Способ и устройство контроля воздушного режима в корнеобитаемой среде

Способ и устройство контроля воздушного режима в корнеобитаемой среде

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Прототип: Ганжара Н.Ф. Почвоведение. - М.: Агроконсалт, 2001. - С.164. Домрачева Е.А. Физико-механический и химический анализ почвы. - М. - Л-д: Сельхозгиз, 1939. - С.57-58.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к растениеводству, и имеет своим объектом корнеобитаемую среду в разных почвах и посадочных материалах, в которых выращиваются растения и осуществляется жизнедеятельность почвенных животных и микроорганизмов.

Помимо почвы известным примером корнеобитаемой среды является капсулированный посадочный материал, представляющий собой специально приготовленную почвенную смесь, которая во время предпосевной подготовки формируется вместе с семенем в отдельные капсулы обычно шаровидной формы. Описание такого посадочного материала содержится в патенте РФ №2293457 С2, кл. А01С 2 1/06, 20.02.2007 г. Он состоит из семени или ростка на разных стадиях развития, заключенных в оболочку, состоящую из смеси ингредиентов, необходимых для каждой стадии начального периода развития растений: органических и минеральных питательных веществ, наполнителя, связующего и воды.

Воздушный режим и в почве, и в посадочном материале характеризуется воздухопроницаемостью и воздухоемкостью. В частном случае воздушно-сухого состояния воздухоемкость равна порозности. Эти показатели имеют жизненно важное значение для живых организмов, населяющих корнеобитаемую среду.

Известен аналитический метод определения порозности (Р), которая выражается в % от общего объема почвы и вычисляется по показателям плотности почвы (d_v) и плотности твердой фазы (d):

Известны способ и устройство для контроля другой характеристики воздушного режима - воздухопроницаемости, когда измеряется скорость вытеснения воздуха из порового пространства другой, не газовой, субстанцией - водой (Домрачева Е.А. Физико-механический и химический анализ почвы. - М. - Л.: 1939 г., с.57-58). Известное устройство для контроля воздухопроницаемости называется потометром и представляет собой сосуд, заполненный испытуемым почвенным образцом, который с одного конца соединяется с длинной малого сечения градуированной трубкой. В сосуд с другого конца под постоянным давлением (через регулятор давления) пускается вода. Скорость движения воды в трубке зависит от степени проницаемости воздуха в почве и учитывается непосредственным отсчетом.

Общим недостатком обоих известных способов и устройств, во-первых, является то, что каждый из них позволяет контролировать только один из двух параметров воздушного режима - либо порозность, либо воздухопроницаемость, и, кроме того, устройство для определения воздухопроницаемости плохо приспособлено для контроля капсулированных посадочных материалов. Последний недастаток связан с невозможностью непосредственно контролировать воздушный режим объекта, не нарушая его целостность, и в результате для капсулированных посадочных материалов описанного выше типа исключается возможность отслеживать и поддерживать оптимальные условия для развития проростка внутри капсулы на этапе предпосевной подготовки.

Задача настоящего изобретения - разработать универсальные способы и устройство оперативного неразрушающего контроля одновременно воздухопроницаемости и воздухоемкости как для почвы, так и для посадочного материала разного типа.

Указанная задача решается путем контролируемого замещения части молекул воздуха в свободном поровом пространстве испытуемого образца молекулами специального индикаторного газа, причем объем такого замещения определяет воздухоемкость, а скорость замещения - воздухопроницаемость.

Основу способа составляет тот же процесс, который играет главную роль в почвенном газообмене - диффузионное перемещение молекул газа по воздухопроницаемым каналам (почвенным порам) посредством случайного теплового движения под влиянием градиента концентрации.

Для реализации заявленного способа предложено устройство, обеспечивающее одномоментное создание градиента концентрации индикаторного газа и последующий контроль за процессом выравнивания этого градиента. На чертеже представлена схема предложенного устройства, состоящего из следующих основных элементов: герметичной камеры (позиция 1) с размещенным внутри испытуемым образцом (2), имеющим воздухопроницаемые каналы; дозатора индикаторного газа (3) и газоанализатора индикаторного газа (4).

Помимо этих элементов в состав устройства могут входить некоторые другие вспомогательные элементы, обеспечивающие более точную интерпретацию результатов измерения. Например, вентилятор для перемешивания воздуха внутри камеры, приспособление для регулирования температуры, влажности и давления воздуха внутри камеры. При этом все элементы предложенного устройства, основные и вспомогательные, образуют между собой благодаря соединительным пневмотрубкам (5) общий герметичный замкнутый воздушный контур, газовый состав которого остается во время измерения однородным за счет постоянного интенсивного перемешивания. Величина этого внутреннего замкнутого объема является установочной константой предложенного устройства.

Заявленный результат достигается благодаря следующей работе предложенного устройства.

Для контроля воздушного режима какого-либо объекта отбирается представительный испытуемый образец (2) с внутренней воздухопроницаемой структурой, подходящий по размерам и форме. Им может быть почвенная проба или несколько единиц посадочного материала. Такой образец помещают в герметичную камеру (1). При этом надо, чтобы внутренний объем камеры, определяющий в основном величину установочной константы измерительной системы, находился в определенном соответствии с общим объемом отобранного образца так, чтобы остающееся в камере свободное воздушное пространство за вычетом объема, занимаемого образцом, не было чрезмерно большим или малым, поскольку от этого зависят время и точность контроля. Затем камера (1) герметизируется, после чего выдерживается некоторый промежуток времени (обычно не более 30 мин) для стабилизации и выравнивания параметров образца и воздушной среды внутри камеры (состава, температуры, влажности, давления). В течение всего последующего времени измерения камера и весь в целом внутренний воздушный контур измерительной системы остаются герметичными.

Установившееся состояние изменяется после включения дозатора (3), через который в камеру впрыскивается индикаторный газ. Поступившая доза индикаторного газа быстро перемешивается с воздухом камеры и в результате между двумя контактирующими воздушными средами создается градиент концентрации индикаторного газа: нулевая концентрация внутри порового пространства испытуемого образца и наружная более высокая, определяемая величиной дозы и свободным воздушным объемом внутри измерительной системы (установочная константа минус общий объем испытуемого образца). Под действием созданного градиента концентрации молекулы индикаторного газа начинают диффундировать из камеры (2), вследствие чего концентрация этого газа в камере начинает снижаться. Это снижение будет тем более быстрым, чем более высокой будет воздухопроницаемость образца, а установившийся окончательно уровень концентрации будет зависеть от величины объема свободных пор в образце, т.е. от воздухоемкости или при воздушно-сухом состоянии образца от порозности. Весь процесс выравнивания первоначального градиента контролируется газоанализатором (4) с периодичностью, достаточной для обеспечения приемлемой точности (обычно непрерывно). Газоанализатор соединяется с камерой в общий воздушный контур с помощью соединительных пневмотрубок (5).

В качестве индикаторного газа целесообразно использовать метан в силу его близости по газокинетическим характеристикам (коэффициенту диффузии и газокинетическому диаметру молекул) к кислороду и углекислому газу - основным компонентам, осуществляющим газообмен в корнеобитаемой среде («Справочник по элементарной физике», «Наука», «Главная редакция физико-математической литературы», Москва, 1976 г., с.89)

Метан хорошо селектируется в инфракрасном (ИК) диапазоне электромагнитных излучений. Поэтому в предложенном устройстве для целей контроля удобно использовать ИК-спектрометрию, например известный газоанализатор серии ГИАМ-5М (ТУ 25-05. 2584-83, ОКП 421514, ПО «Аналитприбор», г.Смоленск).

Для контроля воздухопроницаемости дозированная подача метана в камеру должна осуществляться одномоментно в форме короткого импульса, теоретическим аналогом которого является столбчатая функция, описываемая с помощью δ-функции Дирака (Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. «Элементы прикладной математики», «Наука», 1967 г., с.227-228). Необходимым условием является также активное перемешивание воздуха внутри камеры.

Воздухоемкость рассчитывается исходя из условия, что поступившая в герметичную камеру доза индикаторного газа распределяется между свободным поровым пространством и свободным воздушным объемом камеры пропорционально величинам этих объемов.

Воздухопроницаемость определяется по продолжительности процесса выравнивая первоначально созданного перепада концентраций индикаторного газа между двумя вышеназванными воздушными объемами.

1. Способ контроля воздушного режима в корнеобитаемой среде, заключающийся в контроле воздухоемкости и воздухопроницаемости среды, отличающийся тем, что основу для контроля, и воздухоемкости, и воздухопроницаемости составляет физический процесс установления газового равновесия в отношении индикаторного газа - метана между воздухом в свободном поровом пространстве корнеобитаемой среды и наружным воздухом в итоге диффузионного перераспределения дозированного импульсным образом в наружный воздух количества молекул этого газа из наружной воздушной среды в свободное поровое пространство при сохранении постоянным общего количества молекул индикаторного газа в общем герметично изолированном воздушном пространстве двух контактирующих воздушных сред с определением воздухоемкости исходя из условия, что доза метана распределяется между этими средами по завершении процесса выравнивания пропорционально их воздушным объемам, а воздухопроницаемость определяется по времени выравнивания.

2. Устройство контроля воздушного режима в корнеобитаемой среде, состоящее из: герметичной камеры с размещаемым внутри испытуемым образцом, импульсного дозатора метана и инфракрасного газоанализатора метана, соединенных с камерой в общий герметичный замкнутый воздушный контур, по которому с помощью вентилятора циркулирует воздух, поступающий в камеру и забираемый из нее через воздухораспределительные устройства.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в состав устройства дополнительно включаются без нарушения герметичности замкнутого воздушного контура приспособления, регулирующие состояние воздушной среды в герметичной камере: газовый состав, температуру, влажность, давление, условия освещения.