СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ ЗРЕЛОСТИ СЕМЯН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к способам определения уровня физиологической зрелости семян сельскохозяйственных культур, и может быть использовано для оценки качества семян сельскохозяйственных культур.

Уровень техники

Известен инфракрасный тепловизор, состоящий из корпуса, с приемным окном, фотоприемника инфракрасного излучения, выполненного в виде фотодиода и размещенного в специальной камере, системы кадровой и строчной развертки, состоящей из зеркал кадровой и строчной развертки, системы фокусирования, выполненной в виде фокусной линзы, и предварительного усилителя, соединенного с ЭВМ, отличающийся тем, что инфракрасный тепловизор дополнительно содержит опорный контрольный излучатель, размещенный перед зеркалом кадровой развертки в верхней части, и плату интерфейса, которая соединена с ЭВМ через LPT-порт или с системой шиной USB, приемное окно имеет защитный элемент, выполненный в виде шторок или диафрагмы, камера фотоприемника инфракрасного излучения выполнена из металла, фокусирующая линза выполнена из кремния (см. патент RU №42412, МПК А61В 6/00, опубл. 10.12.2004).

Недостатком данного тепловизора является высокая стоимость оборудования и невозможность на тепловизоре, без дополнительной обработки на персональном компьютере получать информацию о температуре не в конкретной точке, а с определенной поверхности, кроме того, измеряющее устройство и измеряемый объект не имеют единого корпуса, что приводит к влиянию посторонних помех.

Так же известно устройство, инфракрасный термометр, содержащий корпус, на внешней стороне которого расположены дисплей и кнопка включения; в корпусе размещены инфракрасное сенсорное устройство, приемник излучения, аналого-цифровой преобразователь и автономный источник питания (см. патент RU №74282, МПК А61В 5/00, опубл. 27.06.2008).

Недостатком данного устройства является невозможность получить информацию о температуре с определенной поверхности, т.к. инфракрасный термометр предназначен для измерения температуры в конкретной точке, кроме того, измеряющее устройство и измеряемый объект не имеют единого корпуса, что приводит к влиянию посторонних помех.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип является пирометр спектрального отношения, состоящий из объектива, фотодиодного приемника излучения, светофильтра излучения, переключателя, усилителя, микропроцессора с двумя встроенными аналого-цифровыми преобразователями, элемента питания и индикатора температуры. Объектив фокусирует изображение объекта измерения на фотоприемнике. Светофильтр поглощает излучение видимой части спектра. При этом выходной сигнал фотоприемника подается через усилитель на микропроцессор. Сигнал с микропроцессора поступает на индикатор температуры, к которому можно подключить электронный индикатор, компьютер или самописец (см. патент RU №2485458, МПК G01J 5/60, опубл. 20.06.2013).

Недостатком данного устройства является использование объектива на основе оптической линзы, которая вместе с инфракрасным излучением пропускает и излучение видимой части спектра, кроме того, для устранения шумовых помех в устройстве применяется светочувствительный фильтр, что приводит к снижению чувствительности устройства за счет ослабления потока излучения.

Известен способ оценки качества семян, имеющих семядолю, который включает проращивание семян в растильне и проведение оценки их качества.

Проращивание семян осуществляется в течение 7-8 суток в зависимости от вида исследуемой культуры в растильне, стенки которой имеют высоту, равную оптимальной глубине заделки семян. При этом семена укладывают в ячейки растильни с имеющимися в верхней части прорезями, размер которых меньше габарита семядоли. Проводят подсчет количества петелек, которые вышли за пределы края растильни, а оценку качества семян проводят путем определения нормы высева по следующей формуле:

где Н - норма высева, кг/га; М - масса 1000 семян, г; К - количество всходов, шт/м²; Ч - чистота семян, %; В_з - всхожесть семян с петелькой более 3 см, %; В - всхожесть семян с петелькой менее 3 см, %; К - коэффициент, (см. патент RU №2362318 С2, МПК A23K 1/16, опубл. 27.07.2009).

Основным недостатком данного способа является невозможность определить и отделить всхожие от невсхожих семян до их прорастания и большое количество времени на проведение анализа.

Так же известен «Способ оценки посевных качеств семян», для анализа качества берут навеску семян, каждому семени присваивают номер, взвешивают на аналитических весах, на рентгеноскопической установке получают рентгенограммы семян и измеряют длину, ширину и периметр изображений. Сравнение проводится по следующим показателям: масса семян, площадь рентгенопрозрачности семян, длина семян, ширина семян, периметр непрозрачной части семян, удлиненность, длина гипокотиля 10-дневных проростков, вес гипокотиля 10-дневных проростков, вес надземной части 10-дневных проростков, вес семядолей 10-дневных проростков, среднее время появления всходов, (см. АС SU №1667667, МПК А01С 1/00, опубл. 07.08.1991).

Недостатками данного способа является значительная трудоемкость, занимает достаточно долгий период времени, требует большого количества ручной работы и при этом невозможно определить и отделить всхожие семена от невсхожих до их прорастания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип является способ определения биологически ценных семян кукурузы. Способ включает фотографирование семян тепловизором, до и после обрабатки электромагнитным полем крайне высокой частоты, после которой проводят сравнение температуры каждого семени до и после воздействия электромагнитного поля крайне высокой частоты. При этом фотографирование и определение температуры проводят перед обработкой электромагнитным полем крайне высокой частоты с длиной волы 5,6 мм и частотой 53,3-53,7 ГГц с экспозицией 10-15 мин и после окончания воздействия электромагнитным полем крайне высокой частоты проводят повторное фотографирование и сравнение температуры семян. Если разница температур составит от 3,3°C до 5,3°C, то семена не являются биологически ценными, а если разница температур составит от 5,3°C до 7,1°C, то семена являются биологически ценными (см. патент RU №2506734, МПК А01С 1/00, опубл. 20.02.2014).

Недостатками данного способа являются трудоемкость определения уровня физиологической зрелости партии семян в целом, что приводит к уменьшению точности проводимого анализа качества семян, продолжительность воздействия электромагнитного поля крайне высокой частоты 10-15 мин приводит к биостимуляции семян.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа определения уровня физиологической зрелости семян и устройства для его реализации, позволяющего за счет сокращения времени воздействия электромагнитного поля крайне высокой частоты на семена устранить эффект биостимуляции, а также оснастить селекционеров точным и объективным методом определения уровня физиологической зрелости партии семян сельскохозяйственных культур до посева и увеличение надежности измерения энергии инфракрасного излучения семян.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа определения уровня физиологической зрелости семян, включающий обработку семян электромагнитным полем крайне высокой частоты, при этом продолжительность воздействия электромагнитного поля крайне высокой частоты составляет 4-5 мин, при этом сравнивают разницу инфракрасного излучения семян до и после обработки электромагнитным полем крайне высокой частоты с эталонным графиком энергии инфракрасного излучения физиологически зрелых семян.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого устройства для определения уровня физиологической зрелости семян, содержащее объектив, линзу, аналого-цифровой преобразователь, при этом оно дополнительно снабжено корпусом, имеющим отверстие для помещения навески семян в нижней части корпуса, основанием, измерительным датчиком инфракрасного излучения, установленным в крышке корпуса, при этом нижняя часть корпуса, закрепленная к основанию размещенная в оправу, измерительный датчик инфракрасного излучения через аналого-цифровой преобразователь соединен с персональный компьютер, на котором установлено программное обеспечение для обработки данных, линзу объектива используют выполненную из кремния.

Таким образом, технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемых способа и устройства, сводится к сокращению времени воздействия ЭМП КВЧ на семена и повышению точности определения качества партии семян сельскохозяйственных культур до посева, увеличение надежности измерения энергии инфракрасного излучения семян.

Таким образом, технический результат достигается с помощью способа определения уровня физиологической зрелости семян, включающем обработку семян электромагнитным полем крайне высокой частоты с длиной волны 5,6 мм (частотой 53,3…53,7 ГГц), согласно изобретению, при обработке семян электромагнитным полем крайне высокой частоты продолжительность воздействия составляет 4-5 мин, при этом сравнивают разницу энергии инфракрасного излучения семян после обработки электромагнитным полем крайне высокой частоты и перед воздействием электромагнитным полем крайне высокой частоты, причем сравнивают разницу энергии инфракрасного излучения семян до и после обработки электромагнитным полем крайне высокой частоты с эталонным графиком энергии инфракрасного излучения семян полной физиологической зрелости.

Технический результат достигается с помощью устройства для определения уровня физиологической зрелости семян, содержащего объектив, линзу, аналого-цифровой преобразователь, оно дополнительно снабжено корпусом, имеющим отверстие в нижней части корпуса для помещения навески семян, основанием, измерительным датчиком, который измеряет энергию ИК-излучения, испускаемую семенами, а затем преобразует температуру поверхности семян в электрический сигнал, установленным в крышке корпуса, при этом нижняя часть корпуса, крепящаяся к основанию, помещается в оправу, формируемый сигнал с измерительного датчика поступает через аналого-цифровой преобразователь на персональный компьютер, на котором установлено программное обеспечение для обработки данных, причем линза объектива используется выполненная из кремния.

Сравнение заявляемого способа с прототипом показывает, что новым является сокращение времени воздействия электромагнитного поля крайне высокой частоты на семена, что позволяет устранить эффект биостимуляции семян.

Сравнение разницы энергии инфракрасного излучения до и после обработки семян электромагнитным полем крайне высокой частоты с эталонным графиком энергии инфракрасного излучения физиологически зрелых семян повышает точность определения качества семян сельскохозяйственных культур до посева.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает, что новым является использование в объективе заявляемого устройства кремниевой линзы, пропускающей только излучение в инфракрасном диапазоне.

Для измерения энергии ИК-излучения семян использован датчик, установленный в крышке корпуса.

Корпус, крышка, оправа для нижней части корпуса, основание обеспечивают исключение посторонних помех и повышение точности определения качества семян сельскохозяйственных культур.

Сущность способа определения уровня физиологической зрелости семян и устройства для его реализации заключается в следующем: отбирают навеску семян кукурузы в соответствии с ГОСТ 12036-85 - «Семена сельскохозяйственных культур. Правила приемки и методы отбора проб» и помещают в непроводящую тепло тару. Измеряют энергию ИК-излучение данной навески семян с помощью устройства для определения уровня физиологической зрелости семян. Затем эту навеску помещают под рупор излучателя ЭМП КВЧ на расстояние 1-4 см от излучателя и проводят обработку в течение 4-5 мин. Сразу по окончанию времени воздействия ЭМП на семена повторно измеряют энергию ИК-излучение навески семян устройством для определения уровня физиологической зрелости семян. Разность изменения температуры навески семян до и после воздействия на нее ЭМП КВЧ сравнивают с эталонным графиком энергии ИК-излучения физиологически зрелых семян в данной партии. Например, если температура нагрева семян составила 3,4°C, на эталонном графике энергии ИК-излучения физиологически зрелых семян данной фракции находим отметку соответствующую показанию температуры нагрева семян на 3,4°C и определяем, что данная навеска семян содержит 90% физиологически зрелых зерновок кукурузы.

Краткое описание чертежей и других материалов

На фиг. 1 дано устройство для определения уровня физиологической зрелости семян.

На фиг. 2, то же, эталонный график энергии ИК-излучения физиологически зрелых семян в данной фракции.

На фиг. 3, то же, график динамики изменения температуры зерновок кукурузы при воздействии на них ЭМП КВЧ.

Осуществление изобретения

Способ определения уровня физиологической зрелости семян и устройство для его реализации характеризуется эффектом нагрева диэлектрика в переменном электромагнитном поле, при этом диэлектрические свойства семян зависят от наличия и количества связанной воды в растительных клетках, а качество семян конкретной партии в целом устанавливают по величине нагрева навески семян на эталонном графике энергии ИК-излучения физиологически зрелых семян соответствующей данной фракцией семян.

Проведение анализа проходит в следующем порядке (на примере кукурузы):

1. Из партии семян кукурузы берут навеску семян 50 г методом среднего отбора пробы.

2. Данную навеску помещают в тару, изготовленную из теплоизоляционного материала (например, пенопласта).

3. Перед обработкой навески семян ЭМП КВЧ измеряют энергию ИК-излучения с помощью устройства для определения уровня физиологической зрелости семян (Фиг. 1).

4. Далее эту навеску помещают под рупор излучателя ЭМП КВЧ на расстоянии 1-4 см от излучателя и производят обработку при экспозиции 4-5 минут и длине волны 5,6 мм.

5. После окончания воздействия на навеску семян ЭМП КВЧ повторно измеряют энергию ИК-излучения с помощью устройства для определения уровня физиологической зрелости семян.

6. Используя эталонный график энергии ИК-излучения физиологически зрелых семян данной фракции (Фиг. 2), делают заключение об уровне физиологической зрелости семян в данной партии в процентном соотношении.

Устройство для определения уровня физиологической зрелости семян (Фиг. 2) состоит из корпуса 1, который с целью снижения потерь тепла и исключения шумовых помех обернут металлической фольгой (на фиг. не обозначен), используемой в качестве изолятора. Нижняя часть корпуса 1 помещена в оправу 2, крепящуюся к основанию 3. В нижней части корпуса 1 имеется отверстие (на фиг. не обозначено) для помещения навески исследуемых семян 4. В верхней части корпуса 1 помещается объектив 5 с кремниевой линзой 6. Энергия ИК-излучения навески семян 4 фокусируется на измерительном датчике 7 инфракрасного излучения с техническими характеристиками: температурная чувствительность - <80 мK; спектральный диапазон - 8-14 цм; погрешность - ±2°C, ±2% от показания, который помещается в центральной части крышки 8 с внутренней стороны. Измерительный датчик 7 инфракрасного излучения 1 подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 9. Аналого-цифровой преобразователь 9 поступающий сигнал от измерительного датчика 7 передает на персональный компьютер 10, на котором установлена программа ZetLab. Обработка данных происходит в программном обеспечении ZetLab - многоканальном осциллографе, предназначенном для оценки формы сигнала, измерения мгновенных значений и отображения параметрической зависимости сигналов.

Таким образом, устройство для определения уровня физиологической зрелости семян отличается тем, что для устранения посторонних помех инфракрасный датчик и объект измерения энергии ИК-излучения помещаются в закрытый экранированный единый корпус 1, а энергия инфракрасного излучения фокусируется на измерительном датчике 7 с помощью кремниевой линзы, пропускающей только излучение в ИК диапазоне, что позволяет исключить из конструкции светочувствительный фильтр.

Устройство для определения уровня физиологической зрелости семян работает следующим образом: навеску семян 4 помещают в нижнюю часть корпуса 1 через отверстие, которое закрывается оправой 2 для устранения посторонних помех. Навеска семян 4 является источником энергии ИК-излучения, которое кремниевой линзой 6, размещенной в объективе 5 в верхней части корпуса 1, фокусируется на измерительном датчике 7, установленном в центральной части крышки 8, которая помещается над объективом 5. Затем формируемый сигнал с измерительного датчика 7 инфракрасного излучения поступает через аналого-цифровой преобразователь 9 на персональный компьютер 10, на котором установлено программное обеспечение ZetLab - многоканальный осциллограф, где происходит обработка поступающих данных.

Эталонный график энергии ИК-излучения физиологически зрелых семян данной фракции строят следующим образом (на примере кукурузы) (Фиг. 3). По методике, описанной в патенте «Способ определения биологической ценности семян кукурузы» (см. патент RU №2506734, МПК А01С 1/00, опубл. 20.02.2014), отбирают три навески семян по 50 г. Первая навеска семян 4 должна состоять из семян 4 с наиболее высоким уровнем физиологической зрелости, что будет соответствовать 100% высокого уровня физиологически зрелых семян 4 в данной фракции, вторая навеска комплектуется из семян, на 50% состоящих из наиболее высокого уровня физиологически зрелых семян, и на 50% из семян с наиболее низкими показателями физиологической зрелости, что будет соответствовать 50% высокого уровня физиологически зрелых семян в данной фракции. Третья навеска 4 формируется из соотношения 20% наиболее высокого уровня физиологически зрелых семян 4, к 80% семян 4 с низкими показателями по физиологической зрелости, что соответствует 20% высокого уровня физиологически зрелых семян 4 в данной фракции.

Затем у первой навески семян 4 кукурузы измеряют энергию ИК-излучения с помощью устройства для определения уровня физиологической зрелости семян 4. Далее на данную навеску воздействуют ЭМП КВЧ в течение 4-5 минут длиной волны 5,6 мм. После воздействия ЭМП на навеску семян 4 снова измеряют энергию ИК-излучения. Например, нагрев первой навески семян 4 составил 3,8°C. Полученный результат изменения температуры у данной навески семян 4 соответствует уровню изменения температуры навески семян 4, состоящей из 100% высокого уровня физиологически зрелых семян в данной фракции. У второй и третьей навесок семян 4 соответственно изложенной методике определяют изменение температуры. Для второй навески семян 4 изменение температуры составило 1,9°C, что соответствует изменению температуры навески семян 4, состоящей из 50% высокого уровня физиологически зрелых семян в данной фракции. Для третьей навески семян 4 изменение температуры составило 0,7°C, что соответствует изменению температуры навески семян 4, состоящей из 20% высокого уровня физиологически зрелых семян в данной фракции.

По полученным данным строят эталонный график энергии ИК-излучения физиологически зрелых семян в данной фракции.

При равновесной влажности считается, что в зерновках присутствует вода только в связанном состоянии, которая характеризует количество питательных веществ, насасывающую способность при прорастании и определяет его физиологическую зрелость (см. Аскоченская, Н.Е. Состояние воды в растительной клетке. Обмен воды в семенах растений / Н.Е. Аскоченская, Е.А. Головина // - М.: Колос. - 1984. - №12. - Вып. 3. - с. 394-397. Аскоченская Н.А. Водный режим семян. / Н.А. Аскоченская // - М: Колос. - 1984. №11. - Вып. 4. - с. 258-263). У наиболее физиологически зрелых зерновок завершено накопление необходимых элементов, они имеют более высокую энергию прорастания и всхожесть (см. Толковый сельскохозяйственный словарь / Режим доступа - http://www.perfekt.ru/dictionaries/agro.html#AI 11.03.2014). Физиологическая зрелость отдельно взятых зерновок в семенах отражается на урожайности сельскохозяйственных культур. Посев семян различной физиологической зрелости выявил преимущество растений, выращенных с использованием семян, состоящих из наиболее физиологически зрелых зерновок, по всхожести и урожайности по сравнению с растениями, выращенными с помощью семян, состоящих из менее физиологически зрелых зерновок (см. Костюков И.О. Экологические аспекты семенной продуктивности и качества семян календулы лекарственной и салата листового: диссертация кандидата биологических наук 03.00.16. - Новосибирск, 2009).

Механизм влияния ЭМП КВЧ на биологические объекты основан на воздействии электромагнитного поля на электрически заряженные частицы либо полярные молекулы: в биологической ткани высокая полярность зарядов присуща только молекулам воды (см. Славин, В. Экологические чистые волновые технологии в сельском хозяйстве // Электронный научный семинар. 2005).

При резонансном проникновении в объем объекта (при воздействии на него ЭМП КВЧ) происходит преобразование энергии монохроматических миллиметровых волн в тепловую (шумовую) энергию молекулярной среды объекта по закону излучения Планка (см. Взаимодействие физических и биологических объектов с электромагнитным излучением КВЧ-диапазона / В.И. Петросян, Ю.В. Гуляев, Э.А. Житеева, В.А. Елкин, Н.И. Синицын // Радиотехника и электроника. - Вып. 1. - 1995. - с. 127-134).

На основании этого можно сделать вывод о том, что при воздействии ЭМП КВЧ на зерновки кукурузы будет наблюдаться их разогрев, который будет напрямую зависеть от количества связанной воды и характеризоваться диэлектрическими потерями.

Примеры конкретного выполнения способа определения уровня физиологической зрелости семян и устройства для его реализации

Пример 1. Проводят анализ уровня физиологической зрелости семян кукурузы, соответствующих ГОСТу Р 52325-2005 «Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия», при длине волны λ=5,6 мм и частоте 53 ГГц, в течение 10-15 минут.

Берут навеску семян 50 грамм методом средней пробы и определяют энергию ИК-излучения от этой навески семян с помощью устройства для определения уровня физиологической зрелости семян. Навеску семян 4 помещают в нижнюю часть корпуса 1 устройства для определения уровня физиологической зрелости семян через отверстие, которое закрывается оправой 2 для устранения посторонних помех. Навеска семян 4 является источником энергии ИК-излучения, которое кремниевой линзой 6, размещенной в объективе 5 в верхней части корпуса 1, фокусируется на измерительном датчике 7, установленном в центральной части крышки 8, которая помещается над объективом 5. Затем формируемый сигнал с измерительного датчика 7 инфракрасного излучения поступает через аналого-цифровой преобразователь 9 на персональный компьютер 10, на котором установлено программное обеспечение ZetLab - многоканальный осциллограф, где происходит обработка поступающих данных. Затем на данную навеску воздействуют ЭМП КВЧ в течение 15 минут длиной волны 5,6 мм. После воздействия ЭМП на навеску семян снова измеряют энергию ИК-излучения с помощью устройства для определения уровня физиологической зрелости семян. Температура нагрева семян составила 5,2°C.

Анализ уровня физиологической зрелости семян данным способом является длительным, а обработка ЭМП КВЧ семян в течение 15 минут приводит к биостимуляции семян кукурузы.

При проведении анализа уровня физиологической зрелости семян кукурузы были получены термограммы семян кукурузы при воздействии на них ЭМП КВЧ (Фиг. 3), с шагом в одну минуту. Из данных термограмм можно проследить поминутно время, когда у зерновок кукурузы по интенсивности преобразования энергии ЭМП КВЧ можно выделить зерновки с высоким уровнем физиологической зрелости. Из термограмм видно, что на 4-5 минуте нагрев зерновок различен, следовательно, для осуществления способа определения уровня физиологической зрелости семян достаточно воздействия на зерновки кукурузы ЭМП КВЧ в течение 4-5 минут.

Пример 2. Проводят аналогично примеру 1, но в течение 5 минут.

Температура нагрева семян составила 3,4°C. На эталонном графике энергии ИК-излучения физиологически зрелых семян в данной фракции (Фиг. 2) находим отметку, соответствующую показанию температуры нагрева семян на 3,4°C, и определяем, что данная навеска семян содержит 90% физиологически зрелых зерновок.

Пример 3. Проводят аналогично примеру 1, но в течение 3 минут.

Температура нагрева семян составила 2°C. Температура нагрева семян кукурузы недостаточна и, как видно из термограмм, для 3 минут (Фиг. 3) нагрев зерновок еще не достаточен для проведения анализа уровня физиологической зрелости семян, так как процесс преобразования энергии ЭМП КВЧ зерновками кукурузы еще не завершен.

Таким образом, оптимальным является пример 2, вследствие сокращения времени воздействия ЭМП КВЧ на семена и повышения точности проводимого анализа уровня физиологической зрелости партии семян.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующее преимущества:

- за счет сокращения времени воздействия ЭМП КВЧ на семена устраняется эффект биостимуляции;

- повышение точности определения качества партии семян;

- без проращивания определяется уровень физиологической зрелости партии семян;

- повышение надежности и точности измерения инфракрасного излучения семян.