автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Средства автоматизации процесса измерения влажности корнеобитаемой среды высших растений для условий микрогравитации

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ТЕПЛОИМПУЛЬСНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ КОРНЕОБИТАЕМОЙ СРЕДЫ

1.1 Зависимость теплофизических характеристик корнеобитаемой среды от 9 влажности и температуры

1.2 Однозондовый теплоимпульсный метод

1.3 Двухзондовый теплоимпульсный метод

1.4 Трехзондовый теплоимпульсный метод

1.5 Недостатки существующих методов измерения и влагомеров

1.6 Цель и задачи диссертационной работы 37 Выводы

ГЛАВА П. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕПЛОИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

ВЛАЖНОСТИ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДАТЧИКА ВЛАЖНОСТИ, 39 МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКА ВЛАЖНОСТИ И СУБСТРАТА КОРНЕОБИТАЕМОЙ СРЕДЫ

2.1 Теплопередача в корнеобитаемой среде

2.2 Сглаживание полученных зависимостей с помощью сплайнов

2.3 Математическая модель датчика влажности

2.4 Интегральный теплоимпульсный метод измерения влажности

2.5 Методы калибровки

2.6 Алгоритм вычисления зависимости

2.7 Алгоритм вычисления зависимости а{ап,()п)

2.8 Алгоритм вычисления зависимости 2„(готя)

2.9 Алгоритм вычисления зависимости Л Выводы

ГЛАВА III. СТРУКТУРНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ

3.1 Алгоритмы функционирования автоматического измерителя влажности

3.2 Структурная схема автоматического измерителя влажности

3.3 Средства подачи теплового импульса

3.4 Средства получения температурной кривой

3.5 Информационно-вычислительные средства

3.6 Устойчивость автоматического измерителя влажности

3.7 Инструментальная погрешность автоматического измерителя влажности

3.8 Быстродействие автоматического измерителя влажности 125 Выводы

ГЛАВА IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО

ИЗМЕРИТЕЛЯ ВЛАЖНОСТИ

4.1 Определение погрешностей измерения датчиков влажности в воздушно- 128 сухой корнеобитаемой среде

4.2 Определение погрешностей измерения датчиков влажности в 130 корнеобитаемой среде в состоянии полной влагоемкости

4.3 Определение погрешностей измерения датчиков влажности в 132 корнеобитаемой среде разного уровня влажности

4.4 Определение характеристик надежности БТККС

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

1. М.А.Берлинер, «Измерения влажности», Москва, Энергия, 1973 г.

2. Bingham, G. E., Salisbury F. В., Campbell W. F., Carmen J. G., 1994. The Spacelab-MIR-1 "Greenhouse-2" Experiment and Equipment. Microgravity Science and Technology. 22:7 p. 199-214.

3. Ivanova T.N., Kostov P.T., Sapunova S.M., et al. Sensors and methods for measurement of enviroment parameters in "Svet" space greenhouse. Comptes rendus de Academie bulgare Sciences,Tome 45, № 11,1992.

4. Yendler B.S., Podolsky I.G., Bingham G.E., et al. Moisture sensor for use in microgravity. 25th International Conference on Environmental Systems. Paper No 951471. 1995.

5. Yendler B.S., Podolsky I.G., Bingham G.E., et al. Moisture sensor for use in microgravity. 25th International Conference on Environmental Systems. Paper No 951471. 1995.

6. Kasubuchi, T. Hasegawa, S. Measurement of Spatial Average of field soil water content by the long heat probe method. Soil science and plant nutrition. J60, 10221028.

7. Bristow, K.L., G.S. Campbell, and K. Calissendorff. (1993). Test of a heat-pulse probe for measuring changes in soil water content. Soil Science Society of America Journal. 57(4):930-934.

8. Bristow, K.L., G.J. Kluitenberg, and R. Horton. (1994a). Measurement of soil thermal properties with a dual-probe heat-pulse technique. Soil Science Society of America Journal. 58(5): 1288-1294.

9. Kluitenberg, G.J., K.L. Bristow, and B.S. Das. (1995). Error analysis of heat pulse method for measuring soil heat capacity, diffiisivity, and conductivity. Soil Science Society of America Journal. 59(3):719-726.

10. Kluitenberg, G.J., J.M. Ham, and K.L. Bristow. (1993). Error analysis of the heat pulse method for measuring soil volumetric heat capacity. Soil Science Society of America Journal. 57(6): 1444-1451.

11. Lubimova, H.A., L.M.Lusova, F.V.Firsov, G.N. Starikova, and A.P. Shushpanov.1961. Determination of surface heat flow in Mazesta (USSR). Ann. Geophys. 14:157-167.

12. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов.1962.14. de Vries, D.A. 1963. Thermal properties of soils, p. 210-235. In W.R. Van Wijk (ed.) Physics of plant environment. North-Holland Publ. Co., Amsterdam.

13. Farouki, O.T. 1986. Thermal properties of soils, ser. on rock and soil mechanics. Vol. 11. Trans. Tech. Publ., Rockport, MA.

14. Jackson, R.D., and S.A. Taylor. 1986. Thermal conductivity and diffusivity. p. 945956. In A.Klute (ed.) Methods of soil analysis. Part 1. 2nd ed. Agron. Monogr. 9. ASA and SSSA, Madison, WI.

15. Sepaskhah, A.R., and L.Boersma. 1979. Thermal conductivity of soils as function of temperature and water content. Soil Sci. Soc. Am. J. 43:439-444.

16. De Vries, D.A. 1963. Thermal properties of soils, p. 210-235. In W.R. van Wijk (ed.) Physics of plant environment. North-Holland Publ. Co., Amsterdam.

17. Hillel, D. 1980: Measurement of soil wetness. In Fundamentals of Soil Physics, p. 125-134, Academic Press, New York.

18. Физические величины. Справочник. M. Энергоатомиздат. 1991.

19. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена. Москва, Изд. "Высшая школа", 1979.

20. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник). М., Энергия, 1978.

21. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Том 1.Водные свойства почв и передвижение почвенной влаги. Л.: Гидрометеоиздат, 1965, -664с.

22. Kasubuchi, Т. 1977: Twin transient-state cylindrical-probe method for the determination of the thermal conductivity of soil. Soil Sci. 124,255-258.

23. Kasubuchi, T. 1992: Modem instrumental techniques for soil analysis. 2. Measurement of soil water content by heat probe. Jpn. J. Soil Sci. Plant Nutr., 63, 359-363 (in Japanese).

24. Campbell, G.S., C. Calissendorff, and J.H. Williams. (1991). Probe for measuring soil specific heat using a heat-pulse method. Soil Science Society of America Journal. 55(l):291-293.

25. Carslaw, H.S., and J.C.Jaeger. 1959. Conduction of heat in solids. 2nd ed. Oxford Univ. Press, Oxford, England.

26. Jaeger, J.C. 1965. Application of the theory of heat conduction to geothermal measurements. p. 7-23. In W.H.K. Lee (ed.) Terrestrial heat flow. Am.Geophys. Union Monogr. 8. Am. Geophys. Union, Washington, DC.

27. Bristow, K.L. (1998). Measurement of thermal properties and water content of unsaturated sandy soil using dual-probe heat-pulse probes. Agricultural and Forest Meteorology. 89:75-84.

28. Bristow, K.L., R.D. White, and G.J. Kluitenberg. (1994b). Comparison of single and dual probes for measuring soil thermal properties with transient heating. Australian Journal of Soil Research. 32:447-464.

29. А.С.Телегин, В.С.Швыдкий, Ю.Г.Ярошенко. Тепломассоперенос. М.Металлургия, 1995.

30. Под ред. В.Н.Луканина. Теплотехника. М. Высшая школа. 1999.

31. К.А.Абгарян, Матричное исчисление с приложениями в теории динамических систем. М., Физико-математическая литература, 1994.

32. Ю.П.Боглаев. Вычислительная математика и программирование. М., Высшая школа, 1990.

33. Л.А.Самарский. Введение в численные методы, М., Наука, 1981.

34. К.Де Бор. Практическое руководство по сплайнам. М., Радио и связь, 1985.

35. Analog Devices corp. AD590 Two terminal temperature transducer. 1997.

36. Analog devices corp. AD592 Low cost, Precision 1С Temperature trabsducer. 1998.

37. Analog devices corp. TMP17 Low cost, current output Temperature transducer. 1996.

38. Analog devices corp. ADD22100 Voltage Output Temperature Sensor with Signal Conditioning. 1994.

39. Analog devices corp. ADD22103 Voltage Output Temperature Sensor with Signal Conditioning. 1995.

40. Analog devices corp. ADT14 Quad Setpoint, Programmable Temperature Monitor and Controller. 1997.

41. Analog devices corp. ADT45/ADT50 Low Voltage SOT-23 Temperature Sensors.1997.

42. Dallas Semiconductor corp. DS60 Micro-Centigrade Temperature Sensor. 1999.

43. National semiconductor corp. LM34/LM34A/LM34C/LM34CA/LM34D Precision Fahrenheit Temperature Sensors. 1994.

44. National semiconductor corp. LM35/LM35A/LM35C/LM35СA/LM35D Precision Centigrade Temperature Sensors. 1997.

45. National semiconductor corp. LM45B/LM45C SOT-23 Precision Centigrade Temperature Sensors. 1995.

46. National semiconductor corp. LM50B/LM50C SOT-23 Single-Supply Centigrade Temperature Sensor. 1996.

47. National semiconductor corp. LM60B/LM60C 2.7V, SOT-23 Temperature Sensor.1996.

48. Analog devices corp. TMP35/TMP36/TMP37 Low Voltage Temperature Sensors.1997.

49. Dallas Semiconductor corp. DS1820 1-Wire TM Digital Thermometer. 1999.

50. Dallas Semiconductor corp. DS1821 Programmable Digital Thermostat. 1999.

51. Dallas Semiconductor corp. DS1822 Econo 1-Wire TM Digital Thermometer. 1999.

52. Dallas Semiconductor corp. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer. 2000.

53. Analog devices corp. Serial Digital Output Thermometers TMP03/TMP04.1995.

54. А.А.Норох. Способ приема и передачи информации оптическим сигналом и устройство для его осуществления. Патент на изобретение № 2154906 от 20.08.2000 г. МКИ Н04В10/00.

55. А.А.Норох. Способ приема и передачи информации оптическим сигналом и устройство для его осуществления. Заявка на патент на изобретение № 2000105503 от 09.03.2000 г. МКИ Н04В10/00.

56. П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. Т.1. М: Мир, 1993. '

57. Н.Н.Калиткин, Численные методы, М., Наука, 1983.

58. А.С.Елизаров, Электрорадиоизмерения, Минск, Вышейшая школа, 1986 г.

59. Под ред Е.М.Душина, Основы метрологии , Ленинград, Энергоатомиздат, 1984.