Спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин

Номер патенту: 101864

Опубліковано: 13.05.2013

Автор: Кондратов Владислав Тимофійович

Є ще 1 сторінка.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, заснований на формуванні нормованого за значенням потужності Ф0 потоку оптичного випромінювання, опроміненні досліджуваного зразка листка рослин відомого виду з відомою спектральною характеристикою хлорофілу а i хлорофілу b, з нормованою за значенням площею sx, але з невідомою за значенням концентрацією Cx хлорофілу та з невідомим за значенням коефіцієнтом kпх перекриття хлорофілу, виділенні з відбитого і послабленого потоку оптичного випромінювання оптичних сигналів на заданих довжинах хвиль, перетворенні потужностей цих сигналів у напруги, вимірюванні останніх, запам'ятовуванні отриманих значень напруг та визначенні дійсного значення поверхневої концентрації хлорофілу за відомим рівнянням вимірювань, який відрізняється тим, що апріорі задають типові значення коефіцієнта к'пх перекриття хлорофілу у листках досліджуваної рослини та коефіцієнта розсіювання кр, вирівнюють спектральні характеристики вимірювальних каналів, формують потік оптичного випромінювання з нормованою за значенням потужністю Ф0 та у відповідності до виду зразка листка рослини, перетворюють його на робочих довжинах хвиль у напругу U0, вимірюють та запам'ятовують її значення, встановлюють і опромінюють зразок листка сформованим потоком оптичного випромінювання заданої потужності, з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі λ1, що відповідає рівності максимальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а i хлорофілу b, тобто k'λ1=k''λ1=kλ1, перетворюють його у напругу U1, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги та значення коефіцієнту поглинання kλ1, потім з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі λ2, що відповідає рівності мінімальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а i хлорофілу b, тобто k'λ2=k''λ2=kλ2, перетворюють його у напругу U2, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги та значення коефіцієнту поглинання kλ2, далі з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі λ3, що відповідає максимальному значенню коефіцієнту поглинання хлорофілу b, тобто kλ3, отриманий оптичний сигнал перетворюють у напругу U3, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення та значення коефіцієнту поглинання kλ3, виключають дію відбитого потоку оптичного випромінювання на фотоприймач вимірювального каналу, перетворюють у напругу U4 вихідний сигнал вимірювального каналу, а про дійсне значення поверхневої концентрації хлорофілу судять за рівнянням вимірювань, представленому у неявному виді:

,

де к'пх - задане значення коефіцієнту перекриття хлорофілу, U1, U2, U3, U4 - напруги на виході вимірювального каналу, які отримані при різних умовах, U0 - напруга на виході вимірювального каналу при відсутності зразків листків рослин відомого виду, (U0=S'л1kф1Ф0=S'л2kф2Ф0=S'л3kф3Ф0, де S'л1 - крутість перетворення вимірювального каналу на довжині хвилі λ1 на час вимірювання), де S'л2 - крутість перетворення вимірювального каналу на довжині хвилі λ2 на час вимірювання, де S'л3 - крутість перетворення вимірювального каналу на довжині хвилі λ3 на час вимірювання, де kф1 - коефіцієнт передачі потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ1, де kф2 - коефіцієнт передачі потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ2, де kф3 - коефіцієнт передачі потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ3, де Ф0 - нормований за значенням потужності потік оптичного випромінювання), причому значення Сm - максимально допустима концентрація досліджуваного матеріалу чи речовини у %, Cх - дійсна поверхнева концентрація досліджуваного матеріалу чи речовини у % площею sx, kλ1 - коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ1, kλ2 - коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ2, - калібрувальний коефіцієнт (), де Воп - показник послаблення оптичних елементів, Впз - показник забруднення та запотівання оптичних елементів, що використовуються, kp - коефіцієнт розсіювання, причому питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням величин:

Cхп=Сх/sх.

Текст

Реферат: Винахід належить до області вимірювальної техніки і може бути використаний при створенні високоточних вимірювачів поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин різних видів. Об'єктом винаходу є спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, в якому апріорі задають типові значення коефіцієнта k ' пх перекриття хлорофілу у листках досліджуваної рослин та коефіцієнту розсіювання k p , вирівнюють спектральні характеристики вимірювальних каналів, формують потік оптичного випромінювання з нормованою за значенням потужністю Ф 0 та у відповідності до виду зразка листка ростини, перетворюють його на робочих довжинах хвиль у напругу U0 , вимірюють та запам'ятовують її значення, встановлюють і опромінюють зразок листка сформованим потоком оптичного випромінювання заданої потужності, з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі  1 , що відповідає рівності максимальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а і хлорофілу b, тобто k' 1  k" 1  k 1 , перетворюють його у напругу U1 , вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги та значення коефіцієнту поглинання k 1 , потім з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі  2 , що відповідає рівності мінімальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а i хлорофілу b, тобто k' 2  k" 2  k 2 , перетворюють його у напругу U 2 , вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги та значення коефіцієнту поглинання k 2 , далі з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі  3 , що відповідає максимальному значенню коефіцієнту поглинання хлорофілу b, тобто k 3 , а отриманий оптичний сигнал перетворюють у напругу U3 , вимірюють її, запам'ятовують отримане та значення коефіцієнту поглинання k 3 , виключають дію відбитого потоку оптичного UA 101864 C2 (12) UA 101864 C2 випромінювання на фотоприймач вимірювального каналу та перетворюють у напругу U 4 вихідний сигнал вимірювального каналу. UA 101864 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до галузі вимірювальної техніки і може бути використаний при створенні засобів вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин різних видів. Відомий спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин http://www.bsu.ru/content/hecadem/bahanova_mv/ cl_718/files/mzip 618 _14705/index.htm, який полягає у тому, що досліджуваний зразок листка розтирають, роблять спиртову витяжку хлорофілу, заливають її в кювету і спектрофотометричним методом визначають концентрацію хлорофілу у розчині. Отримане значення перераховують у поверхневу густину з урахуванням відомої площі досліджуваного зразка. Однак дослідження показали (http://www.bsu.ru/content/hecadem/bahanova_mv/ cl_718/files/mzip_618_ 14705/index.htm. 5.5. Химические свойства хлорофилла), що властивості хлорофілу, який міститься у листі і виділений з листка, різні, тому що у листі він знаходиться у комплексному з'єднанні з білком. Відомому способу притаманні недостатня точність визначення поверхневої концентрації, яка обумовлена невідповідністю показників поглинання нативного хлорофілу та виділеного, впливом запотівання та забруднення оптичних елементів вимірювача на кінцевий результат, а також нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу обумовленою дією зовнішніх дестабілізуючих факторів. Відомий спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин (Красников В.В. и др. Спектральный люминисцентный анализ пищевых продуктов / В.В. Красников, Е.И. Тимошкин, А.В. Титкова. - М.: Агропромиздат, 1987. с. 23-29), оснований на формуванні нормованого за значенням потужності Ф0 потоку оптичного випромінювання, опроміненні досліджуваного зразка листка рослин відомого виду з відомою спектральною характеристикою хлорофілу а и хлорофілу b, з нормованою за значенням площею s0, але з невідомою за значенням концентрацією Сх хлорофілу та з невідомим за значенням коефіцієнтом kпх перекриття хлоропластами площі зразка листка, виділенні з відбитого і послабленого потоку оптичного випромінювання оптичних сигналів на заданих довжинах хвиль, перетворенні потужностей цих сигналів у напруги, вимірюванні останніх, запам'ятовуванні отриманих значень напруг та визначенні дійсного значення поверхневої концентрації хлорофілу за відомим рівнянням вимірювань, запам'ятовуванні отриманих значень напруг та визначенні дійсного значення поверхневої концентрації хлорофілу за відомим рівнянням вимірювань. Відомому способу притаманні недостатня точність визначення концентрації, яка обумовлена впливом запотівання та забруднення оптичних елементів вимірювача на кінцевий результат, нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів, а також труднощами у визначенні коефіцієнта перекриття хлоропластами зразка листка з невідомою поверхневою концентрацією. Відомий спосіб визначення концентрації хлорофілу у листах рослин (Войтович И.Д., Корсунский В.М. Интеллектуальные сенсоры. БИНОМ. Лаборатория знаний, Интернетуниверситет информационных технологий - ИНТУИТ.ру, 2009), заснований на формуванні нормованого за значенням потужності Ф0 потоку оптичного випромінювання, опроміненні досліджуваного зразка листка рослини з нормованими за значенням площею, товщиною і невідомим значенням поверхневої концентрації хлорофілу протягом заданого інтервалу часу, виділенні першого потоку оптичного випромінювання Ф1 на довжині хвилі λК та другого потоку Ф2 ИК К на довжині хвилі λИК, перетворенні їх потужностей у напруги U(Л ) та U(Л ) , вимірюванні їх, запам'ятовуванні отриманих значень та визначенні дійсного значення концентрації Сх хлорофілу за відомим рівнянням вимірювань   (К ) С х  ln  U(ИК) U(К )  1   U(ИК) k ПК , Л Л Л ИК де U(Л ) - напруга, пропорційна інтенсивність сумарного потоку оптичного випромінювання, (К ) що пройшов через досліджуваний зразок листка на інфрачервоній (опорній) довжини хвилі; U Л - напруга, пропорційна інтенсивності потоку оптичного випромінювання, що пройшов через 50 55 (К ) досліджуваний зразок листка на червоній довжині хвилі; k ПХ - питомий коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання хлорофілом; α - коефіцієнт перекриття. Відомому способу притаманна недостатня точність визначення поверхневої концентрації, яка обумовлена необхідністю апріорного визначення значення питомого коефіцієнту поглинання потоку оптичного випромінювання хлорофілом та значення коефіцієнту перекриття досліджуваного зразка листка хлорофілом. Крім того, недостатня точність визначення поверхневої концентрації обумовлена зменшенням потужності потоків оптичного випромінювання, що вимірюється, за рахунок розсіювання потоку у зразку, поглинання його запітнілими (пітними) та забрудненими оптичними елементами вимірювача. Крім того, 1 UA 101864 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 недостатня точність вимірювання обумовлена нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів та їх абсолютних значень. Поставлена технічна задача створення такого способу визначення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, в якому, шляхом введення нових операцій вимірювання, нового порядку і умов їх проведення, забезпечилось би підвищення точності визначення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин за рахунок виключення впливу на кінцевий результат похибок, обумовлених послабленням потужності потоків оптичного випромінювання за рахунок запотівання та забрудненням оптичних елементів вимірювача, неточного вибору коефіцієнту перекриття, виключення систематичних похибок, обумовлених нестабільністю параметрів функції перетворення вимірювального каналу під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів та їх абсолютних значень. Вирішення поставленої технічної задачі досягається тим, що спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, заснований на формуванні нормованого за значенням потужності Ф0 потоку оптичного випромінювання, опроміненні досліджуваного зразка листка рослин відомого виду з відомою спектральною характеристикою хлорофілу а i хлорофілу b, з нормованою за значенням площею sx, але з невідомою за значенням концентрацією Сх хлорофілу та з невідомим за значенням коефіцієнтом kпх перекриття хлорофілу, виділенні з відбитого і послабленого потоку оптичного випромінювання оптичних сигналів на заданих довжинах хвиль, перетворенні потужностей цих сигналів у напруги, вимірюванні останніх, запам'ятовуванні отриманих значень напруг та визначенні дійсного значення поверхневої концентрації хлорофілу за відомим рівнянням вимірювань, від відомих відрізняється тим, що апріорі задають типові значення коефіцієнта k'пх перекриття хлорофілу у листках досліджуваної рослин та коефіцієнта розсіювання kр, вирівнюють спектральні характеристики вимірювальних каналів, формують потік оптичного випромінювання з нормованою за значенням потужністю Ф0 та у відповідності до виду зразка листка ростини, перетворюють його на робочих довжинах хвиль у напругу U0, вимірюють та запам'ятовують її значення, встановлюють і опромінюють зразок листка сформованим потоком оптичного випромінювання заданої потужності, з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі λ1, що відповідає рівності максимальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а i хлорофілу b, тобто k'λ1=k"λ1=kλ1, перетворюють його у напругу U1, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги та значення коефіцієнту поглинання kλ1, потім з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі λ2, що відповідає рівності мінімальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а i хлорофілу b, тобто k'λ2=k"λ2=kλ2, перетворюють його у напругу U2, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги та значення коефіцієнту поглинання k λ2, далі з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі λ3, що відповідає максимальному значенню коефіцієнту поглинання хлорофілу b, тобто kλ3, отриманий оптичний сигнал перетворюють у напругу U3, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення та значення коефіцієнту поглинання k λ3, виключають дію відбитого потоку оптичного випромінювання на фотоприймач вимірювального каналу, перетворюють у напругу U4 вихідний сигнал вимірювального каналу, а про дійсне значення поверхневої концентрації хлорофілу судять за рівнянням вимірювань, представленому у неявному виді: U3  U4 U1  U2  k 1Cx  Cm Cx k p s x k C  C C k s   e  e 2 x m x p x  , kкU3k'пх U0  U4 45 50 55     де k'пх - задане значення коефіцієнту перекриття хлорофілу; U1, ..., U4 - напруги на виході вимірювального каналу, які отримані при різних умовах; U0 - напруга на виході вимірювального каналу при відсутності зразків листків рослин відомого виду; (U0=S'л1kф1Ф0=S'л2kф2Ф0=S'л3kф3Ф0, де S'л1 - крутість перетворення вимірювального каналу на довжині хвилі λ 1 на час вимірювання); S'л2 - крутість перетворення вимірювального каналу на довжині хвилі λ 2 на час вимірювання; S'л3 - крутість перетворення вимірювального каналу на довжині хвилі λ 3 на час вимірювання); kф1 коефіцієнт передачі потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ 1; kф2 - коефіцієнт передачі потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ 2; kф3 - коефіцієнт передачі потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ 3; Ф0 - нормований за значенням потужності потік оптичного випромінювання; Сm - максимально допустима концентрація досліджуваного матеріалу чи речовини, у %; Сх - дійсна концентрація досліджуваного матеріалу чи речовини, у %; kλ1 - коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ1; kλ2 коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ 2; kк калібрувальний коефіцієнт ( k  e B оп  B пз  ), В - показник послаблення оптичних елементів; В к оп пз 2 UA 101864 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 - показник забруднення та запотівання оптичних елементів, що використовуються; k р коефіцієнт розсіювання. На рисунку наведена функціональна схема пристрою для визначення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, де 1 - джерело оптичного випромінювання, 2 діафрагма, 3 - оптична система, що складається з напівпрозорого дзеркала 4 і системи лінз 5; 6 - досліджуваний об'єкт (зразок листка рослини); 7 - предметний стіл; 8 - конфокальна діафрагма; 9 - блок оптичних фільтрів; 10 - імерсійний фотоприймач з керованим коефіцієнтом підсилення; 11 - цифровий милівольтметр. Сутність запропонованого способу визначення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин полягає у формуванні нормованого за значенням потужності Ф 0 потоку оптичного випромінювання, опроміненні досліджуваного зразка листка рослин відомого виду з відомою спектральною характеристикою хлорофілу а i хлорофілу b, з нормованою за значенням площею s0, але з невідомою за значенням концентрацією Сх хлорофілу та з невідомим за значенням коефіцієнтом kпх перекриття хлорофілу, виділенні з відбитого і послабленого потоку оптичного випромінювання оптичних сигналів на заданих довжинах хвиль, перетворенні потужностей цих сигналів у напруги, вимірюванні останніх, запам'ятовуванні отриманих значень напруг та визначенні дійсного значення поверхневої концентрації хлорофілу за відомим рівнянням вимірювань. Формування нормованого за значенням потужності Ф0 потоку оптичного випромінювання здійснюється в залежності від виду рослини. Це обумовлено тим, що поглинаючі властивості та структура листків рослин різні, як й різні спектральні характеристики цих рослин. Припустимо, що функція перетворення вимірювального каналу описується рівнянням величин Ux=SлФx+ΔU0, (1) де Sл - номінальна за значенням крутість перетворення; Фх - потік оптичного випромінювання, що містить інформацію про концентрацію хлорофілу; ΔU0 - зміщення функції перетворення вимірювального каналу, яке не залежить від потужності потоку оптичного випромінювання та його довжини хвилі. Реальна функція перетворення вимірювального каналу має вигляд: Ux=S'лФх+ΔU'0=(Sл±ΔS)Фx+(ΔU0±Δa)=(SлФх+ΔU0)±(Δа+Δмп), (2) де S'л=S'л(1+γл) - крутість перетворення потоку оптичного випромінювання у напругу; γл=ΔSл/Sл; ΔSл - приріст крутості перетворення під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів на вимірювальний канал; Δа і Δмп - адитивна та мультиплікативна складові похибки вимірювання потужності потоку оптичного випромінювання. Згідно з законом Бугера - Ламберта - Бера, потік оптичного випромінювання, що проходить через досліджуваний оптично прозорий матеріал чи речовину, послаблюється за  k  C x  C m  C x k p s x  В оп  В пз  експоненціальним законом , де k - коефіцієнт поглинання Ф х  Ф0 е  50 55 λ потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ; Сm - максимально допустима концентрація досліджуваного матеріалу чи речовини, у %; Сх - концентрація досліджуваного матеріалу чи речовини, у %; k р - коефіцієнт розсіювання потоку оптичного випромінювання; sx задана за значенням площа досліджуваного матеріалу чи речовини; Воп - показник послаблення оптичних елементів; Впз - показник забруднення та запотівання оптичних елементів, що використовуються. Оскільки в запропонованому способі вимірюється потужність відбитого від досліджуваної речовини потоку оптичного випромінювання, причому не від всієї поверхні, а від її частини, то математична модель процесу перетворення концентрації у напругу опишеться, у даному випадку, рівнянням величин  k C  C  C k s  В  В   k s  В  В    Ui  S' л k фі Ф 0 1  k пх е  1  k пх е  U'01       , де U1 - напруга, яка отримана в результаті перетворення потужності відбитого від зразка листка потоку оптичного випромінювання; S'лi - крутість перетворення потоку оптичного випромінювання у напругу на робочій довжині хвилі kλi на момент проведення вимірювання, причому {S'лі}={Sлі}(1+γлі), Sлі - номінальна за значенням крутість потоку оптичного випромінювання у напругу на момент введення в дію засобу вимірювання; γ лі={ΔSі}/{Sлі} відносна похибка перетворення (чутливості) оптико-електронного каналу від зміни параметрів лінійної функції перетворення під дією дестабілізуючих факторів; kλ - коефіцієнти поглинання потоку оптичного випромінювання на робочій довжині хвилі; kфі - коефіцієнти передачі і-го фільтру на робочій довжині хвилі; k р - коефіцієнт розсіювання потоку оптичного випромінювання зразком листка заданої площі; sx - площа поверхні зразка листка рослини (наперед задана і m і p x оп пз p 3 x оп пз UA 101864 C2 5 10 15 20 (нормована) за значенням); ΔU'0 - зміщення функції перетворення від дії дестабілізуючих факторів; kпх - коефіцієнт перекриття хлоропластами зразків листка рослини. Згідно з запропонованим способом, апріорі задають типові значення коефіцієнту перекриття хлорофілу в межах 0,85≤k'пх≤0,95 та значення коефіцієнту розсіювання в межах (0,001≤k p≤0,5). Вирівнюють спектральні характеристики вимірювальних каналів, тобто забезпечують виконання умови U0=S'л1kф1Ф0=S'л2kф2Ф0=S'л3kф3Ф0, де kф1 - коефіцієнт передачі оптичного фільтра на довжині хвилі λ1; kф2 - коефіцієнт передачі оптичного фільтра на довжині хвилі λ 2; kф3 коефіцієнт передачі оптичного фільтра на довжині хвилі λ 3. Далі формують потік оптичного випромінювання з нормованою за значенням потужністю Ф 0 та у відповідності до виду зразка листка ростини. Перетворюють потік оптичного випромінювання на робочих довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3 у рівні між собою напруги U0λ1, U0λ2 i U0λ3, значення яких рівні між собою, тобто {U0λ1}={U0λ2}={U0λ3}={U0}. Вимірюють та запам'ятовують її значення N0=S0U0, де S0 - крутість аналого-цифрового перетворення. Встановлюють і опромінюють зразок листка сформованим потоком оптичного випромінювання заданої потужності. З відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал Ф1 на довжині хвилі λ1, що відповідає рівності максимальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а i хлорофілу b, тобто k'λ1=k"λ1=kλ1. Отриманий оптичний сигнал перетворюють у напругу  k C  C  C k s  В  В   k s  В  В    U1  U0 1  k пх е  1  k пх е  U'01   (1)     , де U0=U0λ1=S'л1kф1Ф0; S'л1 - крутість перетворення на довжині хвилі λ1. Напругу (1) вимірюють, а отримане значення N1=S0U1 та значення коефіцієнту поглинання kλ1 запам'ятовують. Потім з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал Ф2 на довжині хвилі λ2, що відповідає рівності мінімальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а i хлорофілу b, тобто k'λ2=k"λ2=kλ2. Отриманий оптичний сигнал перетворюють у напругу 1 25 U2  U0 1  k пх е     30 x m x p оп x   45 оп x   1  k е  k пх пз psx  В оп  В пз    U'   (2) , де U0=U0λ2=S'л2kф2Ф0; S'л2 - крутість перетворення на довжині хвилі λ2. Напругу (2) вимірюють, а отримане значення N2=S0U2 та значення коефіцієнту поглинання kλ2 запам'ятовують. Далі з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал Ф3 на довжині хвилі λ3, що відповідає максимальному значенню коефіцієнту поглинання хлорофілу b, тобто kλ3. Отриманий оптичний сигнал перетворюють у напругу  k C  C  C k s  В  В   k s  В  В    U3  U0 1  k пх е  1  k пх е  U'01 (3)       , де U0=U0λ3=S'л3kф3Ф0; S'л3 - крутість перетворення на довжині хвилі λ3. Напругу (3) вимірюють, а отримане значення N3=S0U3 та значення коефіцієнту поглинання kλ3 запам'ятовують. Виключають дію відбитого потоку оптичного випромінювання на фотоприймач вимірювального каналу. При нульовому значенні оптичного сигналу у напругу  k C  C  C k s  В  В   k s  В  В    U4  U00 1  k пх е  1  k пх е  U'01  U'01 (4)       , де U00=S'л3kф3Ф00 - нульове значення напруги, отримане при нульовому значенні оптичного сигналу, тобто при {Ф00}=0, перетворюють вихідний сигнал вимірювального каналу. Напругу (4) вимірюють, а отримане значення N4=S0U4 запам'ятовують. Дійсне значення поверхневої концентрації Сх хлорофілу визначають за рівнянням вимірювань, представленому у неявному виді: U3  U4 U1  U2   k 1C x  Cm  C x k p s x  k C  Cm  C x k p s x    e  e 2 x (5)    , k кU3k'пх U0  U4 x m x p x 3 40 p  k  2 C x  C m  C x k p s x  В оп  В пз 3 35 пз x m x p x оп оп пз пз p p оп x x оп 01 пз пз де kк - корегувальний коефіцієнт ( k к  e B оп  B пз  ). Далі питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням величин Сx=Сx/sx. 4 UA 101864 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Як видно з лівої частини рівності (5), при виконанні операцій віднімання та ділення автоматично виключаються адитивна та мультиплікативна складові систематичної похибки вимірювання. Оскільки при вимірюваннях виконується операція вирівнювання спектральних характеристик вимірювальних каналів, то на результат вимірювання не впливають довгострокова нестабільність потужності потоку оптичного випромінювання Ф0 та нестабільність коефіцієнтів передачі потоку оптичного випромінювання на довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3. Тобто значення напруги U0 весь час підтримується високоточним. Дослідження показали, що дії на результат вимірювання значення та нестабільності показника послаблення оптичних елементів Воп, значення та нестабільності показника забруднення та запотівання оптичних елементів Впз і значення коефіцієнта розсіювання kр дуже малі, тобто призводять до зміни значення похибки другого порядку малості, якою можна знехтувати чи урахувати при вимірюванні зразка листка з відомою за значенням поверхневою концентрацією C0 хлорофілу. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує підвищення точності вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу. Пояснимо сутність запропонованого способу вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослинна на прикладі роботи пристрою, функціональна схема якого наведена на рисунку. Робота пристрою складається з чотирьох тактів вимірювання і одного такту обчислення. Значення коефіцієнтів поглинання хлорофілу а і хлорофілу b апріорі визначаються за спектральними характеристиками, тобто відомі. Апріорі задають значення, наприклад, kр=0,1 і k'пх=0,9. Потік оптичного випромінювання, що генерує джерело 1, поступає, через діафрагму 2, напівпрозоре дзеркало 4 і об'єктив 5 на зразок листка 6 рослини, що розташований на предметному столі 7. Відбитий потік оптичного випромінювання за допомогою об'єктиву 5 фокусується на напівпрозоре дзеркало 4, відбивається від нього і через конфокальну діафрагму 8 і систему фільтрів 9 поступає на імерсійний фотоприймач 10 (з підсилювачем). Вихідна напруга фотоприймача вимірюється за допомогою цифрового мілівольтметру 11. В залежності від того, який оптичний фільтр підключений на вході імерсійного фотоприймача, здійснюється виділення оптичного сигналу на заданій довжини хвилі, зміна коефіцієнту підсилення фотоприймача 10 (ручне керування) та підсилення зазначеного сигналу у задане число разів. У першому такті вимірювання ручним способом на шляху оптичного сигналу розмішується оптичний фільтр 9 з центральною довжиною хвилі λ1 та встановлюється перше значення коефіцієнта підсилення фотоприймача, тобто S'л1. На виході цифрового мілівольтметру 11 з'являється напруга (1), значення N 1=S0U1 якої висвітлюється на індикаторі мілівольтметру. Це значення запам'ятовується. У другому такті вимірювання ручним способом на шляху оптичного сигналу розміщується оптичний фільтр 9 з центральною довжиною хвилі λ2 та встановлюється друге значення коефіцієнта підсилення фотоприймача, тобто S'л2. На виході цифрового мілівольтметру 11 з'являється напруга (2), значення N 1=S0U1 якої висвітлюється на індикаторі мілівольтметру. Отримане значення запам'ятовується. У третьому такті вимірювання ручним способом на шляху оптичного сигналу розміщується оптичний фільтр 9 з центральною довжиною хвилі λ3 та встановлюється третє значення коефіцієнта підсилення фотоприймача, тобто S'л3. На виході цифрового мілівольтметру 11 з'являється напруга (3), значення N 3=S0U3 якої висвітлюється на індикаторі мілівольтметру. Це значення також запам'ятовується. У четвертому такті вимірювання ручним способом на шляху оптичного сигналу розміщується непрозорий оптичний фільтр 9 (фільтр-заслінка). На виході цифрового мілівольтметру 11 з'являється напруга (4), значення N4=S0U4 якої висвітлюється на індикаторі мілівольтметру. Отримане значення напруги запам'ятовується. За отриманими результатами вимірювань дійсне значення N Cx (чи {Cx}) поверхневої концентрації хлорофілу визначають за рівнянням вимірювань, представленому у неявному виді як рівняння числових значень: N3  N4 N1  N2  k 1 C x  Cm C x k p s x   k C  Cm C x k p s x    e  e 2 x (5)   . k кN3k'пх N0  N4  Питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням числових значень {Cxп}={Cx}/{sx}. 5 UA 101864 C2 При наявності випадкових похибок в кожному такті проводять від 10 до 34 чи від 35 до 100 вимірювань. Результати статистично оброблюють. Отримані середні значення N0 , N1 , N2 , N3 і N4 підставляють у (5) для визначення усередненого значення поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин. В результаті маємо: N3  N4 5 10  N1  N2 k к N3k'пх N0  N4  e      k 1 C x  C m  C x k p s x  e    k  2 C x  C m  C x k p s x     . У цьому випадку питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням числових значень C хп  C х  /s x . Таким чином, запропонований спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин забезпечує досягнення поставленої технічної задачі, тобто забезпечує автоматичне зменшення систематичних похибок вимірювання, а при багатократних вимірюваннях і статистичної обробки зменшує й випадкову складову похибки. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 Спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин, заснований на формуванні нормованого за значенням потужності Ф0 потоку оптичного випромінювання, опроміненні досліджуваного зразка листка рослин відомого виду з відомою спектральною характеристикою хлорофілу а i хлорофілу b, з нормованою за значенням площею s x, але з невідомою за значенням концентрацією C x хлорофілу та з невідомим за значенням коефіцієнтом kпх перекриття хлорофілу, виділенні з відбитого і послабленого потоку оптичного випромінювання оптичних сигналів на заданих довжинах хвиль, перетворенні потужностей цих сигналів у напруги, вимірюванні останніх, запам'ятовуванні отриманих значень напруг та визначенні дійсного значення поверхневої концентрації хлорофілу за відомим рівнянням ' вимірювань, який відрізняється тим, що апріорі задають типові значення коефіцієнта k пх перекриття хлорофілу у листках досліджуваної рослини та коефіцієнта розсіювання k р, вирівнюють спектральні характеристики вимірювальних каналів, формують потік оптичного випромінювання з нормованою за значенням потужністю Ф0 та у відповідності до виду зразка листка рослини, перетворюють його на робочих довжинах хвиль у напругу U 0, вимірюють та запам'ятовують її значення, встановлюють і опромінюють зразок листка сформованим потоком оптичного випромінювання заданої потужності, з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі λ 1, що відповідає рівності максимальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а i хлорофілу b, тобто ' '' k λ1=k λ1=kλ1, перетворюють його у напругу U1, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги та значення коефіцієнту поглинання k λ1, потім з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі λ 2, що відповідає рівності мінімальних значень коефіцієнтів поглинання хлорофілу а i хлорофілу b, тобто ' '' k λ2=k λ2=kλ2, перетворюють його у напругу U2, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги та значення коефіцієнту поглинання k λ2, далі з відбитого і послабленого за потужністю потоку оптичного випромінювання виділяють оптичний сигнал на довжині хвилі λ 3, що відповідає максимальному значенню коефіцієнту поглинання хлорофілу b, тобто kλ3, отриманий оптичний сигнал перетворюють у напругу U3, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення та значення коефіцієнту поглинання k λ3, виключають дію відбитого потоку оптичного випромінювання на фотоприймач вимірювального каналу, перетворюють у напругу U4 вихідний сигнал вимірювального каналу, а про дійсне значення поверхневої концентрації хлорофілу судять за рівнянням вимірювань, представленому у неявному виді: U3  U4 U1  U2  k 1C x  Cm C x k p s x  k  2 C x  Cm C x k p s x  ,   e  k кU3k'пх U0  U4  e   ' 50 55 де k пх - задане значення коефіцієнту перекриття хлорофілу, U1, U2, U3, U4 - напруги на виході вимірювального каналу, які отримані при різних умовах, U0 - напруга на виході вимірювального ' ' ' каналу при відсутності зразків листків рослин відомого виду, (U0=S л1kф1Ф0=S л2kф2Ф0=S л3kф3Ф0, ' де S л1 - крутість перетворення вимірювального каналу на довжині хвилі λ 1 на час вимірювання), ' де S л2 - крутість перетворення вимірювального каналу на довжині хвилі λ 2 на час вимірювання, ' де S л3 - крутість перетворення вимірювального каналу на довжині хвилі λ 3 на час вимірювання, де kф1 - коефіцієнт передачі потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ 1, де kф2 коефіцієнт передачі потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ 2, де kф3 - коефіцієнт передачі потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ 3, де Ф0 - нормований за 6 UA 101864 C2 значенням потужності потік оптичного випромінювання), причому значення С m - максимально допустима концентрація досліджуваного матеріалу чи речовини у %, C х - дійсна поверхнева концентрація досліджуваного матеріалу чи речовини у % площею sx, kλ1 - коефіцієнт поглинання потоку оптичного випромінювання на довжині хвилі λ 1, kλ2 - коефіцієнт поглинання потоку 5  Bоп  Bпз  оптичного випромінювання на довжині хвилі λ 2, kк- калібрувальний коефіцієнт ( k к  e ), де Воп - показник послаблення оптичних елементів, Впз - показник забруднення та запотівання оптичних елементів, що використовуються, k p - коефіцієнт розсіювання, причому питома поверхнева концентрація визначається за рівнянням величин: Cхп=Сх/sх. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Method for the determination of surface concentration of chlorophyll in plant leaves

Автори англійською

Kondratov Vladyslav Tymofiiovych

Назва патенту російською

Способ измерения поверхностной концентрации хлорофилла в листьях растений

Автори російською

Кондратов Владислав Тимофеевич

МПК / Мітки

МПК: G01N 21/63, G01N 21/64, G01N 21/33

Мітки: вимірювання, концентрації, спосіб, хлорофілу, рослин, поверхневої, листках

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/9-101864-sposib-vimiryuvannya-poverkhnevo-koncentraci-khlorofilu-u-listkakh-roslin.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб вимірювання поверхневої концентрації хлорофілу у листках рослин</a>

Подібні патенти