CC BY
12
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 681.2.087
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ РАЗРАБОТАННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОЛЬЦЕВОГО ДЕНДРОМЕТРА С ЦИФРОВЫМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
И.Н. Рубцов
С помощью разработанного автоматического автономного высокочувствительного дендрометра было начато решение задачи разделения процессов, участвующих в динамике сезонного прироста стволов деревьев, на компоненты и анализа зависимостей внешнего влияния на каждый из них. Представлены результаты тестирования разработанного автоматического дендрометра на сосне желтой и сопоставление этих параметров с метеорологическими параметрами.
Ключевые слова: дендрометр, высокоточный абсолютный угчовой энкодер, движение потока соков в дереве, метеорологические данные, изменения диаметра ствола дерева.
Сезонные изменения размеров стволов деревьев происходят под действием разных процессов, имеют различные временные особенности и должны контролироваться с помощью разных измерительных устройств. Реальный суточный прирост некоторых быстрорастущих образцов может достигать ОД мм в сутки по радиусу ствола [1].
Среди процессов, влияющих на суточные колебания диаметра ствола, фотосинтез имеет четкую суточную периодичность, в то время как транспирация может иметь высокочастотные колебания помимо закономерных суточных колебаний. Эти высокочастотные колебания, возникают из-за изменений температуры воздуха, влажности, параметров состояния почвы.
Для фиксации различных (в том числе и высокочастотных) колебаний ствола дерева, их контроля и последующего анализа был разработан и апробирован программно-аппаратный комплекс, состоящий из автомати-
90
ческого автономного кольцевого дендрометра, в котором, помимо возможностей уже существующих приборов (дендрографов и пр.), были использованы возможности высокоскоростных цифровых методов измерений и обработки данных.
Разработанный авторами автоматический дендрометр использует в своей основе в качестве измерительного элемента, определяющего перемещения, абсолютный цифровой высокоточный угловой энкодер, имеющий разрешение выходного сигнала в 12 бит, или 4096 уникальных позиций на оборот. Для обеспечения требуемой точности и компактности был также разработан механический узел преобразования, конвертирующий линейные перемещения в угловые. Такой прибор в результате испытаний показал повторяемость и разрешение измерений в 2 микрона. Каждый прибор был оборудован предварительно откалиброванным цифровым датчиком температуры и влажности, позволяющим проводить измерения температуры с точностью до 0,01 °С и влажности с разрешением 0,05 %. Данный прибор, помимо собственно измерений этих параметров, используется для автоматической температурной коррекции благодаря применению в качестве измерительной ленты материала с заведомо известным коэффициентом теплового расширения.
Каждый такой прибор может работать как автономно, сохраняя результаты измерений на встроенную карту памяти формата шюгоЗЭ, так и в связке с беспроводным дата-логгером, координирующим работу сети таких устройств и отправляющим данные в автоматическом режиме на сервер в сети Интернет.
После натурных испытаний было решено использовать для материала измерительного кольца сплав N1 200 с коэффициентом теплового линейного расширения 13,3-10-6 °С-1. Благодаря этому удалось сделать результаты измерения менее зависимыми от внешних факторов.
Для стабильной передачи данных дата-логгер и датчик использует протокол ZigBee на частоте 2,4ГГц. Данный стандарт позволяет создать гибко конфигурируемые программно-аппаратные решения.
Для испытаний в данном материале использовался один автоматический кольцевой дендрометр в автономном режиме (рис. 1).
Рис. 1. Экспериментальная версия прибора
91
Прибор может работать с microSD-картами любого объема. Благодаря этому у него достаточно автономной памяти для хранения результатов измерений с довольно маленьким интервалом измерений - 5 минут.
После разработки прибора он был подвергнут калибровке с помощью предварительно поверенного измерительного стенда ETALON POLO, TESA TECHNOLOGY. Коэффициент корреляции данных, полученных с помощью данного прибора и эталонного, составил r2=0,998; p < 0,00001; n=50 (рис. 2).
Рис. 2. График сопоставления значений при калибровке
Для получения достоверных и точных результатов при работе кольцевых дендрометров должны быть использованы температурные корректировки [2]. Именно для этого в приборе использовался датчик температуры и влажности так же, как и материал с известным температурным коэффициентом расширения для измерительного кольца.
Для обеспечения измерений с точным временем, а также определения его местоположения (учитывая возможные кражи в лесу) комплекс имеет встроенный приёмник сигналов спутникового позиционирования Глонасс и GPS.
Данный прибор был протестирован в реальных условиях эксплуатации в горах Santa Catalina Mountains, Tucson, AZ, USA. Дендрометр был размещен на сосне желтой и настроен на измерения каждые 5 минут.
Для проверки точности измерений температурного датчика в реальных условиях сравнили полученные результаты с результатами размещенной в радиусе 10 метров от дендрометра откалиброванной метеостан-
ции, установленной на мачте, предназначенной для контроля атмосферных явлений (Mt Bigelow Eddy Correlation Tower). Координаты вышки: широта - 32° 25' 00" северной широты; долгота - 110° 43' 31,85" западной долготы. Данные были любезно предоставлены Greg Barron-Gafford, The University of Arizona.
Были получены коэффициенты корреляции 0,97 на минимальных и 0,94 на максимальных суточных температурах (рис. 3). Данные значения могут говорить о хорошей повторяемости результатов измерений в реальных условиях. Меньший коэффициет корреляции на максимальных значениях обусловлен разной солнечной радиацией из-за расположения крон деревьев.
Рис. 3. Коэффициент корреляции между данными, полученными устройством и метеостанцией на минимальных и максимальных суточных температурах
На рис. 4 изображены данные, полученные с помощью экспериментального дендрометра, а также изменения диаметра ствола дерева, температура и влажность. Данные получены в июне - июле 2013 года.
Авторами были подсчитаны значения 7-индекса для данных дендрометра, которые были сопоставлены с измеренным на метеостанции содержанием С02 и давлением атмосферного воздуха (рис. 5).
Заметно выделяются два события - незначительные осадки 6 мая и существенные колебания С02 и температуры выздуха 10 мая.
23.06-00:00 25 06-00:00 27 06-00:00 29 06-00:00 01 07-00:00 03 07-00:00 05 07-00:00 07 07-00:00 09 07-00:00 11 07-0000 100
"Т"
"Т"
"Т"
~1---1-1--1-г
/У*чгу^л'
£
I 50
Е
23.06-00:00 25 06-00:00 27.06-00:00 29 06-00:00 01 07-00:00 03 07-00:00 05 07-00:00 07 07-00:00 09.07-00:00 11 07-00 00 40
1 1 1
\ А ^А х/ V ^ Л /\И М л 1< ^ ^ и ЦК _:__V 1> А7\л МЛ Л / 1 К^ 1
23.06-00:00 25.06 00:00 27.06 00:00 29.06 00:00 01.07-00:00 03.07-00:00 05.07 00:00 07.07-00:00 09.07 00:00 11.07 00.00
Рис. 4. Величина прироста, температура и влажность, измеренные
с помощью прибора
01 05-00:00 06.05-00:00 11 05-00:00 16 05-00:00 21 05-00:00 26 05-00:00 31.05-00 00 05.06-00 00
01.05-00:00 06.05-00:00 11 05-00:00 16 05-00:00 21 05-00:00 26.05-00 00 31.05-00 00
1020
2 1015.
3
(Д
Ф 1010 о.
5 1005 1000
1 1 тшА
; IИ
■ 111111
01 05-00:00 06.05-00:00 11.05-00:00 16 05 00:00 21 05-00:00 26 05-00 00 31.05-00 00
Рис. 5. Данные дендрометра, С02 и атмосферное давление
Погодные изменения 10 мая - в концентрации С02, температуре и явные сокращения диаметра дерева примерно на 3 микрона были вызваны сильным ветром и меняющимися погодными фронтами (рис. 6).
Опытная эксплуатация дендрометра продолжалась около 3 месяцев в реальных условиях под воздействием разных типов климата - от сухого жаркого для муссонных дождей. Точность и стабильность работы прибора показали его перспективы для развития и использования в подобных измерениях.
Данные прибора хорошо коррелировались с заранее проверенными средствами измерений.
Результаты работы дендрометра и сравнение ассоциированных данных о движении потока соков в дереве и метеорологических условий показывают синхронную реакцию на изменения среды и предоставляют интерес для будущего анализа режимов внутренних процессов, происходящих в деревьях.
Рис. 6. События 10 мая 2013 года, 11 часов утра
Данный прибор имеет потенциал для эксплуатации в качестве станции автономных непрерывных измерений, может проводить контроль различных параметров на опытных участках либо использоваться для мониторинга работы лесной отрасли.
Выводы. Получаемые в результате работы прибора комплексные данные дают возможность для разделения интегрального сигнала на составляющие, что позволит получить зависимости изменчивости восходящих и нисходящих потоков сока внутри стволов деревьев от изменений внешних условий.
Список литературы
1. Wimmera R., Downesb G.M., Evansc R. High-resolution analysis of radial growth and wood density in Eucalyptus nitens, grown under different irrigation regimes // Annals of Forest Science. 2002. V. 59. № 5-6. P. 519524.
2. Bormann F.H., Kozlowski T.T. Measurements of tree growth with dial gage dendrometers and vernier tree ring bands // Ecology. 1962. V. 43. P. 289 - 294.
3. Clark N.A., Wynne R.H., Schmoldt D.L. A review of past research on dendrometers // For. Sci. 2000. V. 46. №.4. P. 570-576.
4. Parker R.C., Matney T.G. Comparison of optical dendrometers for prediction of standing tree volume // South. J. Appl. For. 1999. V. 23. № 2. P. 100-107.
Рубцов Илья Николаевич, асп., 3507777@gmail.com, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
FIELD TESTING OF A SELF-DEVELOPED AUTOMATIC BAND DENDROMETER
WITH DIGITAL MEASURING UNIT
I.N. Rubtsov
With a help of self-developed automatic autonomous band dendrometer we trying to find a way to separate the process of seasonal growth dynamics of tree trunks into components and to analyze the mechanisms of external influence on each of them. This article is about the results of testing newly developed automatic dendrometrw system on ponderosa pine and comparing its data with different meteorological data.
Key words: dendrometer, digital highly sensitive sensor, ascending and descending flows of substances in the trunks of woody plants, metrological data, changing diameter of the stem.
Rubtsov Ilya Nikolaevich, postgraduate, 3507777'agmail.com, Russia,Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
