Введение к работе
Актуальность проблемы. За последние 30 лет в России и за рубежом было выполнено большое число экспериментов с высшими растениями на борту космических аппаратов по исследованию фундаментальных вопросов космической биологии и решению биотехнических задач по отработке режимов и технических средств для культивирования растений в условиях микрогравитации.
Существуют различные методы выращивания растений, которые отличаются между собой видом корнеобитаемых сред (КС), способом подачи жидкости (воды или питательного раствора) в корнеобитаемую среду, а также конструктивными решениями отдельных элементов культивационных устройств. При выращивании высших растений на борту космических аппаратов система автоматического увлажнения и аэрации должна постоянно иметь данные о режиме газожидкостного обеспеспечения корнеобитаемой среды с целью предупреждения переувлажнения и обеспечения надлежащей диффузии воздуха. В отличие от наземных условий при проведении биологических экспериментов в условиях микрогравитации устойчивость режима влагораспределения не обеспечивается ввиду того, что в ненасыщенной КС (зоне аэрации) происходит разносторонняя трансформация форм и состояний влаги. 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 не только в объеме, занимаемым корнеобитаемой средой, но и около конкретного органа растения (корня, стебля и др.), т.е. формирования понимания с точки зрения экофизиологии растений интерфейс-климата растений.
Процесс контроля уровня влажности капиллярно-пористых сред в условиях микрогравитации, к классу которых относится и КС, может осуществляться с помощью различных методов измерения влажности, однако, наилучшие результаты были получены в 90-х годах с помощью теплоимпульсного метода, который долгое время считали неперспективным. Однако все применяемые при этом технические средства измерения влажности, в том числе и датчики влажности, имели ограниченные возможности как в способности обеспечить оптимальные условия при выращивании растений в условиях микрогравитации, так и в возможности автоматизации процесса получения информации при проведении космического эксперимента.
Серьезный недостаток экспериментов с растениями в космических полетах заключается в сложности и несовершенстве математической трактовки поведения влаги не только в реальных КС, но и обычных устойчивых пористых средах.
Вот почему остаются актуальными исследования по разработке
методов и средств автоматизации измерения влажности корнеобитаемой среды для условий микрогравитации.
Исследования по теме выполнялись автором в рамках плановых НИР и ОКР, предусмотренных Концепцией Российской космической программы.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса измерения влажности корнеобитаемых сред на основе теплоимпульсного метода измерения влажности и разработка средств автоматизации процесса измерения влажности КС высших растений для условий микрогравитации.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
- анализ существующих теплоимпульсных методов измерения и
конструкций датчиков влажности и выявление их основных недостатков;
- вывод зависимостейтешгофизических параметров КС от влажности и
температуры;
разработка и реализация на ЭВМ математической модели теплоимпульсного датчика влажности;
разработка интегрального теплоимпульсного метода измерения влажности;
разработка алгоритмов расчета зависимостей характеристических параметров КС от значений тешюфизических 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.
Методы исследований. При решении поставленных в работе задач использовались: классическая теория теплопереноса в твердых телах; численные методы решения уравнений теплопереноса, а именно метод Писмена-Рэкфорда и метод простых итераций; теория разностных уравнений; итерационный метод половинного деления; теория сплайн-функций; теория измерений; дифференциальное счисление и методы оценок погрешностей в первом приближении; методы математической статистики для обработки результатов измерений.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту.
1. Разработана математическая модель теплоимпульсного датчика влажности на основе разностных уравнений теплопереноса.
2. Предложен новый интегральный теплоимпульсный метод измерения
влажности корнеобитаемой среды, в котором реализуется учет температурных
зависимостей теплофизических параметров корнеобитаемой среды от
температуры.
-
Предложены структурная схема и алгоритмы функционирования автоматического измерителя влажности, обеспечивающие адаптацию к датчикам разной конструкции и мощности нагрева.
-
Получены экспериментальные данные, подтверждающие высокую эффективность разработанных средств автоматизации измерения влажности корнеобитаемой среды.
Практическая значимость. Использование совокупности теоретических положений и алгоритмически процедур позволяет:
разрабатывать теплоимпульсные датчики влажности с погрешностью измерения не более 3%;
разработать автоматический измеритель влажности, реализующий интегральный теплоимпульсный метод измерения;
использовать разработанные методы калибровки и самонастройки автоматического измерителя влажности при изменении типа субстрата КС и замене датчиков влажности;
расширить применение интегрального теплоимпульсного метода для использования в наземных оранжерейных комплексах автоматизированного выращивания растений.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке лабораторного образца биолого-технического комплекса корнеобитаемой среды БТК01-0133-059, применяемого в ГНЦ РФ ИМБП для проведения биологических экспериментов по выращиванию растений для контроля уровня влажности корнеобитаемой среды. Комплекс БТКО1-0133-059 обладает высокими метрологическими характеристиками, позволяющими контролировать уровень влажности корнеобитаемой среды с точностью 1-3% в зависимости от типа субстрата и мощности нагрева КС.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика -97» (Москва, 1997), на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника-99» (Москва, 1999) и на межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника-2000» (Москва, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в описании патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа содержит: 144 страницы машинописного текста, 48 рисунков, 10 таблиц , список литературы из 65 наименований, в том числе 45 иностранных. Объем приложения составляет 43 страницы.