CC BY
79
detalej jelektrokontaktnoj privarkoj (Installation for restoration of details electrocontact welding). Trudy GOSNITI. Tom 111. Chast' 2, M, Izd-vo GOSNITI, 2013, pp.130-133.
14. Sajfullin R. N., Pavlov A. P. Perspektivy ispol'zovanija setchatyh prisadochnyh materialov dlja vosstanovlenija detalej jelektrokontaktnoj privarkoj (The prospects of use of mesh additive materials for restoration of details electrocontact welding), Remont, vosstanovlenie, modernizacija, 2011, No. 9. pp. 35-39.
15. Farhshatov M. N., Natalenko V. S., Jufe-rov K. V. Vlijanie predvaritel'noj termoobrabotki stal'noj lenty, privarivaemoj jelektrokontaktnym sposobom, na ustalostnuju prochnost' vosstanovlennyh detalej (Influence of preliminary heat treatment of the steel tape welded in the electrocontact way on the fatigue durability of the restored details). Trudy GOSNI-TI. Tom 111. Chast' 2, M, Izd-vo GOSNITI, 2013, pp. 60-62.
16. Farhshatov D. M, Sajfullin R. N., Natalenko V. S., Rafikov I. A. Modernizacija ustanovki dlja vosstanovlenija detalej jelektrokontaktnoj privarkoj stal'noj lenty, provoloki i poroshkov (Modernization of installation for restoration of details electrocontact welding of a steel tape, wire and powders). Chast' 3. Proizvodstvennyj, nauchno-tehnicheskij i uchebno-metodi-cheskij zhurnal «Remont, vosstanovlenie, modernizacija», 2013, No. 8, pp. 8-10.
17. Farhshatov D. M., Sajfullin R. N., Natalenko V. S. Ustrojstvo dlja jelektrokontaktnoj privarki fer-
ro-magnitnogo poroshka (The device for electrocontact welding of ferromagnetic powder) (patent na izobreten-ie) Patent № 2428288 RF, MPK V23K 11/06. Opubl. 10.09.2011. Bjul. No. 25. Zajavka 2010104585.
18. Solov'ev R. Ju., Sajfulin R. N., Farhsha-tov M. N., Natalenko V. S., Rafikov I. A. Privod dlja peremeshhenija podvizhnogo jelektroda mashiny kon-taktnoj svarki (The drive for movement of a mobile electrode of the car of contact welding (the patent for useful model)) (patent na poleznuju model') Patent na poleznuju model' RUS 121182 Opubl. 29.12.2011. MPK V23K 11/06. Zajavka 2011153971/02.
19. Farhshatov D. M, Sajfullin R. N., Natalenko V. S., Abdrahmanov I. A., Zaripov A. F. Svojstva pokrytij, poluchennyh jelektrokontaktnoj privarkoj me-tallicheskih poroshkov (Properties of the coverings received by electrocontact welding of metal powders). Trudy GOSNITI. Tom 113, M, Izd-vo GOSNITI, 2013, pp.347-353.
20. Sajfullin R. N., Pavlov A. P. Perspektivy ispol'zovanija setchatyh prisadochnyh materialov dlja vosstanovlenija detalej jelektrokontaktnoj privarkoj (The prospects of use of mesh additive materials for restoration of details electrocontact welding), Remont, vosstanovlenie, modernizacija, 2011. No. 9. pp. 44-49.
Дата поступления статьи в редакцию 20.10.16.
05.20.02
УДК 535.37:57.087
РАЗРАБОТКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗАТОРА ВСХОЖЕСТИ СЕМЯН АГРОКУЛЬТУР
© 2017
Беляков Михаил Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Оптико-электронные системы» филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске, Смоленск (Россия) Выборнова Елена Игоревна, старший преподаватель кафедры «Высшая математика» филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске, Смоленск (Россия)
Аннотация. Введение. Статья посвящена разработке прибора экспресс-контроля всхожести семян, учитывающего требования действующего ГОСТа. Прибор создаётся на основе оптического люминесцентного метода диагностики.
Материалы и методы. Исследование спектральных характеристик возбуждения и люминесценции семян проводили на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама» по ранее разработанной методике. Определяли параметры спектров: длины волн и значения максимумов, стоксов сдвиг, интегральные параметры. Семена различной всхожести получали путём искусственного состаривания. Эксперименты были проведены с семенами пшеницы, ржи, тритикале, ячменя, овса, гороха, фасоли и горчицы.
Результаты. Для всех исследованных семян (кроме ржи и ячменя) при уменьшении всхожести увеличивается максимум кривой и поток люминесценции. Полученные зависимости всхожести от потока люминесценции были аппроксимированы линейными функциями. При этом аппроксимация статистически достоверна согласно правостороннему критерию Фишера для всех культур кроме ржи и ячменя. Предложена структурная
схема оптического люминесцентного анализатора всхожести и выбраны его основные компоненты. Рассмотрены требования компоновки прибора. Вычислена эффективная отдача источников излучения и определён спектральный диапазон, в соответствии с которым выбран светодиод N3535U-UNx1. Рассчитана актиничность излучения, исходя из чего выбран приёмник - фотодиод BPW21R. Выбраны и рассчитаны эллиптический отражатель, операционный усилитель и индикатор изображения.
Обсуждение. Зависимости всхожести от потока люминесценции всех исследованных семян с достаточной степенью точности аппроксимируются линейными функциями. Это позволяет создать люминесцентный анализатор всхожести с линейной градуировочной характеристикой.
Заключение. Полученный люминесцентный анализатор всхожести отличается компактностью, хорошим быстродействием и удобством в эксплуатации. Построенный на современной элементной базе он может получить широкое применение в сельскохозяйственном производстве.
Ключевые слова: актиничность, анализатор фотолюминесценции, всхожесть, градуировочная характеристика, коэффициент детерминации, коэффициент корреляции, критерий Фишера, линейная аппроксимация, регрессионная модель, светодиод, светофильтр, семена растений, спектры люминесценции, фотодиод, эллиптический отражатель
FLUORESCENT ANALYSER DEVELOPMENT OF CROP SPECIES SEED GERMINATION
© 2017
Belyakov Mikhail Vladimirovich, the candidate of technical science, the associate professor, the head of the chair «Optoelectronic systems» The Branch of National Research University «Moscow Power Engineering Institute» in Smolensk, Smolensk (Russia) Vybornova Elena Igorevna, the senior lecturer of the chair «Higher mathematics»
The Branch of National Research University «Moscow Power Engineering Institute» in Smolensk, Smolensk (Russia)
Annotation. Introduction. The article is devoted to the development of the instrument the Express control of seed germination in relation to the requirements of the current GOST. The device is created on the basis of optical fluorescent method of diagnosis.
Materials and methods. The study of the spectral characteristics of excitation and luminescence of seeds was carried out on spectra fluorimeter «Fluorat-02-Panorama» on the previously developed methodology. It was determined the parameters of the spectra: wavelengths and values of maxima, stokes shift, and the integrated parameters. Seeds of different germination were obtained by artificial aging. Experiments were conducted with seeds of wheat, rye, triticale, barley, oats, peas, beans and mustard.
Results. For all investigated seeds (except rye and barley) in the reduction of germination increases by the maximum of the curve and flow of the luminescence. The dependences of the germination of the flow of luminescence were approximated by linear functions. This approximation is statistically significant according to the right-fisher for all crops except rye and barley. It is proposed the structural scheme of optical fluorescent analyzer germination and its main components. The requirements of the layout of the device are done. It is calculated effective output of the radiation source and the determined spectral range, whereby a selected led N3535U-UNx1. It is calculated actinism radiation on the basis of which the selected receiver is a photodiode BPW21R. Selected and designed the elliptical reflector, the operational amplifier and the indicator image.
Discussion. Based on germination from the flow of luminescence of all investigated seeds with a sufficient degree of accuracy are approximated by linear functions. This allows you to create fluorescent analyzer germination with linear calibration characteristics.
Conclusion. The obtained fluorescent analyzer germination is compact, good performance and ease of use. Built on modern element base, it can be widely used in agricultural production.
Keywords: actinism, analyzer photoluminescence, germination, calibration characteristics, the coefficient of determination, correlation coefficient, Fisher criterion, linear approximation, regression model, led light, filter, plant seeds, luminescence spectra, a photodiode, an elliptical reflector.
Всхожесть является одним из основных показателей качества посевного материала, вследствие чего необходимо контролировать её как в процессе хранения семян, так и непосредственно перед посевом. Для этого необходим современный прибор из-
Введение
мерения всхожести, учитывающий требования ГОСТа [1], но являющийся гораздо более быстродействующим. Для разработки прибора экспресс-контроля всхожести семян актуально использование оптических люминесцентных методов, основанных на знании оптических спектральных свойств. Пре-
имуществами оптических методов являются высокая селективность и чувствительность измерений, а также возможность непрерывного неразрушающего контроля, бесконтактность и экспрессность анализа [2, с. 63-77, 117-129, 165-175]. Ранее была разработана методика [3, с. 83-85; 4, с. 65] и исследованы оптические спектральные свойства отражения семян [5, с. 134-136; 6, с. 39-42].
Материалы и методы
Исследование люминесценции семян проводили с помощью аппаратно-программного комплекса, состоящего из спектрофлуориметра «Флюорат-02-Панорама», компьютера с установленным программным обеспечением «Panorama Pro» и внешней камеры для исследуемых образцов [7].
Спектрофлуориметр состоит из источника питания, оптической схемы с источником и приёмниками излучения, высоковольтного источника питания фотоэлектронного умножителя, систем сканирования монохроматоров, электронного измерительного блока, микропроцессорного контроллера и пульта управления.
Реализовать измерительные возможности прибора и приборных комплексов на его основе можно только при использовании внешнего компьютера с установленным программным обеспечением «Panorama Pro». Математическая обработка результатов измерений осуществляется средствами поставляемого ПО или иными программными продуктами, для чего предусмотрен экспорт результатов измерения в форматы ASCII и MS Excel.
Измерение спектров возбуждения (поглощения) и люминесценции семян проводили по ранее разработанной методике [8, с. 135-148; 9, с. 18-26] в спектральных диапазонах типовых спектров семян
[10, с. 521-525]. Семена различной всхожести получали путём искусственного состаривания. Проращивание и определение всхожести семян (В) проводили согласно [1].
Определяли максимальные значения характеристик и соответствующие им длины волн, а также вычисляли стоксов сдвиг и интегральные параметры спектров Н и Ф. Последнее является потоком люминесценции, выраженным в относительных единицах. Аппроксимацию полученных зависимостей Ф(В) и В(Ф) осуществляли линейными функциями вида:
Ф=а1В+а0, (1)
В=Ъ1Ф+Ъ0. (2)
Характеристикой линейной регрессии является коэффициент детерминации Я2, определяющий меру качества регрессионной модели. Достаточно качественной можно признать модель с коэффициентом детерминации выше 0,8 [11, с. 6-24]. Также были рассчитаны коэффициент корелляции г и правосторонний критерий Фишера Р.
Результаты Проводили измерения с семенами наиболее распространённых сельскохозяйственных культур: пшеницы, ржи, тритикале, ячменя, овса, гороха, фасоли и горчицы. Рассмотрим в качестве примера семена фасоли белой. Исходная партия состояла из семян высокой всхожести - 99,75 %. Полученные спектры для партий исходных и состаренных семян приведены на рисунке 1. Параметры спектров представлены в таблице 1.
Семена с всхожестью 99,75 % имели наименьший сигнал люминесценции - 5,02 о. е. После начала состаривания уровень сигнала начал повышаться: для 1, 2, 3, 4, 5, 6 сроков состаривания уровень сигнала составил 5,73 - 8,48 о. е.
Рисунок 1 - Спектры возбуждения и люминесценции семян белой фасоли различной всхожести: 1 и 1' - спектры со всхожестью 99,75 %; 2 и 2' - спектры со всхожестью 90,5 %; 3 и 3' - спектры со всхожестью 85,5 %; 4 и 4' - спектры со всхожестью 69 %;
5 и 5' - спектры со всхожестью 65,5 %; 6 и 6' - спектры со всхожестью 63 %; 7 и 7' - спектры со всхожестью 30 %
Таблица 1 - Результаты обработки спектров семян белой фасоли в программе «Panоrama Prо»
Всхожесть,% Спектр возбуждения АХ, нм Спектр люминесценции
Н, о. е. ^мак^ нм е. Ф, о. е. Xл,макс, нм ^^макс о. е.
99,75 332 424 4,53 57 439 481 5,02
90,50 338 425 5,16 55 506 480 5,73
85,50 412 424 5,76 59 562 483 6,35
69,00 436 424 6,03 58 601 482 6,65
65,50 462 425 6,47 57 644 482 7,14
63,00 483 424 6,92 59 684 483 7,55
30,00 546 424 7,91 61 784 485 8,48
Для семян со всхожестью 30 % сигнал люминесценции наибольший - 8,48 о. е. Стоксов сдвиг от всхожести никак не зависит, что следует из таблицы 1. Пик максимума люминесценции возрастает и увеличивается в 1,7 раза, пик спектра люминесценции сильно не меняется, максимум люминесценции в диапазоне 480-485 нм. Пик максимума возбужде-
Ф о.е
< ■
--1--
\ -----
*
60 70 80 90 в„/о 100
Рисунок 2 - Зависимость потока люминесценции семян белой фасоли от их всхожести (диапазон относительной погрешности для надёжности: а = 0,5 и 0,9)
ния возрастает и увеличивается в 1,8 раза; он находится в пределах 424-425 нм. Спектры возбуждения и люминесценции семян качественно схожи между собой.
Интеграл от спектра люминесценции с уменьшением всхожести увеличивается, это видно на рисунке 2.
Уравнение линейной зависимости имеет вид:
Ф = -5,8055 + 1030. (3)
Выражая зависимость всхожести от потока люминесценции, получим:
В = -0,1961Ф + 190,1. (4)
Для инженерных расчётов погрешности используют надёжность а = 0,9. Для биологических
объектов, которые имеют различный разброс параметров: степень поражённости микроорганизмами, пигментацией верхнего слоя, запылённостью, размером, сама погрешность измерения, как объект прилегает к световоду, применяется надёжность а = 0,5.
Рисунок 3 - Зависимость всхожести семян белой фасоли от их потока люминесценции
Относительная погрешность измерений характеристик семян белой фасоли для всех значений всхожести практически одинакова, поэтому можно пользоваться средней погрешностью 1,4 % для надёжности а = 0,5, а 3,4 % для надёжности а = 0,9.
Средняя ошибка аппроксимации составляет 7,28 %, то есть менее 10 %. Коэффициент детерминации Я2 = 0,9520. Таким образом, на 95,20 % общий разброс результатов относительно средней по всхожести семян, объясняется уравнением регрессии В = -0,1961Ф + 190,1. Выборочный коэффициент корреляции г = - 0,97572. Близость коэффициента корреляции к единице свидетельствует об имеющейся линейной взаимосвязи. Знак «-» указывает на отрицательную корреляционную за-
висимость, то есть с увеличением потока люминесценции всхожесть имеет тенденцию к убыванию.
Проверка значимости уравнения регрессии на уровне а = 0,05 проводилась по правостороннему критерию Фишера (Р = 99,200). Модель адекватна и может быть использована для прогноза всхожести семян в рамках данного эксперимента.
Уравнение линейной зависимости Ф(В) семян пшеницы [12, с. 30-33] имеет вид:
Ф = -3,4011В + 1223,9. (5)
Для градуировки прибора, определяющего всхожесть по потоку люминесценции, необходима обратная зависимость В (Ф) (рис. 4):
В = -0,276Ф+340,9. (6)
1000 1100 1200 1300
Рисунок 4 - Зависимость всхожести семян пшеницы от их потока люминесценции
были
Уравнение линейной зависимости Ф(В) для семян ржи имеет вид:
Ф= 0,585В+ 730,8. (7)
Обратная зависимость В (Ф) (рис. 5):
В = 1,547Ф-1127. (8)
Относительная погрешность измерений характеристик семян ржи для всех значений всхожести практически одинакова, поэтому можно пользоваться средней погрешностью 2,1 % для надёжности а = 0,5, а 5,2 % для надёжности а = 0,9. Результаты
данного исследования были представлены в [13, с. 346-349].
Уравнение линейной зависимости потока люминесценции от всхожести для семян тритикале имеет вид:
Ф = -4,023В + 1371. (9)
Выражая зависимость всхожести от потока люминесценции (рис. 6), получим:
В = -0,2179Ф + 305,7. (10)
Ф, o.e.
Рисунок 5 - Зависимость всхожести семян ржи от их потока люминесценции
Рисунок 6 - Зависимость всхожести семян тритикале от их потока люминесценции
В связи с тем, что в ГОСТ 12038-84 допускается отклонение от среднего арифметического значения не более 10 %, можно принять максимальную относительную погрешность определения всхожести ±10 %.
Уравнение линейной зависимости Ф(5) для семян ячменя имеет вид:
Ф = 1,796 В + 690,3. (11)
100 90 ВО 70 60 ВО 40 30 20 10 О
Выражая зависимость всхожести от потока люминесценции (рис. 7), получим:
В = 0,555 Ф - 383,2. (12) Уравнение линейной зависимости Ф(5) для семян овса имеет вид:
Ф = -8,71285 + 2822,4. (13)
Выражая зависимость всхожести от потока люминесценции (рис. 8), получим:
В = - 0,106 Ф +303,4. (14)
В, %
Ф3 о.
е.
6ВО 700 720 740 760 7В0 ВОО В20 В40 В60 ВВО Рисунок 7 - Зависимость всхожести семян ячменя от их потока люминесценции
100 90
во
70 60 50 40 30 20 10 О
Ф
1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 Рисунок 8 - Зависимость всхожести семян овса от их потока люминесценции
Ф = -23,94В + 5742.
Более подробно результаты представлены в статье [12, с. 30-33].
Уравнение линейной зависимости потока люминесценции от всхожести для семян гороха имеет вид:
Ф = -8,315В + 3220. (15)
Выражая зависимость всхожести от потока люминесценции, получим:
В= -0,1169Ф + 378,5. (16)
Результаты данного исследования были представлены в [14, с. 25-28]. Уравнение линейной зависимости Ф(В) для семян горчицы имеет вид:
(17)
Выражая зависимость всхожести от потока люминесценции, получим:
В = -0,040Ф + 231,7. (18)
Результаты расчета средней относительной погрешности измерений характеристик и коэффициенты аппроксимации зависимости В от Ф семян различных культур сведены в таблице 2.
Для объективного контроля всхожести через величину фотолюминесценции предлагается следующая структурная схема работы люминесцентного анализатора (рис. 11).
Рисунок 9 - Зависимость всхожести семян гороха от их потока люминесценции
Рисунок 10 - Зависимость всхожести семян горчицы от их потока люминесценции
Таблица 2 - Относительная погрешность измерений, коэффициенты аппроксимации зависимости 5(Ф) и параметры регрессионной модели
Культура Погрешность измерений потока люминесценции, % Ь1 Ьо Я2 г
а = 0,5 а = 0,9
Пшеница 2,2 5,1 -0,276 340,9 0,9412 -0,9701 111,94
Рожь 2,1 5,2 1,547 -1127 0,5044 0,7102 2,036
Тритикале 2,3 5,6 -0,218 305,7 0,8768 -0,9364 35,60
Ячмень 2,9 6,0 0,555 -383,2 0,9976 0,9988 831
Овёс 2,2 5,3 -0,106 303,4 0,9234 -0,9610 36,19
Горох 5,7 14,3 -0,117 378,5 0,9725 -0,9861 176,62
Фасоль белая 1,4 3,4 -0,196 190,1 0,9520 -0,9757 99,20
Горчица 1,9 4,9 -0,040 231,7 0,9515 -0,9754 97,98
Рисунок 11 - Структурная схема анализатора фотолюминесценции: сплошные линии - оптическое излучение, пунктирные - электрический сигнал
Источник излучения (ИИ) должен иметь спектр с максимумом на длине волны максимума спектра возбуждения Пэ(Х) или близкой к ней для наибольшей эффективности возбуждения свечения семян. Вторым немаловажным требованием к спектру ИИ является то, чтобы он не перекрывал спектр люминесценции фл(Х) и идентичный ему спектр чувствительности приёмника 5(Х). Эта проблема может быть решена применением скрещенных светофильтров перед источником и приёмником, однако из-за низкого потока люминесценции семян и увеличения стоимости и массогабаритных показателей целесообразно использовать только один отрезающий или выделяющий светофильтр (СФ), устанавливаемый перед ИИ. В этом случае при проведении энергетического расчёта параметров анализатора люминесценции ИИ и СФ следует считать единой осветительной системой, т. е. мощность ИИ выбирать с учётом потерь в СФ и реакции исследуемых образцов (Обр.). Другими требованиями, предъявляемыми к ИИ, являются высокая эффективная отдача излучения, малые габариты и масса и обеспечение требуемого равномерного распределения потока излучения по поверхности семян (облучённости).
Задачей приёмной оптической системы (ОС) является сбор максимально возможного потока люминесцентного излучения семян на приёмник. Спектр чувствительности приёмника оптического излучения (ПОИ) должен максимально совпадать со спектром люминесценции исследуемых семян. При этом не желательно корригирование спектра чувствительности с помощью светофильтров из-за увеличения потерь на отражение и поглощение. Кроме
того, необходима высокая интегральная чувствительность и низкий темновой ток.
Выходящий с ПОИ электрический сигнал должен быть многократно усилен ввиду сравнительной малости потока излучения фотолюминесценции. Сигнал с усилителя (Ус.) поступает в микропроцессорную систему (МП), где обрабатывается с учётом ранее полученных градуировочных кривых. Итоговый результат измерения (всхожесть) высвечивается на выходном индикаторе (Инд.)
При решении задачи компоновки анализатора необходимо учитывать следующие требования:
1) прибор следует устанавливать на горизонтальную поверхность;
2) источники излучения следует устанавливать таким образом, чтобы весь (или, по крайней мере, большая часть) поток излучения падал на поверхность с исследуемым материалом;
3) поток люминесценции излучается в верхнюю полусферу диффузно. Поэтому приемник излучения следует устанавливать поверхностью исследуемого материала и применять оптическое устройство, собирающее рассеянный поток на его светочувствительной поверхности;
4) для повышения коэффициента использования потока люминесценции применяют эллипсоидный отражатель, поэтому отверстие для исследуемых образцов и ПОИ должны быть установлены в его фокальных плоскостях;
5) пространство, в котором распространяется излучение, должно быть изолировано светонепроницаемым корпусом;
6) корпус анализатора должен состоять из двух частей: а) основание с эллипсоидным отражателем и отверстием для исследуемых материалов; б) крышка с ИИ, ПОИ и электронными блоками (рис. 12) [15, с. 27-30].
Рисунок 12 - Схема анализатора фотолюминесценции
Для сбора диффузно рассеянного излучения люминесценции применяют эллипсоидный отражатель, в нижней фокальной плоскости которого имеется отверстие, выполняющее функцию предметного столика, а во второй фокальной плоскости - приемник излучения.
Приемник излучения устанавливают в верхней части камеры соосно с отверстием и совмещают со второй фокальной плоскостью отражателя параллельной предметному столику. Источники излучения устанавливают в фокальной плоскости (или несколько выше) таким образом, чтобы поток излучения их не попадал на приемник излучения. Оси световых пучков светодиодов ориентируют на осевую точку предметного столика. Светофильтры, отрезающие длинноволновое излучение, устанавливают перед источниками.
Размеры эллипсоида необходимо подбирать из тех соображений, чтобы на поверхность, находящуюся в фокальной плоскости, можно было поместить фотоприемник, диаметром примерно 20-50 мм и не менее двух источников с диаметром 5-10 мм. Размер поверхности, находящийся в одной фокальной плоскости, на которую необходимо поместить приемник и источники излучения, должен быть не менее 70-80 мм. Для обоснования выбора диаметра отверстия было отобрано 50-100 семян каждой сельскохозяйственной культуры, которые в
дальнейшем раскладываются на бумаге одно-полуторным слоем в виде круга. Далее измеряется диаметр с помощью линейки. Выбран диаметр отверстия, равный 50 мм, поскольку в окружность такого диаметра помещается 100 семян большинства исследуемых сельскохозяйственных культур (пшеница, тритикале, рожь, овёс и др.).
Корпус имеет цилиндрическую форму, высота которого зависит от высоты эллипсоида. При юстировке системы приемник излучения может быть расфокусирован - смещен вдоль оси. Электронные блоки и другие вспомогательные компоненты размещают в верхней части корпуса.
Главным критерием выбора источника излучения является соответствие спектра его излучения спектру чувствительности исследуемых объектов (семян) - спектру возбуждения люминесценции Пэ(Х). При этом получается максимальный КПД источника. Однако при создании прибора и его макета необходимо, чтобы диапазон излучения и спектр чувствительности приемника излучения не перекрывались.
Примем в качестве спектральной чувствительности семян типовую кривую, характерную для большинства семян [10, с. 522]. Спектр излучения источника должен находиться в пределах 380-460 нм. Наиболее целесообразным представляется поиск источника с максимумом 410-420 нм. Этот диапазон близок к длине волны максимума кривой пэ(^), но и больше отстоит от диапазона кривой люминесценции 420-660 нм.
Для сравнения вычислим эффективный КПД излучения для ламп различных типов и светодиодов (СД) с различными максимумами. Считая спектр излучения одинаковым во всех направлениях и облучённость пропорциональной потоку излучения, эффективный КПД излучения определим по формуле:
_ Фэ _ Еэ _
Пэ-изл" ф" " Е""
0_'=1 , (19)
где Фе и Фэ - соответственно полный и эффективный потоки излучения источников, Ее и Еэ - полная и эффективная облучённость, создаваемая источником излучения на рабочей поверхности, 5"макс - максимальное значение характеристики возбуждения семян, - спектральная характеристика возбуждения семян, е (X) - спектральная плотность облучённости рабочей поверхности.
Аналогично системам бактерицидного и эри-темного действия излучения, примем 5'макс = 1 и эффективный поток излучения будем определять в эффективных ваттах. Взяв значения спектральных распределений потока излучения из [16, с. 38-39;
0
17, с. 10-14; 18, с. 127-164] и заменив интегрирова- следующие результаты (табл. 3). ние суммированием в программе Excel, получим
Таблица 3 - Эффективный КПД излучения некоторых источников
Источник излучения Лэ, изл? % Источник излучения Лэ, изл, %
ДКсШ 11,0 ЛЭ 32,0
ДКсТ 12,0 ДРШ 34,4
ДРТ 14,6 MO(Na,Sc,Th) 35,8
ЛБ 24,9 СД400 63,0
ДРЛ 26,3 СД403 67,6
MO(Na,Tl,In) 26,9 СД409 73,0
МГЛ (Dy,Ho,Tm) 30,1 СД418 91,0
Таким образом можно отметить, что наибольший эффективный КПД излучения имеют фиолетовые светодиоды, спектр излучения которых в значительной части лежит в области возбуждения семян. Для разрядных ламп отдача существенно ниже - до 35,8 %, что объясняется значительно более широким спектром излучения, большая часть которого расположена в длинноволновой области.
Кроме того светодиоды имеют высокую энергоэкономичность, большой срок службы, хорошие эксплуатационные качества, малые габариты, являются электрически и экологически безопасными.
Наиболее целесообразным представляется поиск светодиода с максимумом 410-420 нм. Этот
фх., o.e.
диапазон близок к длине волны максимума кривой Пэ(Х), но и больше отстоит от диапазона кривой люминесценции 420-660 нм. В связи с этим провели исследования, включающие в себя измерение спектра люминесценции фл(Х) при облучении семян определенными длинами волн (425, 420, 415, 410, 405, 400, 395 и 390 нм). Полученные кривые спектров люминесценции усреднены по двадцати измерениям (рис. 13). Кроме того, вычислены максимальные значения спектра люминесценции, относительный поток в диапазоне 445-660 нм. Полученные данные представлены в таблице 4.
2
4
/7/ /
_5J
U J ¡У
Рисунок 13 - Усреднённые спектры люминесценции семян для различных длин волн возбуждения: 1 - 425 нм; 2 - 420 нм; 3 - 415 нм; 4 - 410 нм; 5 - 405 нм; 6 - 400 нм; 7 - 395 нм; 8 - 390 нм.
Таблица 4 - Параметры люминесценции семян при различных длинах волн возбуждения
Хвозб, нм Потн, % Ф, о. е. Фотн, %
425 100,0 961,8 100
420 92,1 892,7 92,8
415 75,9 812,3 84,5
410 68,5 714,2 74,3
405 63,3 670,6 69,7
400 60,5 644,5 67,0
395 58,8 642,8 66,8
390 56,6 637,3 66,3
Рисунок 14 - Спектры излучения светодиодов Ю535И-Шх1 С учётом требований к максимуму сигнала люминесценции и неперекрытия спектров возможен компромиссный выбор светодиода с максимумом в диапазоне 400-410 нм. К таким светодиодам с максимумом на 409 нм относятся №535и-ЦКх1, производятся фирмой Semileds [19]. Их спектральные характеристики представлены на рисунок 14.
Главный критерий выбора приемника излучения: спектр его чувствительности должен совпадать со спектром люминесценции исследуемых объектов. Для выбора наиболее подходящего фотоприемника воспользуемся коэффициентом актиничности.
А =
_0_
да *
(20)
где - функция спектральной чувствительности приемника излучения, 5"0(Х) - спектральная характеристика люминесценции семян, ф(Х) - функция спектра излучения образцового источника типа А.
При расчёте заменим интегралы соответствующими суммами, при этом заменим на АХ = 10 нм:
А =
0_
да
£ф(ВД(А.)ЛА,
(21)
В качестве 5"0(Х) примем типовую кривую люминесценции [10, с. 522], а в качестве приёмников излучения выберем фотодиоды BPW21R [20], S1133 и селеновый фотоэлемент ФЭС-10 [21, с. 431-436]. В результате расчета получены следующие значения актиничности: для фотодиода BPW21R А1 = 0,98; для фотоэлемента ФЭС-10 А2 = 0,81; для фотодиода 81133 А3 = 0,56.
Приемником с наибольшим совпадением кривой спектральной чувствительности с кривой люминесценции семян является BPW21R от производителя Vishay. Спектральная чувствительность данного фотодиода представлена на рисунке 15. Основные параметры представлены в таблице 5.
Рисунок 15 - Спектр чувствительности фотодиода серии BPW21R
Таблица 5 - Основные характеристики при Т = 25 °С
0
0
Параметр Значение
Прямое напряжение Ц 1,0 В
Напряжение пробоя Цщ) 10 В
Темновой обратный ток 1го 2 нА
Темновое сопротивление Яв 38 Ом
Чувствительность 9 нА/лк
Угол половинной чувствительности ф ±50 о
Длинна волны наибольшей чувствительности Хмакс 565 нм
Диапазон спектральной полосы пропускания Х0,5 420...675 нм
Время нарастания ^г 3,1 мкс
Время спада 3,0 мкс
Выберем в качестве операционного усилителя микросхему К553УД1. Для преобразования сигнала с усилителя фотоприёмника в цифровой сигнал воспользуемся аналого-цифровым преобразователем -устройством, принимающим аналоговые сигналы и генерирующим соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.
Микросхема ЛБ7495 - 12-разрядный высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения с малой потребляемой мощностью. Прибор работает от одного источника питания напряжением 2,7-5,25 В и имеет частоту дискретизации до 1 МГц. Аналого-цифровой преобразователь содержит малошумящее устройство выборки и хранения с широкой входной полосой, способное обрабатывать сигналы с частотой до 1 МГц [22, с. 95-98].
В качестве индикатора для отображения результата процесса измерения выберем цифровой многоразрядный индикатор ВЛ56-12ЯЯЖ4 от производителя KingЪгight. Данный индикатор соответствует критериям для применения в разрабатываемом приборе: небольшие габариты, малое энергопотребление, возможность отображения трёх арабских цифр и точек для указания разрядности числа.
Индикатор представляет собой набор семи-восьми сегментных индикаторов и межэлектродных соединителей, конструктивно расположенных и смонтированных в едином корпусе. Эти приборы являются многоразрядными монолитными индикаторами с оптическим увеличением и предназначены для визуальной индикации результатов вычислений в малогабаритных микрокалькуляторах, различных вычислительных устройствах и приборов точного времени, в радио- и электронной аппаратуре, в измерительных переносных приборах, в том числе с автономным питанием [23].
Обсуждение
Из анализа рисунков 3-10 и таблицы 2 следует, что зависимости всхожести от потока люминесценции всех исследованных семян с достаточной степенью точности аппроксимируются линейными функциями. Это позволяет создать люминесцентный анализатор всхожести с линейной градуиро-вочной характеристикой. В качестве источника излучения наиболее подходящими по эффективному КПД, величине люминесцентного сигнала и другим параметрам являются фиолетовые светодиоды. Из компромиссных соображений величины потока и неперекрытия спектров выбраны светодиоды, излучающие на длине волны 409 нм. По величине актиничности, а также из соображений быстродействия, массогабаритных и других показателей приёмником излучения выбран фотодиод BPW21R. Для сбора
максимального количества излучения на приёмник применяется эллипсоидный отражатель. В электронной части прибора выбраны усилитель, аналого-цифровой преобразователь и многоразрядный индикатор для отображения конечного результата.
Заключение
Полученный люминесцентный анализатор всхожести отличается компактностью, хорошим быстродействием и удобством в эксплуатации. Построенный на современной элементной базе он может получить широкое применение в сельскохозяйственном производстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. Введ. 0 1 .07.86. М. : Издательство стандартов, 2004. 29 с.
2. Башилов А. М. Электронно-оптическое зрение в аграрном производстве. М. : ГНУ ВИЭСХ, 2005.326 с.
3. Гомонов А. А., Беляков М. В. Оптические спектральные свойства семян // Наука - сельскохозяйственному производству и образованию. Сборник материалов международной научно-практической конференции. Т. 2 Агрономия. Ч. 1. ФГОУ ВПО «ССХИ». Смоленск, 2004. С. 83-85.
4. Беляков М. В. Оптические спектральные свойства семян растений // Материалы докладов и сообщений XI Российской конференции по тепло-физический свойствам веществ. Т. 2. С-Петербург, 2005,С. 65.
5. Belyakov M. V. The spectral characteristics of cereal and leguminovsplants seeds reflection. // Fundamental science and technology-promising developments VII: Proceedings of the Conference. North Charleston 1-2.12.2015. North Charleston, SC, USA: Create Space, 2015. p. 134-136.
6. Belyakov M. V. The spectral characteristics of oilseed, fodder and vegetable plants seeds reflection // X International scientific and practical conference «International scientific review of the problems and prospects of modern science and education». Boston, USA, 2016.p.39-42.
7. Технические характеристики спектрофлу-ориметра Флюорат-02-Панорама. Сайт компании «Люмэкс». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.lumex.ru/catalog/flyuorat-02-panorama. php#specification (Дата обращения: 31.10.2016).
8. Башилов А. М., Беляков М. В. Спектральные характеристики люминесценции и отражения семян агрокультур. Монография. М. : ФБГНУ ВИЭСХ, 2015. 272 с.
9. Беляков М. В. Методика исследования люминесцентных свойств семян растений на спектро-
флуориметре «Флюорат-02-Панорама» // Научная жизнь, 2016. № 3, С. 18-26.
10. Беляков М. В. Типовые спектральные характеристики люминесценции семян растений // Естественные и технические науки, 2015, № 11, С. 521-525.
11. Маркелов Г. Е. Линейные регрессионные модели. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 28 с.
12. Беляков М. В. Исследование люминесцентных свойств пшеницы и овса различной всхожести. // Вестник ВИЭСХ, 2016. № 1 (22), С. 30-33.
13. Беляков М. В., Куликова М. Г., Волкова К. А., Максименкова О. В., Кривцова Л. А., Ар-тюхов И. В. Люминесцентные характеристики искусственно состаренных семян ржи // «Энергетика, информатика, инновации - 2015». Сборник трудов V Международной научно-технической конференции. В 2 т. Т. 1. Филиал ФГБОУ ВО «Национального исследовательского университета «МЭИ» в г. Смоленске, 2015. С. 346-349.
14. Волкова К. А., Тимошенкова М. В., Дым-кова В. В., Булатикова В. О., Иванова В. В. Люминесцентные характеристики искусственно состаренных семян гороха // «Информационные технологии, энергетика и экономика». Сборник трудов XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. В 3 т. Т. 2. Филиал ФГБОУ ВО «Национального исследовательского университета «МЭИ» в г. Смоленске, 2016. С. 25-28.
15. Gavrilenkov V., Belyakov M., Chulakova V. The synthesis of the optical system, the model analyzer photoluminescence. // XIII International scientific and practical conference «International scientific review of the problems and prospects of modern science and education». Chicago, USA. International scientific review. 2016. № 5 (15), P. 27-30.
16. Гаска Р., Жанг Дж. и др. Ультрафиолетово изучающие диоды // Светотехника. 2007. № 6. С. 38-39.
17. Прикупец Л. Б. Современные источники УФ излучения для установок и процессов фотобиологического действия. Состояние и перспективы // Светотехника. 2004. № 4. С. 10-14.
18. Справочная книга по светотехнике / Под. ред. Ю. Б. Айзенберга. 3-е изд. М. : Знак, 2006. 972 с.
19. Светодиод N3535U-UNx1. Каталог производственной фирмы «Semileds». Паспортные данные. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //www .semileds.com/system/files/N3535U-UNx1.pdf. (Дата обращения: 24.10.2016)_.
20._Фотодиод BPW21R. Каталог производственной фирмы «Vishay». Паспортные данные [Элек-тронный ресурс]. Режим доступа:
http://www.vis-hay.com/docs/81519/bpw21r.pdf. (Дата обращения: 24.10.2016).
21. Ишанин Г. Г., Панков Э. Д., Челиба-нов В. П. Приемники излучения : учеб. пособие. СПб . : Папирус, 2003. 537 с.
22. Микросхемы АПЦ и ЦАП. Справочник. М. : Додэка XXI, 2005. 432 с.
23. Сайт компании «Kingbright» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.kingbrigh-tusa.com/images/catalog/spec/CA56-12SRWA.pdf. (Дата обращения: 30.10.2016).
REFERENCES
1. GOST 12038-84. Semena sel'skohozjajstven-nyh kul'tur. Metody opredelenija vshozhesti (Seeds of agricultural crops. Methods for determination of germination). Vved. 01.07.86, M. : Izdatel'stvo standartov, 2004, 29 p.
2. Bashilov A. M. Jelektronno-opticheskoe zrenie v agrarnom proizvodstve (Electro-optical sight in the agricultural production) M, GNU VIESH, 2005, 326 p.
3. Gomonov A. A., Beljakov M. V. Opticheskie spektral'nye svojstva semjan (Optical spectral properties of seeds), Nauka - sel'skohozjajstvennomu proizvod-stvu i obrazovaniju. Sbornik materialov mezhdunarod-noj nauchno-prakticheskoj konferencii. T. 2 Agronomi-ja. Ch.1, FGOU VPO «SSHI», Smolensk, 2004, pp. 83-85.
4. Beljakov M. V. Opticheskie spektral'nye svojstva semjan rastenij (Optical spectral properties of plant seeds), Materialy dokladov i soobshhenij XI Ros-sijskoj konferencii po teplofizicheskij svojstvam vesh-hestv. T. 2, S-Peterburg, 2005, pp. 65.
5. Belyakov M. V. The spectral characteristics of cereal and leguminovsplants seeds reflection. Fundamental science and technology-promising develop-me nts VII: Proceedings of the Conference. North Charleston 1-2.12.2015. North Charleston, SC, USA: Create Space, 2015, pp. 134-136.
6. Belyakov M. V. The spectral characteristics of oilseed, fodder and vegetable plants seeds reflection // X International scientific and practical conference «International scientific review of the problems and pro-spe cts of modern science and education». Boston, USA, 2016,p.39-42.
7. Tehnicheskie harakteristiki spektrofluorimetra Fljuorat-02-Panorama. Sajt kompanii «Ljumjeks» [Jel-ektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.lumex.ru/catalog/flyuorat-02-panorama. php#specification (Data obrashhenija: 31.10.2016).
8. Bashilov A. M., Beljakov M. V. Spektral'nye harakteristiki ljuminescencii i otrazhenija semjan agrokul'tur (Spectral characteristics of luminescence and reflections of seeds of agricultural crops), Mono-
grafija, M., FBGNU VIESH, 2015, 272 p.
9. Beljakov M. V. Metodika issledovanija ljumi-nescentnyh svojstv semjan rastenij na spektrofluorime-tre «Fljuorat-02-Panorama» (Methods of research of luminescent properties of plant seeds on the spectroflu-orimeter «Fluorat-02-Panorama»), Nauchnaja zhizn', 2016, No. 3, pp. 18-26.
10. Beljakov M. V. Tipovye spektral'nye harak-teristiki ljuminescencii semjan rastenij (Typical spectral characteristics of luminescence of plant seeds), Estestvennye i tehnicheskie nauki, 2015, No. 11, pp. 521-525.
11. Markelov G. E. Linejnye regressionnye modeli (Linear regression models), M. : MGTU im. N. E. Baumana, 2008, 28 p.
12. Beljakov M. V. Issledovanie ljuminescentnyh svojstv pshenicy i ovsa razlichnoj vshozhesti (The study of fluorescent properties of wheat and oats of different germination), Vestnik VIESH, 2016 No. 1 (22), p.30-33.
13. Beljakov M. V., Kulikova M. G., Volko-va K. A., Maksimenkova O. V., Krivcova L. A., Artjuhov I. V. Ljuminescentnye harakteristiki is-kusstvenno sostarennyh semjan rzhi (Luminescent characteristics of artificially aged seeds of rye), «Jener-getika, informatika, innovacii-2015». Sbornik trudov V Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii. V 2 t. T. 1. Filial FGBOU VO «Nacional'nogo issle-dovatel'skogo universiteta «MPEI» v g. Smolenske,
2015, pp. 346-349.
14. Volkova K. A., Timoshenkova M. V., Dym-kova V. V., Bulatikova V. O., Ivanova V. V. Ljuminescentnye harakteristiki iskusstvenno sostarennyh semjan goroha (Luminescent characteristics of artificially aged pea seeds), «Informacionnye tehnologii, jenergetika i jekonomika». Sbornik trudov XIII-oj Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii studentov i aspiran-tov. V 3 t. T. 2. Filial FGBOU VO «Nacional'nogo is-sledovatel'skogo universiteta «MPEI» v g. Smolenske,
2016, pp.25-28.
15. Gavrilenkov V., Belyakov M., Chulako-va V. The synthesis of the optical system, the model analyzer photoluminescence. XIII International scientific and practical conference «International scientific review of the problems and prospects of modern science and education». Chicago, USA. International scientific review, 2016, № 5 (15), P. 27-30.
16. Gaska R., Zhang Dzh. i dr. Ul'trafioletovo izuchajushhie diody (UV studies the diodes), Svetotehnika, 2007, No6, pp. 38-39.
17. Prikupec L. B. Sovremennye istochniki UF izluchenija dlja ustanovok i processov fotobiolog-icheskogo dejstvija. Sostojanie i perspektivy (Modern UV radiation sources for plants and processes photobio-logical action. Status and prospects), Svetotehnika,
2004, No. 4, pp. 10-14.
18. Spravochnaja knigapo svetotehnike (The reference book on light engineering), Pod. red. Ju. B. Aj zenb e rga. 3-e izd, M, Znak, 2006, 972 p.
19. Svetodiod N3535U-UNx1. Katalog proiz-vodstvennoj firmy «Semileds». Pasportnye dannye [Jelektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http : //www .semi-leds.com/system/files/N3535U-UNx1.pdf. (Data obrashhenija: 24.10.2016).
20. Fotodiod BPW21R. Katalog proiz-vodstvennoj firmy «Vishay». Pasportnye dannye [Jelektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.vishay.com/docs/ 81519/bpw21r.pdf. (Data obrashhenija: 24.10.2016).
21. Ishanin G. G., Pankov Je. D., Cheliba-nov V. P. Priemniki izluchenija (Radiation detectors) : ucheb. posobie, SPb. : Papirus, 2003, 537 p.
22. Mikroshemy APC i CAP (Chip APC and AMC. Reference), Spravochnik M., Dodjeka XXI,
2005, 432 p.
23. Sajt kompanii Kingbright [Jelektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: https://www.kingbrightusa.com /images/catalog/spec/CA56-12SRWA.pdf. (Data obrashhenija: 30.10.2016)
Дата поступления статьи в редакцию 10.10.2016.
05.20.01 УДК 636
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ОТОПЛЕНИИ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
© 2017
Игнаткин Иван Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры МТ-13, НУК МТ
ФГБОУ ВО МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва (Россиия)
Аннотация. В данной статье приведено описание применения системы рекуперации теплоты вытяжного воздуха по последовательно-параллельной схеме в условиях Крайнего Севера. Для ее реализации необходимо два рекуператора. Вытяжной воздух поступает в вентиляционную камеру и распределяется между рекуператорами первой и второй ступени. Рекуператор первой ступени подогревает приточный уличный воздух до температуры минус 20...15 °С. Воздух, подогретый в первом рекуператоре, в качестве приточного поступает в рекуператор второй ступени и дополнительно подогревается вытяжным воздухом. Далее воздух подается в
