Средства автоматизации процесса измерения влажности корнеобитаемой среды высших растений для условий микрогравитации

Для нормального развития большинству растений требуется соответствующее обеспечение водой, кислородом и удаление углекислого газа из корневых тканей. При автоматизированном выращивании растений система автоматического увлажнения и аэрации должна постоянно иметь данные о режиме газожидкостного обеспеспечения корне-обитаемой среды (КС) с целью предупреждения переувлажнения и обеспечения надлежащей диффузии воздуха.

В естественных условиях на поверхности Земли происходит гравитационный дренаж почвы, что обеспечивает проникновение газа в КС и формируется устойчивый режим влагораспределения в КС.

В качестве КС при проведении биологических экспериментов в условиях космического полета наиболее широко используются дисперсные материалы неорганического (балканин, турфейс, перлит, керамзит, минеральные волокна) и органического происхождения (вспененный полистирол, поливинилформаль, полиэтилен, ионообменные смолы).

В отличие от земных условий при проведении биологических экспериментов в космосе (при условиях микрогравитации) устойчивость режима влагораспределения не обеспечивается ввиду того, что в ненасыщенной КС (зоне аэрации) происходит разносторонняя трансформация форм и состояний влаги. Корнеобитаемой среде в условиях космического полета свойственна значительная изменчивость параметров, определяющих поведение влаги (влажность, температура, влагопроницаемость, объем свободных открытых пор, интенсивность испарения, размер и форма пор), вследствие чего КС нельзя трактовать как однородную среду.

Поэтому для получения достаточно достоверной информации о влажности КС возникает необходимость введения в состав системы контроля определенного количества датчиков влажности с локальной зоной измерения, размещенных в разных местах корнеобитаемой зоны. Тогда при измерении влажности со всей совокупности датчиков следует ожидать получения достоверной картины влагораспределения в объеме, занимаемым корнеобитаемой средой. При этом датчик должен быть работоспособен в условиях микрогравитации, должен обеспечивать физиологическую норму культивирования растений, иметь минимальную массу и энергопотребление, обладать высокой надежностью и простотой эксплуатации, достаточным быстродействием и возможностью проводить измерения без разрушения образцов.

Для контроля уровня влажности капиллярно-пористых сред, к классу которых относится и корнеобитаемая среда, в принципе могут быть использованы различные методы измерения влажности [1]. Классифиация этих методов измерения приведена на рис. 1.

Рис. 1. Классификация методов измерения влажности.

Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяет теплоимпульсный метод измерения [2, 3], основанный на установлении зависимости изменения температуры локального разогрева КС от её влажности, вследствии того, что:

1) Особенности работы теплоимпульсного влагомера обеспечивают его работоспособность в условиях микрогравитации, что не возможно для термогравиметрии, экстракции, дистилляции и сорбционно — тензиометрических методов. В отличие от химического, радиометрического, ЯМР методов, предлагаемый метод не оказывает вредного воздействия на космический аппарат, дает возможность измерять влажность без разрушения КС, в отличие от механических методов. Активный метод измерения обеспечивает работоспособность в необходимом диапазоне влажностей, что не обеспечивается пирометрическим методом.

2) В отличие от электрических методов, имея малое энергопотребление, теплоим-пульсный метод работоспособен в среде с изменяющейся электропроводностью.

3) Достаточное быстродействие обеспечивает экспрессность получения информации.

4) Без разрушения КС возможно получение информации о локальных и интегральных величинах влажности.

Тем не менее до настоящего времени несмотря на 30-летние исследования, проводимые в условиях микрогравитации, не удалось создать автоматическую систему контроля уровня влажности КС на основе теплоимпульсного (или какого-либо другого) метода.

Это обусловлено тем, что, во-первых, теоретические исследования в области теплофизики почв тяготеют к использованию влагомеров с формами чувствительных элементов, близким к идеальным, чтобы применять простые аналитические зависимости. На практике же большинство производителей аналогичных приборов применяют простые и технологичные в изготовлении датчики. Во-вторых, существующий анализ инструментальных погрешностей теплоимпульсных влагомеров нельзя признать удовлетворительным из-за того, что долгое время этот метод считался неперспективным. В-третьих, отсутствуют универсальные математические модели и методики расчета зависимостей для датчиков влажности (зондов) оптимальной формы и учет зависимости теплофизических характеристик КС от температуры. В четвертых, отсутствуют проблемно-ориентированные структурные методы автоматизации измерения влажности.

Целью диссертационной работы является совершенствование теплоимпульсного метода измерения влажности, разработка математической модели теплоимпульсного датчика влажности, разработка новых методов калибровки датчика влажности, разработка средств автоматизации процесса измерения влажности.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

— составление зависимостей теплофизических параметров КС от влажности и температуры;

— анализ существующих теплоимпульсных методов измерения и конструкций датчиков и выявление их основных недостатков;

— разработка и реализация на ЭВМ математической модели теплоимпульсного датчика влажности;

— разработка нового интегрального теплоимпульсного метода измерения влажности;

— разработка алгоритмов расчета зависимостей характеристических параметров КС от значений теплофизических параметров корнеобитаемой среды;

— разработка методов калибровки теплоимпульсного датчика влажности и субстрата корнеобитаемой среды;

— синтез структурной схемы автоматического измерителя влажности;

— сопоставление расчетных и фактических погрешностей измерения влажности;

— оценка адекватности моделирования и обсуждение результатов испытаний.

Новыми результатами работы являются и на защиту выносятся:

— математическая модель теплоимпульсного датчика влажности;

— интегральный теплоимпульсный метод измерения влажности корнеобитаемой среды;

— алгоритмы расчета зависимостей характеристических параметров датчика влажности;

— методы калибровки теплоимпульсного датчика влажности и субстрата корнеобитаемой среды;

— структурная схема автоматического измерителя влажности;

— алгоритмы функционирования автоматического измерителя влажности.

Результаты работы внедрены в Государственном научном Центре Российской федерации Институте медико-биологических проблем.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему.

1. На основании анализа существующих теплоимпульсных методов измерения показано, что имеющиеся методы и средства измерения не позволяют получить высокоточный автоматический измеритель влажности.

2. Установлена целесообразность совершенствования метода измерения влажности ЭПБ, использования численных методов расчета для получения зависимостей датчика влажности.

3. Выявлена необходимость создания методов и средств автоматизации процесса измерения влажности.

4. Составлены разностные уравнения теплопереноса для датчика влажности и разработана математическая модель датчика влажности.

5. Разработан новый интегральный теплоимпульсный метод измерения влажности и методы автоматической калибровки датчика и субстрата корнеобитаемой среды.

7. Разработаны алгоритмы расчета измерительных зависимостей.

8. Проведен анализ погрешности измерения влажности.

9. Разработаны алгоритмы функционирования автоматического измерителя влажности.

10. Разработана структурная схема автоматического измерителя влажности, обеспечивающие взаимозаменяемость датчиков влажности любой конструкции и мощностей нагрева.

11. Проведена проверка теоретических результатов на опытном образце биолого-технического комплекса корнеобитаемой среды.

12. Создан и внедрен опытный образец биолого-технического комплекса корнеобитаемой среды высших растений (БТККС). Входящий в состав БТККС автоматический измеритель влажности по точностным показателям превосходит все аналогичные образцы, обеспечивая максимальную погрешность измерения в 6%, и среднюю не более 3%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.