Описание

Название проекта  

Приборы для измерения энергоэффективности потока оптического излучения в условиях светокультуры Спектрофотометры «ТКА-Спектр» (ФАР). 

• Описание  проекта 

Внедрение новых технологий в тепличном растениеводстве (овощеводстве, цветоводстве), задачи совершенствования нормирования облучательных установок и экономии электроэнергии, грамотное сопоставление вариантов осветительных установок с различными типами источников света – все это требует применения современных технических средств, обеспечивающих измерение параметров оптического излучения с достаточной точностью и надёжностью во всем спектральном диапазоне. 

В ходе разработки методики «Оперативная оценка энергоэффективности потока оптического излучения в условиях интенсивной светокультуры» нами совместно с Государственным научным учреждением Северо-Западного научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии) был создан прибор Спектрофотометр «ТКА-Спектр» (ФАР). 

Спектрофотометры серии "ТКА-Спектр" предназначены для исследования спектрального состава электромагнитного излучения в видимой области спектра, нахождения спектральных характеристик излучателей, а также для радиометрирования. Спектрофотометры "ТКА-Спектр" (ФАР) предназначены для измерения относительной спектральной плотности энергетической освещённости Еe,l(l) источников оптического излучения (ОИ), нахождения энергетической освещённости (ФАР облучённости) Ee(ФАР) в мВт/м2 в видимой области в диапазоне (400…790) нм и расчёта PPFD (плотность потока фотонов фотосинтеза) в мкмоль/(с·м2). Спектрофотометр используется для оперативной оценки энергоэффективности потока оптического излучения в условиях интенсивной светокультуры без привлечения каких-либо экспериментальных таблиц реакций растений с возможностью расчёта на базе компьютера дополнительных параметров контроля облучённости культур. 

Оптическая схема спектрофотометра  представляет собой полихроматор на основе дифракционной решётки с регистрацией разложенного излучения фотодиодной линейкой. Конструкция входного объектива включает косинусный корректор. Рассеиватели косинусного корректора представляет собой тонкий диск из молочного стекла (350–1100 нм), закреплённый на входе объектива. Апертура косинусного корректора составляет 180о и позволяет исключить ряд проблем оптико-геометрического согласования. Дополнительно прибор комплектуется ослабителем, в качестве ослабителя к внешнему рассеивателю косинусного корректора добавлен металлический нейтральный сетчатый фильтр. Двухступенчатая калибровка приборов позволяет сохранить две таблицы спектральной чувствительности приборов и в дальнейшем производить прямые измерения без ввода поправочного коэффициента. 

Конструктивно спектрофотометр состоит из двух функциональных блоков (оптоэлектронный блок и блок обработки сигнала), соединённых между собой гибким многожильным кабелем. Функциональная схема спектрофотометра представлена на Рис.1.

Спектрофотометры имеют возможность отображения информации двумя способами: вывод информации на встроенный ЖКИ и (или) вывод информации по интерфейсу RS-232C с использованием USB (на виртуальный СОМ порт).  

В основе спектрофотометра лежит схема Спектроколориметров «ТКА-ВД», внесённых в Государственный Реестр средств измерения  №44179-10. Спектрофотометры отличается от  спектроколориметров «ТКА-ВД» изменением геометрии полихроматора (количество точек опроса увеличено до 118; шаг сканирования уменьшен до 3,33 нм; оптическое разрешение (FWHM) 10 нм), что позволило обеспечить отклонение от границ поддиапазонов ФАР-синий, ФАР-зелёный и ФАР-красный не более 1,5 нм. 

Указанный Спектроколориметр предназначен для измерения координат цветности и коррелированной цветовой температуры источников света в международной колориметрической системе МКО 1931г. и 1976 г. (Международной Комиссии по Освещению), освещённости, создаваемой только нормально расположенными источниками. Данные спектральной плотности энергетической яркости источника оптического излучения, которые можно получить из протокола измерений спектроколориметром носят справочный характер, на них не распространяется описание типа. 

Принцип действия спектрофотометров основан на измерении спектральной плотности энергетической освещённости источника оптического излучения в видимой области с последующей математической обработкой результатов измерения с помощью микропроцессорного устройства.  

Спектрофотометры  имеют возможность отображения информации результатов измерения: облучённость в поддиапазонах и фотосинтетическую плотность потока фотонов (PPFD) в поддиапазонах на встроенном ЖКИ и (или) на экране персонального компьютера. 

Спектрофотометры позволяют использовать их для оперативной оценки энергоэффективности потока оптического излучения в условиях интенсивной светокультуры с возможностью расчёта на базе персонального компьютера (ПК) дополнительных параметров контроля облучённости культур.  

Границы поддиапазонов измерения облучённости спектрофотометром: 

ФАР-синий (400…500) нм, 

ФАР-зелёный (500…600) нм, 

ФАР-красный (600…700) нм, 

Дальний красный (FR) (700…790) нм. 

Предел допустимого значения основной относительной погрешности измерения ФАР облучённости не более 8,0%.  

В мировой практике было принято соглашение, которое позволяет определить и измерить ФАР облучённость как падающий квантовый поток в диапазоне  от 400 до 700 нм  без привлечения каких-либо экспериментальных таблиц реакций растений. 

Использован метод определения спектральной плотности энергетической освещённости источников света (или светодиодных модулей) стандартными методами с использованием ламп с известной цветовой температурой. 

Оценка эффективности растениеводческих источников излучения по потоку фотонов требует корреляции числа фотонов с количеством молекул вещества, способных его воспринять. Поскольку в идеале каждый фотон потенциально способен привести молекулу пигмента в возбуждённое состояние, можно говорить о некотором соответствии падающих фотонов количеству молекул вещества, способных их воспринять. 

Обоснование необходимости модели 

Светокультура растений складывается из следующих факторов: спектр света, количество света (люксы, люмены, ватты и так далее, учесть здесь же расстояние от светильников), временной интервал (длительность облучения), частота облучения (периодичность), тепловой режим (определённая частота света). В течение дня эти факторы складываются таким образом, что растения получают необходимую порцию света для роста. В природе эти факторы совмещаются довольно редко (в малом периоде года), в ином случае, мы получали бы большое количество урожаев. В среде искусственного освещения при помощи диодных сборок (светодиодных ламп, прожекторов, матриц, светильников) возможно получать большее количество урожаев в один и тот же временной период культивации. Радиационный режим (светокультура), фотопериод строго связан с вегетационным периодом. И очень сильно зависит от момента подкормки и полива растений. Для безошибочного применения технологий агрокультивирования растений при искусственном светодиодном освещении требуется правильные измерения параметров ОИ. 

Разработан инженерный метод корригирования спектральной чувствительности измерительного приёмника ОИ (фотоэлемента) к требуемой спектральной чувствительности.  

Использование величины PPFD ОИ для растениеводства позволяет проводить совместный энергетический анализ преобразования техногенной энергии в растениеводстве и биоконверсии природной энергии ОИ растениями с целью выявления энергоёмкости продукции растениеводства. 

Прибор хорошо себя зарекомендовал при исследованиях светодиодных тепличных фотоламп и их аналогов из Китая, которые проводит лаборатория фитосвета FitoLabb.ru. Именно спектральный состав и показатель PPFD  определяют как эффективно работает для растения та или иная лампа и на сколько хорошо (быстро) будет происходить рост. В сравнение двух типов источников света — натриевых ламп и светодиодных светильников — сравнение велось по следующим параметрам: эффективности использования спектра источника, соотношение PPFD к мощности потребления (W, Вт), и составу спектра. Полученных знаний достаточно, чтобы определиться с точкой подвеса светильника и их количеством.