Устройство для определения геометрических параметров растений

Устройство для определения геометрических параметров растений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области растениеводства, а именно к средствам контроля геометрических параметров растений, используемых для оценки их качества, преимущественно укорененных черенков и саженцев садовых культур.

При выполнении селекционных и научно-исследовательских работ для промышленного садоводства, а также в процессах промышленного возделывания садовых культур и получения готового продукта (черенков, саженцев, плодов) необходим инструментальный контроль, в том числе и геометрических параметров растений. Одними из показателей развитости надземной части растений являются площадь поперечного сечения и диаметр штамба (для справки, штамб - это надземная часть растения между корнем и первой ветвью), а подземной части - объем и длина корней (в т. ч. и суммарная) [ГОСТ Р 53135-2008. Посадочный материал плодовых, ягодных, субтропических, орехоплодных, цитрусовых культур и чая. Технические условия. - С.6-33]. Измерения площади поперечного сечения и диаметра штамбов растений осуществляются с помощью штангенциркулей или микрометров [ГОСТ Р 53135-2008. Посадочный материал плодовых, ягодных, субтропических, орехоплодных, цитрусовых культур и чая. Технические условия. - С.38], которые не учитывают особенности объекта контроля: мягкие ткани, неправильная геометрическая форма. Наличие измерительного усилия в этих приборах вызывает деформацию объекта и, следовательно, дополнительные погрешности измерений. Длину корней определяют с помощью измерительных линеек [ГОСТ Р 53135-2008. Посадочный материал плодовых, ягодных, субтропических, орехоплодных, цитрусовых культур и чая. Технические условия. - С.37]. Измерительные линейки имеют недостаточную разрешающую способность и не учитывают длину мелких корешков, обладающих большой всасывающей способностью. Кроме того, процедура измерений трудоемка. Методы измерения объема корней для оценки качества посадочного материала лишены большинства названных недостатков и более предпочтительны. Известны устройства для измерения объема корней, основанные на вытеснении жидкости (например, воды) при погружении в нее исследуемых корней и измерении объема вытесненной жидкости [Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физиология растений». Пензенский государственный педагогический университет им. В.Г. Белинского. - Пенза, 2007. - 34 c.], [Программа и методика анализов над плодово-ягодными растениями в условиях Сибири: методические указания для студентов. - Новосибирск, 1971. - С.39]. Объем вытесненной жидкости в известных устройствах определяется делением массы слитой жидкости, находящейся выше первоначального уровня, на ее плотность или непосредственно с помощью мерной емкости. Объем вытесненной жидкости определяется также измерением высоты подъема столба жидкости с постоянной и известной площадью поперечного сечения [А.с. СССР №430285, МКИ G01F 17/00. Прибор для определения объема предметов сложной геометрической формы]. Объем корней в этом случае вычисляется как произведение площади поперечного сечения столба жидкости на приращение его высоты. Недостатком названных устройств является влияние неполного слива, например, за счет остатка на стенках сливного канала, на точность измерений при малых объемах слитой жидкости. Кроме того, устройства имеют низкую производительность из-за необходимости выполнения многократных измерений для получения конечного результата. Наиболее близким аналогом изобретению (прототипом) является устройство для определения объема корней [Минеев В.В., Алейников А.Ф., Золотарев В.А. Применение методов силоизмерительной техники при промышленном производстве облепихи // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. - 2010. - №11. - С.79-85], в котором объем жидкости (воды), вытесненной корнями, определяется путем измерения электронными весами выталкивающей силы, возникающей в соответствии с законом Архимеда, на тело, помещенное в жидкость, последняя действует с силой, приложенной в центре тяжести погруженной части тела, направленной вертикально вверх и равной весу вытесненной телом жидкости, то есть весу жидкости в объеме погруженной части. В соответствии с третьим законом Ньютона в этой же точке возникает противодействующая сила той же величины, которая увеличивает показания весов на значение этой силы и, следовательно, может быть определена. Достоинства прототипа по сравнению с аналогами: небольшая погрешность взвешивания современных электронных весов - основного компонента устройства - (не более 0,01 г при массе сосуда с жидкостью до 6000 г, что эквивалентно 0,01 см³ при плотности воды, равной 1,000 г/см³, с точностью до нескольких единиц третьего знака после запятой); незначительная зависимость плотности жидкости (воды) от температуры (изменения в третьем знаке); высокая производительность; простые операции выполнения измерений; невысокие требования к квалификации оператора; возможность подключения внешних устройств обработки и регистрации результатов. Недостатком прототипа является то, что с его помощью можно определить только показатель развитости подземной части растений, а для получения информации о развитости их надземной части необходимо проводить дополнительные измерения, что приводит к дополнительным затратам, в том числе и времени.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности определения геометрических параметров растений путем расширения функциональных возможностей устройства за счет дополнительного определения показателей развитости надземной части растений - площади поперечного сечения и диаметра штамба.

Технический результат в изобретении достигается тем, что в устройство для определения геометрических параметров растений, содержащее горизонтальную платформу с установленным на ней вертикальным штативом, снабженным приспособлением для подвеса растений, электронные весы с компенсатором тары, установленные на платформе, и сосуд с жидкостью, установленный на весах, введены датчик линейных перемещений приспособления для подвеса растений, которое выполнено в виде стрелы, жестко закрепленной в каретке, перемещающейся по направляющей вдоль штатива с помощью механического привода, и снабжено зажимом для закрепления растений, а также микропроцессорный измеритель геометрических параметров растений. При этом микропроцессорный измеритель геометрических параметров растений состоит из кнопок управления, модуля памяти, шифратора, буквенно-цифрового жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и микроконтроллера, первый вход которого соединен с выходом датчика линейных перемещений приспособления для подвеса растений, второй вход соединен с выходом электронных весов, третий вход подключен к модулю памяти, четвертый вход соединен с выходом шифратора, входы которого соединены с кнопками управления, а выход микроконтроллера подключен к буквенно-цифровому ЖКИ. Механический привод обеспечивает погружение и подъем растений в жидкость и может быть выполнен либо фрикционным, либо шестеренчатым, либо червячным, приводимым в действие оператором вручную или с помощью микроэлектродвигателя. Зажим для закрепления растений выполнен в виде прищепки с нетравмирующими губками, охватывающими штамб растения. Зажим с растениями установлен так, что корни при погружении в жидкость не касаются стенок и дна сосуда, таким образом, исключается действие сил трения и сжатия на значение выталкивающей силы. На вертикальном штативе, который выполнен поворачивающимся относительно горизонтальной платформы вокруг своей вертикальной оси, закреплен датчик линейных перемещений. Установка датчика линейных перемещений и приспособления для подвеса растений на одном и том же штативе обеспечивает постоянство их взаимного положения при поворотах штатива. Таким образом, совокупность названных признаков предлагаемого технического решения позволяет, кроме объема корней, определять объем и длину любого участка штамба растения и, следовательно, площадь поперечного сечения и диаметр цилиндра, объем которого эквивалентен объему выбранного участка штамба растения, близкого по форме к цилиндру. Объем участка штамба растения определяется по выталкивающей силе, измеряемой электронными весами путем предварительного их обнуления компенсатором тары при погружении растения до нижней границы выбранного участка штамба и считывания показаний весов при погружении растения до верхней границы выбранного участка штамба, а его длина - датчиком линейных перемещений приспособления для подвеса растений как величина его перемещения при погружении растения от нижней до верхней границ выбранного участка штамба. По данным электронных весов и датчика линейных перемещений микроконтроллером микропроцессорного измерителя определяются сначала объем (с учетом значения плотности жидкости), а затем площадь поперечного сечения и диаметр выбранного участка штамба как отношение его объема к длине и из геометрического соотношения площади и диаметра окружности соответственно. Микроконтроллер, кроме того, обеспечивает вывод результатов измерения объема корней, площади поперечного сечения и диаметра штамба на экран буквенно-цифрового ЖКИ и запись их в модуль памяти вместе с атрибутами объекта и режима измерений (датой; порядковым номером, наименованием и возрастом растения; значением плотности жидкости), а также запись в модуль памяти промежуточных результатов измерений (объема и длины выбранного участка штамба) и их извлечение для вычислений площади поперечного сечения и диаметра штамба. Атрибуты объекта и режима измерений, а также определяемые параметры («Объем корней», «Площадь поперечного сечения штамба», «Диаметр штамба») вводятся и выбираются кнопками управления через шифратор. Повышение производительности выполнения контрольных операций достигается за счет совмещения в одном устройстве нескольких контрольных операций: определения объема корней, площади поперечного сечения штамба и диаметра штамба.

На фиг.1 изображен рисунок, поясняющий принцип действия устройства для определения геометрических параметров растений, а на фиг.2 - структурная схема устройства для определения геометрических параметров растений.

Устройство для определения геометрических параметров растений состоит из горизонтальной платформы 1 с установленным на ней, поворачивающимся вокруг своей оси, вертикальным штативом 2, снабженным приспособлением для подвеса растений 3 и закрепленным фиксатором 4, датчиком линейных перемещений 5, трос 6 которого прикреплен к приспособлению для подвеса растений 3, каретка 7 которого выполнена перемещающейся по направляющей вдоль штатива 2 при вращении оператором ручки 8 фрикционного механического привода (на фигурах не показан), а зажим 9 - в виде прищепки с нетравмирующими губками 10, охватывающими штамб 11, электронными весами 12 с кнопкой 13 компенсатора тары, на которых помещен сосуд 14 с жидкостью, например дистиллированной водой 15, и микропроцессорным измерителем 16 геометрических параметров растений, соединенным кабелями связи (на фигурах не показаны) с электронными весами 12, датчиком линейных перемещений 5 и источником питания (на фигурах не показан). Для раскрытия губок 10 рукой предусмотрены хвостовики 17. Вертикальный штатив 2 установлен во втулку 18, закрепленную винтами на горизонтальной платформе 1 и снабженную фиксатором 19, предотвращающим вращение вертикального штатива 2 в рабочем состоянии. Для поворота вертикального штатива 2 вокруг своей оси в его верхней части предусмотрена ручка 20. Микропроцессорный измеритель 16 геометрических параметров растений состоит из кнопок управления 21, модуля памяти 22, шифратора 23, буквенно-цифрового ЖКИ 24 и микроконтроллера 25, первый вход которого соединен с выходом датчика линейных перемещений 5, второй вход соединен с выходом электронных весов 12, третий вход подключен к модулю памяти 22, а четвертый вход соединен с выходом шифратора 23, входы которого соединены с кнопками управления 21, при этом выход микроконтроллера 25 подключен к буквенно-цифровому ЖКИ 24. Приспособление для подвеса растений 3 для возможного сопряжения с электронными весами 12 и сосудами 14 разных размеров может быть выполнено с регулируемой длиной. Датчик линейных перемещений 5 может быть и бесконтактным, например лазерным. При установке датчиков линейных перемещений 5 трос 6 и луч лазера не должны иметь отклонения от вертикальной оси.

Устройство для определения геометрических параметров растений работает следующим образом. Перед началом измерений на весы 12 устанавливается сосуд 14 с дистиллированной водой 15, размеры и вес которого соответствуют размерам корневой системы 26 исследуемого растения и пределу измерений электронных весов 12. Кнопками управления 21 устройство включается и переводится в режим «Программирование» для ввода атрибутов объекта и режима измерений (даты; порядкового номера, наименования и возраста растения; значения плотности жидкости - дистиллированной воды 0,998 г/см³) в модуль памяти 22 посредством шифратора 23 и под управлением программы микроконтроллера 25. Для определения геометрических параметров растений кнопками управления 21 устройство переводится в режим «Работа», производится сброс устройства в нулевое состояние кнопкой 13 компенсатора тары электронных весов 12 и запуск режима измерений «Объем корней». Затем производится установка исследуемого растения в зажим 9. Для этого ручкой 8 приспособление для подвеса растений 3 поднимается на необходимую высоту, вертикальный штатив 2 освобождается фиксатором 19 и поворачивается оператором с помощью ручки 20 так, чтобы зажим 9 не находился над сосудом 14 с водой 15. Губки 10 зажима 9 раздвигаются путем сжимания хвостовиков 17 рукой. Между губками 10 помещается штамб 11 растения, который закрепляется при отпускании хвостовиков 17. После установки исследуемого растения в зажим 9 вертикальный штатив 2 поворачивается оператором ручкой 20 так, чтобы растение оказалось примерно над центром сосуда 14 с водой 15, и зажимается фиксатором 19. Затем ручкой 8 механического привода корни 26 растения погружаются в воду 15 до нижней границы штамба 11 так, чтобы они не касались дна и стенок сосуда 14. При этом электронные весы 12 в единицах силы (гс) измеряют вес воды, вытесненной корнями 26, значение которого в цифровом коде подается на второй вход микроконтроллера 25, где путем деления на значение плотности жидкости (0,998 г/см³ для воды) вычисляется объем корней 26 и его значение отображается на буквенно-цифровом ЖКИ 24 в единицах объема (см³), а при нажатии соответствующей кнопки управления 21 запоминается в модуле памяти 22. Для оценки показателей развитости надземной части растение аналогичным образом погружается в воду 15 так, чтобы ее уровень соответствовал нижней границе выбранного участка штамба 11, после чего кнопкой 13 компенсатора тары электронных весов 12 производится сброс устройства в нулевое состояние и погружение растения в воду 15 до верхней границы выбранного участка штамба 11, а кнопками управления 21 производится запуск режима измерений «Площадь поперечного сечения штамба». При этом электронные весы 12 измеряют вес воды, вытесненной выбранным участком штамба 11, а датчик линейных перемещений 5 - его длину. Цифровые коды с выходов электронных весов 12 и датчика линейных перемещений 5 поступают соответственно на второй и первый входы микроконтроллера 25, где объем выбранного участка штамба 11 вычисляется аналогично объему корней 26, а площадь поперечного сечения выбранного участка штамба 11 - как отношение его объема к длине. Значение площади поперечного сечения штамба 11 отображается на буквенно-цифровом ЖКИ 24 в единицах площади (см²), а при нажатии соответствующей кнопки управления 21 запоминается в модуле памяти 22. Значение диаметра штамба 11 вычисляется микроконтроллером 25 и запоминается в модуле памяти 22 при запуске кнопками управления 21 режима измерений «Диаметр штамба», исходя из известного геометрического соотношения площади и диаметра окружности:

S=πD²/4,

где S - площадь поперечного сечения штамба;

π - число, равное 3,14;

D - диаметр штамба.

Изобретение может быть осуществлено, например, на базе следующих компонентов:

электронных весов 12 ХР12002М фирмы МЕТТЛЕР ТОЛЕДО [URL:http://www.mtrus.com];

горизонтальной платформы 1, вертикального штатива 2 и механического привода - от фотоувеличителя;

датчика линейных перемещений 5 SX50 (тросового) или LAS-Z (лазерного бесконтактного) [URL:http://www.sensor-systems.ru];

микроконтроллера 25 на микросхеме PIC16F876;

шифратора 23 на микросхеме К555ИВ1;

модуля памяти 22 на микросхеме FM24C64 или, как вариант, в составе микроконтроллера 25;

буквенно-цифрового ЖКИ 24 компании Fordata (16×2, светодиодная подсветка) с управляющим ядром на микроконтроллере SunPlus780D.

1. Устройство для определения геометрических параметров растений, содержащее горизонтальную платформу с установленным на ней вертикальным штативом, снабженным приспособлением для подвеса растений, электронные весы с компенсатором тары, установленные на платформе, и сосуд с жидкостью, установленный на весах, отличающееся тем, что в него введены датчик линейных перемещений приспособления для подвеса растений, которое выполнено в виде стрелы, жестко закрепленной в каретке, перемещающейся по направляющей вдоль штатива с помощью механического привода, и снабжено зажимом для закрепления растений, а также микропроцессорный измеритель геометрических параметров растений.

2. Устройство для определения геометрических параметров растений по п.1, отличающееся тем, что микропроцессорный измеритель геометрических параметров растений состоит из кнопок управления, модуля памяти, шифратора, буквенно-цифрового жидкокристаллического индикатора и микроконтроллера, первый вход которого соединен с выходом датчика линейных перемещений приспособления для подвеса растений, второй вход соединен с выходом электронных весов, третий вход подключен к модулю памяти, а четвертый вход соединен с выходом шифратора, входы которого соединены с кнопками управления, при этом выход микроконтроллера подключен к буквенно-цифровому жидкокристаллическому индикатору.

3. Устройство для определения геометрических параметров растений по п.1, отличающееся тем, что механический привод выполнен либо фрикционным, либо шестеренчатым, либо червячным, приводимым в действие оператором вручную или с помощью микроэлектродвигателя.

4. Устройство для определения геометрических параметров растений по п.1, отличающееся тем, что зажим для закрепления растений выполнен в виде прищепки с нетравмирующими губками, охватывающими штамб растения, и установлен так, что корни растения при погружении в жидкость не касаются стенок и дна сосуда.

5. Устройство для определения геометрических параметров растений по п.1, отличающееся тем, что датчик линейных перемещений закреплен на вертикальном штативе, который выполнен поворачивающимся относительно горизонтальной платформы вокруг своей вертикальной оси.