полихроматора снабжен посадочным местом, в котором установлен косинусный корректор, выполненный в виде съемного спектрорадиометрического зонда, представляющего собой тонкий диск из молочного стекла, закрепленный в корпусе спектрорадиометрического зонда и имеющий оптоволоконный жгут с разъемом, устанавливаемым в посадочное место объектива. Блок связи выполнен на плате электронной регистрации и содержит проводной интерфейс USB, беспроводной интерфейс Bluetooth и модуль записи данных на сменную SD-карту. Технический результат заключается в обеспечении возможности оценки качества облучения в условиях светокультуры по величине потока фотонов, участвующих в процессе фотосинтеза в натурных условиях теплицы при повышенной влажности. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к сельскому хозяйству, в частности к растениеводству в условиях сооружений защищенного грунта, а именно к светокультуре в условиях повышенной влажности в теплице. Заявленное решение предназначено для измерения спектральной плотности энергетической освещенности (СПЭО) источников непрерывного оптического излучения (ОИ), нахождения фотосинтетической активной радиации (ФАР), создаваемой указанными источниками в фотонных и энергетических единицах.
Известно устройство «Анализатор качества спектра потока оптического излучения в светокультуре» (патент РФ №168918 G01J 3/30, 2015 г., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства" (ИАЭП)). Анализатор содержит полихроматор, блок задания спектральной эффективности фотосинтеза, блок задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pfr, блок задания спектральной эффективности фотоморфогенеза по фитохрому Pr, три блока умножения, четыре сумматора, блок нормирования, два блока деления, переключатель индицируемой величины и блок индикации, соединенные соответствующими связями. О качестве облучения в светокультуре судят по доле фитопотока в общем энергетическом потоке излучения и соотношению эффективных потоков фотоморфогенеза по отдельным фитохромам.
Недостатками данного устройства является:
устройство обладает ограниченным диапазоном длин волн 400…700 нм;
отсутствует косинусная пространственная характеристика полихроматора;
нет возможности работы в условиях повышенной влажности.
Известно устройство «Мини-спектрограф» (патент РФ №205270 G01J 3/0259, 3/1804, 2021 г., патентообладатель Даниловских Михаил Геннадьевич), выполненный с возможностью подключения к смартфону и содержащий оптически связанную входную щель, плоскую отражающую штриховую дифракционную решетку, два сферических зеркала и регистрирующий элемент, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде моноблока из оптически прозрачного акрила с коэффициентом преломления 1,50 и конфигурацией Черни-Тернера таким образом, что входная щель, входное зеркало радиуса R и дифракционная решетка расположены на поверхности моноблока и обеспечивают дифракцию в видимом спектре во втором порядке, выходное сферическое зеркало радиуса R собирает дифрагированный свет и фокусирует его на выходную поверхность с регистрирующим элементом, а в качестве регистрирующего элемента используется линейная матрица фотодиодов.
Мини-спектрограф позволяет проводить анализ качества потока источника излучения по степени близости его спектра к заданному распределению долей фотонного потока отдельных спектральных поддиапазонах ФАР. Недостатки известного технического решения:
1. Задача обработки спектральной информации возложена на смартфон. Обязательное наличие смартфона с кабельной связью создает неудобства при использовании прибора в теплице.
2. Отсутствует косинусная пространственная характеристика полихроматора.
3. Нет возможности непосредственного определения величины PPFD.
4. Принятый критерий оценки - качество спектра применяемого источника излучения по близости двух спектров (измеряемого и нормируемого) с учетом долей потока фотонов в отдельных спектральных поддиапазонах ФАР - не является величиной, однозначно характеризующей качество спектра потока излучения.
На практике желательно иметь прибор, по показаниям которого можно судить о качестве спектра применяемого источника излучения по близости двух спектров - измеренного и задаваемого пользователем с учетом как энергетической, так и спектральной характеристики.
Наиболее близким, взятым в качестве прототипа является «Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза» (патент на ПМ РФ №179245, G01J 3/30, 2018 г., патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "ТКА"), содержащий полихроматор на основе дифракционной решетки с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой и с объективом с входной щелью постоянной ширины, блок умножения, сумматоры, блок индикации и блок связи с ПК.
Оптическая схема спектрорадиометра представляет собой полихроматор на основе дифракционной решетки с регистрацией разложенного излучения 128 пиксельной фото диодной линейкой. Указанный спектрорадиометр определяет спектральный состав излучения с помощью программного обеспечения компьютера, к которому подсоединяют прибор при работе. Указанный спектрорадиометр состоит из двух блоков:
оптоэлектронного и блока аналого-цифрового преобразователя с двухстрочным символьным жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ).
Недостатками указанного спектрорадиометра является отсутствие непосредственного отображения спектрального состава излучения на встроенном ЖКИ, нет возможности расчета различия в сравнении с эталонным излучателем, большой шаг сканирования (3,3 нм). Задача обработки спектральной информации возложена на компьютер. Обязательное наличие компьютера с кабельной связью создает неудобства при использовании прибора в теплице. Конструктивные особенности указанного спектрорадиометра, в частности входного объектива, не позволяют производить измерения в плоскости листа низкорослой рассады и в условиях повышенной влажности.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью - создание одноблочного измерительного прибора, позволяющего оценить качество облучения в условиях светокультуры по величине потока фотонов, участвующих в процессе фотосинтеза в натурных условиях теплицы при повышенной влажности.
Поставленная техническая проблема решается за счет того, что в спектрорадиометре для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза, содержащем полихроматор на основе дифракционной решетки с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой и объектив с входной щелью постоянной ширины и с косинусным корректором, блок умножения, сумматоры, блок индикации и блок связи с ПК, объектив полихроматора снабжен посадочным местом, в котором установлен косинусный корректор, а блок связи выполнен на плате электронной регистрации и содержит проводной интерфейс USB, беспроводной интерфейс Bluetooth и модуль записи данных на сменную SD-карту. А также за счет того, что косинусный корректор может быть выполнен в виде насадки, устанавливаемой в посадочное место объектива, и представляющей собой тонкий диск из молочного стекла, закрепленный в корпусе насадки или в виде спектрорадиометрического зонда, представляющего собой тонкий диск из молочного стекла, закрепленный в корпусе спектрорадиометрического зонда и имеющий оптоволоконный жгут с разъемом, устанавливаемым в посадочное место объектива. Кроме того, конструктивно он выполнен в одном блоке с энергоемким аккумулятором, при этом блок индикации выполнен в виде цветного сенсорного ЖК-дисплея, а количество точек опроса составляет 1024, шаг сканирования 0,5 нм, оптическое разрешение (FWHM) 5 нм.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной проблемы, достигается за счет использования новой совокупности признаков устройства. В конструкции входного объектива предусмотрено посадочное место для косинусного корректора, который может быть выполнен в виде насадки, устанавливаемой в посадочное место объектива, и представляющей собой тонкий диск из молочного стекла, закрепленный в корпусе насадки или в виде спектрорадиометрического зонда, представляющего собой тонкий диск из молочного стекла, закрепленный в корпусе спектрорадиометрического зонда и имеющий оптоволоконный жгут с разъемом, устанавливаемым в посадочное место объектива. Оптоволоконный спектрорадиометрический зонд, предназначен для измерения фотосинтетической активной радиации в условиях повышенной влажности в теплице. Конструкция оптоволоконного зонда предусматривает защиту от попадания влаги с сохранением оптических характеристик оптоволоконного зонда, предотвращая влияние внешних воздействий на метрологические характеристики прибора. Свет от источника попадает непосредственно в рассеиватель косинусного корректора. Косинусная характеристика формирует корректную зависимость чувствительности прибора от угла падения света. В оптоволоконном зонде излучение распространяется по оптоволоконному жгуту и попадает в объектив полихроматора. В объективе свет попадает на щель, являющуюся вторичным источником света и далее попадает на дифракционную решетку, которая раскладывает свет в спектр, регистрируемый фотодиодной линейкой. Последняя содержит определенное количество фотодиодных элементов, каждый из которых регистрирует интенсивность спектра на определенной длине волны и преобразует световую энергию в электрическую. Отклик с каждого фоточувствительного элемента обрабатывается блоком умножения, на выходе которого получаются величины спектральной плотности энергетической освещенности (СПЭО) [Вт/(м2⋅нм)] и PPFD(X). Далее избирательно происходит суммирование этих величин по различным диапазонам («синий», «зеленый», «красный» и «FR»), формируя итоговые результаты измерений. Результаты измерения в реальном времени отображаются на блоке индикации и посылаются на блок связи с компьютером.
Спектрорадиометр позволяет измерить СПЭО источников оптического излучения, энергетическую освещенность (ФАР облученность) Ее(ФАР) в мВт/м2 в видимой и дальнекрасной областях диапазон (400…790) нм и расчет PPFD (photosynthetic photon flux density) плотность потока фотонов фотосинтеза без привлечения каких-либо экспериментальных таблиц реакций растений в мкмоль/(с-м2). На основе СПЭО производится расчет PPFD на каждой длине волны, производится суммирование ФАР облученности и PPFD в четырех диапазонах длин волн. Заявленное решение отличается также изменением геометрии полихроматора (количество точек опроса увеличено до 1024; оптическое разрешение (полная ширина на полувысоте, FWHM) не более 5 нм); шаг сканирования уменьшен до 0,5 нм, что позволило обеспечить отклонение от границ поддиапазонов ФАР синий, ФАР зеленый и ФАР красный не более 0,25 нм.
Границы поддиапазонов измерения облученности спектрорадиометра:
ФАР синий (400…500) нм,
ФАР зеленый (500…600) нм,
ФАР красный (600…700) нм,
Дальнекрасный (FR) (700…790) нм.
Спектрорадиометр может быть использован для оперативной оценки энергоэффективности потока оптического излучения в условиях интенсивной светокультуры с возможностью расчета дополнительных параметров контроля облученности культур.
Заявленное решение поясняется графическими материалами, где:
На фиг. 1 - представлена функциональная схема спектрорадиометра.
На фиг. 2 - показан пример работы прибора
На фиг. 3 - показан косинусный корректор, выполненный в виде насадки
На фиг. 4 - показан косинусный корректор, выполненный в виде спектрорадиометрического зонда
Спектрорадиометр для измерения СПЭО и PPFD, содержит полихроматор (1) на основе дифракционной решетки с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой с входной щелью постоянной ширины и объективом. Полихроматор (1) выходом соединен с блоком умножения (2), где рассчитываются величины СПЭО и PPFD на каждой длине волны. Выходы полихроматора (1) и блока умножения (2) соединены с сумматорами (3), (4), (5) и (6), где производится суммирование СПЭО и PPFD в четырех диапазонах («синий», «зеленый», «красный» и «FR» («дальнекрасный») соответственно). Выходы сумматоров соединены с входом блока индикации в виде цветного сенсорного ЖК-дисплея (7), где отображаются интегральные значения облученности и PPFD в каждом диапазоне. Выходы сумматоров кроме того соединены с блоком связи (8), где возможна передача в реальном времени измеренных значений на компьютер или смартфон по проводному или беспроводному интерфейсу, а также возможно сохранение данных на сменную SD карту. Объектив полихроматора имеет посадочное место для косинусного корректора (9) который может быть выполнен в виде насадки 14, устанавливаемой в посадочное место объектива, и представляющей собой тонкий диск из молочного стекла 15, закрепленный в корпусе 16 насадки или в виде спектрорадиометрического зонда 17, представляющего собой тонкий диск из молочного стекла 15, закрепленный в корпусе 18 спектрорадиометрического зонда 17 и имеющий оптоволоконный жгут 19 с разъемом 20, устанавливаемым в посадочное место объектива. Суть зонда заключается в том, чтобы расположить корректор в зоне измерений, где прибор не может находиться, и передать излучение в прибор. Конструктивно спектрорадиометр выполнен в одном блоке с сенсорным цветным индикатором со встроенным энергоемким аккумулятором.
Принцип действия спектрорадиометра основан на измерении спектральной плотности энергетической освещенности источника оптического излучения в видимой и дальнекрасной областях с последующей математической обработкой результатов измерения с помощью микропроцессорного устройства.
В основе заявленного решения лежат следующие положения.
В мировой практике было принято соглашение, которое позволяет определить и измерить ФАР облученность как падающий квантовый поток в диапазоне от 400 до 700 нм без привлечения каких-либо экспериментальных таблиц реакций растений.
Оценка эффективности растениеводческих источников излучения по потоку фотонов требует корреляции числа фотонов с количеством молекул вещества, способных его воспринять. Поскольку в идеале каждый фотон потенциально способен привести молекулу пигмента в возбужденное состояние, можно говорить о некотором соответствии падающих фотонов количеству молекул вещества, способных их воспринять.
Стандартное определение спектральной плотности энергетической освещенности Ее(Х) - отношение величины облученности dEe, приходящейся на малый спектральный интервал dk, к ширине этого интервала:
Единицей измерения СПЭОв системе СИ является Вт/м2⋅нм. Общепринято, что для расчета PPFD используется следующая формула:
где - абсолютное значение облученности на длине волны, Вт/ м2⋅нм,
- длина волны, нм
h=6,626⋅10-3 Дж⋅с - постоянная Планка,
NA=6,02214129⋅1023 моль1 - число Авогадро,
с=3⋅108 м/с - скорость света.
Светокультура растений складывается из таких факторов: спектр света, количество света (люксы, люмены, ватты и так далее, учесть здесь же расстояние от светильников), временной интервал (длительность облучения), частота облучения (периодичность), тепловой режим (определенная частота света). В течение дня эти факторы складываются таким образом, что растения получают необходимую порцию света для роста. В природе эти факторы совмещаются довольно редко (в малом периоде года), в ином случае, мы получали бы большое количество урожаев. В среде искусственного освещения при помощи диодных сборок (светодиодных ламп, прожекторов, матриц, светильников) возможно получать большее количество урожаев в один и тот же временной период культивации. Радиационный режим (светокультура), фотопериод строго связан с вегетационным периодом. И очень сильно зависит от момента подкормки и полива растений. Для безошибочного применения технологий агрокультивирования растений при искусственном светодиодном освещении требуется правильные измерения параметров ОИ. Использование величины PPFD ОИ для растениеводства позволяет проводить совместный энергетический анализ преобразования техногенной энергии в растениеводстве и биоконверсии природной энергии ОИ растениями с целью выявления энергоемкости продукции растениеводства.
Объектом исследования может являться лист растения, стебель или любой другой объект, облученность которого необходимо измерить. Покажем на примере листа растения работу прибора (9) (Фиг. 2). Плоскостью измерения (10) является плоскость листа. Для измерения облученности прибор помещают плоскостью косинусного корректора или оптоволоконного зонда (9) в месте расположения листа (точка А). Оптическая ось прибора должна быть направлена по нормали к плоскости листа (11) так, чтобы излучение от источника (12) попадало в объектив прибора. Направление на источник (13) в данном случае не совпадает с нормалью к плоскости листа (11). В реальном времени на ЖКИ будут отображаться измеренные значения облученности листа и степень близости измеренного спектра к заданному распределению.
Заявленное решение используется для оперативной оценки энергоэффективности потока оптического излучения в условиях интенсивной светокультуры без привлечения каких-либо экспериментальных таблиц реакций растений с возможностью расчета цветового различия в сравнении с эталонным излучателем.

Claims (4)

1. Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза, содержащий полихроматор на основе дифракционной решетки с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой и с объективом с входной щелью постоянной ширины и с косинусным корректором, блок умножения, сумматоры, блок индикации и блок связи с ПК, отличающийся тем, что объектив полихроматора снабжен посадочным местом, в котором установлен косинусный корректор, выполненный в виде съемного спектрорадиометрического зонда, представляющего собой тонкий диск из молочного стекла, закрепленный в корпусе спектрорадиометрического зонда и имеющий оптоволоконный жгут с разъемом, устанавливаемым в посадочное место объектива, а блок связи выполнен на плате электронной регистрации и содержит проводной интерфейс USB, беспроводной интерфейс Bluetooth и модуль записи данных на сменную SD-карту.
2. Спектрорадиометр по п. 1, отличающийся тем, что блок индикации выполнен в виде цветного сенсорного ЖК-дисплея.
3. Спектрорадиометр по п. 1, отличающийся тем, что конструктивно он выполнен в одном блоке с энергоемким аккумулятором.
4. Спектрорадиометр по п. 1, отличающийся тем, что полихроматор имеет 1024 точек опроса, шаг сканирования 0,5 нм, оптическое разрешение (FWHM) 5 нм.
RU2023103448U 2023-02-14 Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза в условиях повышенной влажности в теплице RU225818U1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU225818U1 true RU225818U1 (ru) 2024-05-07

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101943603A (zh) * 2009-07-07 2011-01-12 韦守良 一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪
US20130250280A1 (en) * 2003-11-07 2013-09-26 Kyle H. Holland Plant treatment based on a water invariant chlorophyll index
RU160900U1 (ru) * 2015-09-30 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства" (ИАЭП) Анализатор качества спектра потока оптического излучения в светокультуре
RU179245U1 (ru) * 2018-01-09 2018-05-07 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "ТКА" Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130250280A1 (en) * 2003-11-07 2013-09-26 Kyle H. Holland Plant treatment based on a water invariant chlorophyll index
US9075008B2 (en) * 2003-11-07 2015-07-07 Kyle H. Holland Plant treatment based on a water invariant chlorophyll index
CN101943603A (zh) * 2009-07-07 2011-01-12 韦守良 一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪
RU160900U1 (ru) * 2015-09-30 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства" (ИАЭП) Анализатор качества спектра потока оптического излучения в светокультуре
RU179245U1 (ru) * 2018-01-09 2018-05-07 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "ТКА" Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bergsträsser et al. HyperART: non-invasive quantification of leaf traits using hyperspectral absorption-reflectance-transmittance imaging
CN100510709C (zh) 便携式多通道作物叶片氮素营养指标无损监测装置
Moya et al. A new instrument for passive remote sensing: 1. Measurements of sunlight-induced chlorophyll fluorescence
Rahimzadeh-Bajgiran et al. Relationships between the photochemical reflectance index (PRI) and chlorophyll fluorescence parameters and plant pigment indices at different leaf growth stages
CN101715551B (zh) 现场植物分析设备、用于跟踪种植的状态或进展的方法以及用于管理植物性处理的方法
Ryu et al. Testing the performance of a novel spectral reflectance sensor, built with light emitting diodes (LEDs), to monitor ecosystem metabolism, structure and function
Daumard et al. Continuous monitoring of canopy level sun-induced chlorophyll fluorescence during the growth of a sorghum field
CN109863377A (zh) 用于测量光谱的装置
CN116548203A (zh) 基于植物光能吸收率的光源调节系统及方法
JP2005308733A (ja) 植物の受けるストレスの測定方法及び装置
Tubuxin et al. Estimating chlorophyll content and photochemical yield of photosystem II (ΦPSII) using solar-induced chlorophyll fluorescence measurements at different growing stages of attached leaves
CN108956507B (zh) 叶绿素光谱检测仪
CN102012266B (zh) 一种光合辐射照度测量方法
CN201464366U (zh) 一种叶绿素荧光探测仪
US20200386733A1 (en) Precision agriculture support system and precision agriculture support method
CN103674855B (zh) 一种用于作物生长信息监测的光路系统
CN208818636U (zh) 叶绿素光谱检测仪
Zavafer et al. On the concepts and correct use of radiometric quantities for assessing the light environment and their application to plant research
Yao et al. Design and testing of an active light source apparatus for crop growth monitoring and diagnosis
RU225818U1 (ru) Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза в условиях повышенной влажности в теплице
CN1566928A (zh) 一种测量归一化植被差异指数的方法及仪器
JP2008076346A (ja) 植物の生育度測定装置及び生育度測定方法
JP2002168771A (ja) 植物の生育度測定装置
RU179245U1 (ru) Спектрорадиометр для измерения плотности потока фотонов фотосинтеза
Blank et al. Investigation of a spectral lens for the formation of a normalized difference vegetation index NDVI_0. 705