Портативная полевая система для комплексного анализа процессов фотосинтеза
Модель CIRAS-4
Производство компании PP Systems (США)

Общее описание системы

Система CIRAS-4 предназначена для проведения научных исследований, связанных с детальным анализом процессов фотосинтеза биообъектов растительного происхождения.

Система CIRAS-4 подходит для изучения газообмена растений, флуоресценции хлорофилла, почвенного дыхания, газообмена небольших растительных сообществ.

Система CIRAS-4 сочетает в себе прогрессивный дизайн, непревзойденную производительность и беспрецедентную компактность.

Внешний вид системы CIRAS-4:

 CIRAS-4 – точная, надежная и производительная портативная система, идеально подходящая для работы в полевых условиях.

Низкий вес и небольшая площадь основания консоли системы CIRAS-4 существенно снижают нагрузку на пользователя, позволяют производить меньше нарушений на рабочем участке, а также обеспечивают доступ в самые труднодоступные места.

Ударопрочный корпус консоли защищен от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Корпус состоит из алюминия и имеет ударопоглощающие накладки и основание из полиуретана.

Система питается от высокопроизводительной литий-ионной аккумуляторной батареи, обеспечивающей до 16 часов непрерывной работы.

Консоль системы CIRAS-4 может использоваться в двух вариантах: как открытая или закрытая система. В открытом режиме, отдельно стоящая консоль может служить дифференциальным газоанализатором CO2 и H2O, позволяющем анализировать общее содержание CO2 и H2O в окружающем пространстве. В закрытом режиме, укомплектованная фирменными или пользовательскими камерами, данная система позволяет производить исследования газообмена листьев, небольших растительных сообществ, почв и т.д. Система позволяет легко переключаться между этими двумя режимами функционирования.

Основные отличительные особенности системы CIRAS-4:

  1. Малая площадь основания и легкий вес консоли (4,8 кг);
  2. Встроенная литий-ионная аккумуляторная батарея, обеспечивающая до 16 часов непрерывной работы системы;
  3. Четыре независимых не дисперсионных инфракрасных газоанализатора, обеспечивающих точный анализ содержания CO2 и парообразной влаги (H2O) в рабочей камере;
  4. Автоматический контроль температуры, влажности, концентрации CO2 и уровня освещенности;
  5. Синхронное измерение параметров дыхания и флуоресценции хлорофилла на одной и той же листовой поверхности;
  6. Большой (7 дюймов) цветной ЖК дисплей (вариант исполнения – ЖКИ, работающий на пропускание и отражение (transflective LCD)) с оптимизированным углом наклона;
  7. Условно, неограниченный объем памяти для хранения данных (собственная встроенная память устройства + возможность подключения внешних запоминающих устройств);
  8. Гибкий, легко адаптируемый, пользовательский интерфейс;
  9. Мощное программное обеспечение, со встроенной функцией программирования.

Компактная управляющая консоль системы CIRAS-4

 

Реализация измерений концентраций CO2 и H2O


Система CIRAS-4 содержит четыре независимых не дисперсионных инфракрасных газоанализатора, позволяющих производить точные синхронные измерения концентраций CO2 и H2O в среде, окружающей образец. Конструкция из 4-х газоанализаторов позволяет производить должное усреднение показаний, благодаря чему существенно снижается уровень шума и повышается точность. Контур обратной связи и автоматическая система кондиционирования позволяют с высокой точностью контролировать содержания CO2 и H2O в среде, окружающей образец, в случае экспериментальной необходимости.

Для большей точности, воспроизводимости и стабильности результатов, из конструкции оптической части системы CIRAS-4 полностью исключены любые движущиеся части, такие как: мотор модулятора и барабан со сменными светофильтрами. Отсутствие движущихся частей, кроме того, позволило существенно повысить общую износостойкость системы и снизить общий вес системы. Газоанализаторы состоят из источника инфракрасного излучения, рабочих ячеек, имеющих ровную поверхность с золотым покрытием, и детекторов, оптимизированных под анализ CO2 (длина волны – 4,26 мкм) и H2O (длина волны – 2,60 мкм). Газоанализаторы действуют по принципу абсолютных абсорбциометров, т.е. измеряют величину поглощения (абсорбции) инфракрасного излучения с заданной длинной волны. Оптическая система снабжена также термическим контролем и системой компенсации колебаний давления.

Диапазоны измеряемых значений: CO2: 0-10000 мкмоль моль-1; H2O: 0-75 мБар.

Контроль условий среды, окружающей экспериментальный образец 

Система CIRAS-4 обеспечивает точный контроль условий среды, окружающей образец (температуры, влажности, освещенности и концентрации CO2). Система позволяет проводить разнообразные модельные эксперименты на растениях неинвазивным методом в полевых условиях. Каждый параметр контролируется автоматически, независимо и в широком диапазоне. Настройки на консоли можно изменять мануально (программное обеспечение будет осуществлять быструю доводку параметров окружающей образец среды под изменившиеся значения), а можно предварительно запрограммировать алгоритм эксперимента любой сложности.

Питание, требующееся для осуществления контроля за условиями среды окружающей экспериментальный образец, берется от литий-ионной аккумуляторной батареи, заключенной в контрольной консоли устройства. Вспомогательных внешних источников электропитания не требуется.

Внешний вид задней панели прибора:

 

Контроль концентрации CO2 в среде, окружающей образец.

Система CIRAS-4 контролирует содержание CO2 в среде, окружающей образец, самостоятельно и полностью автоматически, согласно алгоритму пользователя. Для работы системы не требуется специальных резервуаров с предварительно заготовленной экспериментальной газовой смесью или каких-то внешних смесителей и компрессоров. Система CIRAS-4 укомплектована встроенной высокотехнологичной автоматической точной и надежной системой кондиционирования газовой смеси, поступающей в экспериментальную камеру. Система точно доводит концентрацию CO2 в экспериментальной газовой смеси путем смешения чистого CO2 с воздухом очищенным от примеси CO2. Источником чистого CO2 является стандартный 8 г баллончик со сжатым CO2. Очистка атмосферного воздуха от примеси CO2 производится путем пропускания его через картридж с натронной известью. Информация о концентрации CO2 в рабочей камере считывается микропроцессором с газоанализаторов системы и через систему обратной связи регулирует работу электронных подающих клапанов и смесителей-блендоров. Контроль концентрации CO2 происходит без изменения скорости потока экспериментальной газовой смеси. Одного картриджа CO2 в среднем хватает на целый день полевых работ. Картриджи CO2 легко заменяются, а система клапанов и смесителей требует минимального технического обслуживания.

Диапазон контролируемых концентраций CO2: 0-2000 мкмоль моль-1.

Система CIRAS-4 может быть легко настроена для работы с атмосферным воздухом, без автоматического контроля концентрации CO2 в окружающей образец среде. Систему CIRAS-4 можно использовать как отдельно стоящий открытый дифференциальный газоанализатор CO2 и H2O, измеряющей содержание данных газов на экспериментальном участке.

Контроль температуры 

Модули температурного контроля являются стандартными и могут быть подключены к любой из фирменных рабочих листовых камер, производимых компанией PP Systems. Контролирующие температуру модули состоят из комбинации термоэлементов Пельтье, радиатора и вентилятора. Модули крепятся на верхнюю часть любой рабочей листовой камеры и позволяют осуществлять контроль температуры в среде окружающей экспериментальный образец. Пользователю предоставляется выбор из нескольких вариантов температурного контроля: довести температур воздуха в рабочей камере до заданного значения; довести температуру листа до заданного значения; довести температуру рабочей камеры до температуры окружающей среды; довести температуру листа до температуры окружающей среды.

Параметры температурного контроля могут быть отображены на дисплее устройства. Диапазон температурного контроля: от ~ 10°С ниже и до 15°С выше, по отношению к температуре окружающей среды. Пределы контроля температур: 0-45°С.

Контроль влажности

Системой CIRAS-4 осуществляется контроль концентрации водяного пара. Система имеет емкость с десикантом и контролируемую микропроцессором систему увлажнения. Система точно доводит концентрацию парообразной влаги в экспериментальной газовой смеси путем постепенного увлажнения атмосферного воздуха, прошедшего через емкость с десикантом. Информация о концентрации парообразной влаги в рабочей камере считывается микропроцессором с газоанализаторов системы и через систему обратной связи регулирует работу парогенераторов и смесителей-блендеров.

Контролируемый диапазон влажности: от 0 до точки выпадения росы, при каждой конкретной температуре.

Система CIRAS-4 легко может быть настроена для работы с атмосферным воздухом без автоматического контроля концентрации водяного пара в окружающей образец среде.

Контроль уровня освещенности (опция)

Все рабочие листовые камеры могут быть укомплектованы одним из компактных источников освещения на светодиодах, для автоматического контроля уровня освещенности (опция). Каждый источник освещения содержит систему красных, зеленых, голубых и белых светодиодов. Интенсивность свечения по каждому из четырех каналов может быть отрегулирована независимо и в очень широких пределах. 

Диапазон контроля освещенности по каждому каналу: 0-2500 мкмоль м-2 с-1. (диапазон варьирования освещенности может меняться в зависимости от типа осветительного модуля).

Интенсивность освещения в 2500 мкмоль м-2 с-1 позволяет воспроизвести условия, характерные для таких экосистем как высокогорье или пустыня. Такой уровень освещенности приводит к избыточному насыщению фотосинтетического аппарата и запускает процесс фотоингибирования.

Рабочие листовые камеры

Система CIRAS-4 может быть укомплектована одной из трех стандартных рабочих камер: универсальная, узкая и камера для хвойных. Данные камеры легко взаимозаменяются и поставляются в готовом к использованию виде. Каждая камера подключается непосредственно к консоли системы CIRAS-4. Материалы, из которых состоят рабочие камеры, позволяют свести к минимуму влияние различных неблагоприятных факторов на точность проводимых измерений.

Универсальная листовая камера PLC4 Universal Leaf Cuvette.


Например, сорбция паров воды на стенках камер и воздуховодов сведена к абсолютному минимуму. Сведено к абсолютному минимуму влияние утечек (диффузии) газовых смесей и различных концентрационных эффектов связанных с CO2.

Конструктивные особенности камер позволяют исключить влияние внешнего излучения дальней красной части спектра на процессы фотосинтеза изучаемого объекта. Камеры выполнены в виде двухстворчатых раковин-зажимов, позволяющих зажать и изолировать на время лист от окружающей среды. Края створок камер снабжены специальными прокладками из вспененной резины. Эти прокладки деликатно и плотно облегают образец, герметизируя камеру и не повреждая растение.

По умолчанию камеры комплектуются системами температурного контроля.

Камера PLC4 Leaf Cuvette комплектуется тремя сменными оконцами различного размера, используя которые пользователь может оптимизировать свою камеру под работу с листьями определенного размера. 

Окошечки камеры:

выполнены из прозрачного материала, обрезающего внешнее излучение дальней красной части спектра;

Количество сменных окошечек: 3 шт.;

Размеры сменных окошечек: 25 мм × 7 мм / 18 мм в диаметре / 25 мм × 18 мм.

Камера для растений с узкими листьями PLC4 Narrow (опция)

Данная камера подходит для экспериментов на узких листьях диких и культурных злаках, а также для отдельных хвоинок длиннохвойных растений.

Камера укомплектована одним миниатюрным силиконовым фотодиодным сенсором, позволяющим получать информацию о параметрах фотосинтетически активной радиации (ФАР) в плоскости образца. Снаружи, камера комплектуется датчиком ФАР. Внешний датчик обладает высокой точностью и полной коррекцией на косинус. Температура образца (листа, хвои) определяется с помощью встроенного температурного термистора. Кроме того, температура образца также может быть высчитана на основе общего энергетического баланса.

Камера может комплектоваться дополнительной модифицированной верхней створкой, использование которой позволяет легко превратить камеру PLC4 Narrow в вариант PLC4 Conifer.

Окошечко камеры: выполнено из прозрачного материала, обрезающего внешнее излучение дальней красной части спектра;

Размеры окошечка: 86 мм (Д) × 37 мм (Ш).

Камера для хвойных PLC4 Conifer (опция)

Камера PLC4 Conifer позволяет производить измерения не только на травах и листьях, но также и не небольших побегах короткохвойных растений. Камера имеет выпуклое полукруглое оконце, способное вместить 3D структуры (например, довольно объемные побеги короткохвойных растений).

Камера укомплектована одним миниатюрным силиконовым фотодиодным сенсором, позволяющим получать информацию о параметрах фотосинтетически активной радиации (ФАР) в плоскости образца. Снаружи, камера комплектуется высококачественным датчиком ФАР. Внешний датчик обладает чрезвычайной точностью и полной коррекцией на косинус. Температура образца определяется с помощью встроенного температурного термистора. Кроме того, температура образца также может быть высчитана на основе общего энергетического баланса.

Камера может комплектоваться дополнительной модифицированной верхней створкой, использование которой позволяет легко превратить камеру PLC4 Conifer в вариант PLC4 Narrow.

Окошечко камеры: выполнено из стекла;

Вариант исполнения: выпуклый полуцилиндр;

Размеры окошечка: 76 мм (Д) × 36 мм (радиус).

Четырехцветный источник освещения на светодиодах (RGBW-FR)

Компактный четырехцветный источник освещения доступен в качестве дополнительного аксессуара для всех типов рабочих камер системы CIRAS-4. Источник не входит в стандартный комплект поставки системы и, в случае необходимости, заказывается отдельно.

Данный источник освещения идеально подходит для проведения экспериментов в полевых условиях, т.к. является компактным, потребляет очень мало электроэнергии, генерирует очень мало тепла при работе и может быть легко установлен/демонтирован непосредственно в полевых условиях. Источник крепится к верхней створке рабочей камеры. Данный модуль специально разработан для получения кривых светового отклика растений. Параметры функционирования светового модуля могут задаваться мануально или изменяться автоматически, согласно предустановленной пользовательской программе эксперимента.

Модуль для изучения параметров флуоресценции хлорофилла CFM-4 (опция)

Модуль CFM-4 является вспомогательным аксессуаром к системе CIRAS-4. Будучи подключен к универсальной листовой камера PLC4 Universal, данный модуль позволяет в синхронном режиме, на одной и той же листовой поверхности, проводить изучение параметров газообмена и флуоресценции хлорофилла. Кроме того, возможно также проведение независимых исследований параметров флуоресценции хлорофилла, без анализа данных о газообмене. Источник освещения обладает компак5тным дизайном - возбуждающий флуоресценцию и детектор флуоресценции совмещены в одной компактной головке.

 

Модуль измерения флуоресценции хлорофилла – общий вид

CFM-4 модуль может использоваться в двух режимах: как источник актинического освещения при анализе процессов газообмена, и как импульсный флуориметр, позволяющий проводить точный многофакторный анализ параметров флуоресценции хлорофилла растений.

Исследования параметров флуоресценции хлорофилла могут быть проведены на любых растениях, как со световой, так и с темновой адаптацией.

Осветительный модуль флуориметра CFM-4 способен выдавать вспышки насыщения интенсивностью до 10000 мкмоль м-2 с-1. Система может также производить последовательные ряды насыщающих импульсов (количество стадий настраивается) с инкрементом на возрастание/убывание интенсивности свечения (величина инкремента настраивается), благодаря чему становится возможным рассчитать «видимое значение Fm'». Фирменные рабочие листовые камеры и программное обеспечение системы CIRAS-4 позволяют также использовать, с целью анализа параметров флуоресценции хлорофилла, любой другой портативный импульсный флуориметр, из имеющихся на современном рынке.

Измеряемые и высчитываемые параметры флуоресценции хлорофилла

Система CIRAS-4 позволяет анализировать следующие параметры: Fo, Fv, Fm, Fs, Fo', Fm', Fv/Fm, ΦPSII, J, Fv’/Fm’, qP, qNP, NPQ, qL, ΦNQ, ΦNQ-K, ΦNPQ-G, ΦfD и др.

Данные о параметрах газообмена листовой поверхности и флуоресценции хлоровилла могут быть отображены в цифровом или графическом режиме на одном или нескольких экранах, на усмотрение пользователя.

Технические характеристики CIRAS-4

Технические характеристики управляющей консоли

Газоанализатор

Не дисперсионный инфракрасный. Газоанализатор работает по принципу абсолютного абсорбтометра с микропроцессорным контролем линеаризации.

Количество газоанализаторов в конструкции прибора:

4 шт. независимых газоанализатора

Синхронные измерения CO2 и H2O в рабочей и контрольной ячейках газоанализатора

Наличие

Автоматическая корректировка экспериментальных данных по температуре и давлению

Наличие

Измеряемый диапазон концентраций CO2

0-10000 мкмоль моль-1

Точность измерений концентрации CO2

При 300 ppm

0,2 мкмоль моль-1

При 1750 ppm

0,5 мкмоль моль-1

При 10000 ppm

3,0 мкмоль моль-1

Диапазон контроля концентраций CO2 в измерительной ячейке

0-2000 мкмоль моль-1

Измеряемый диапазон концентраций H2O

0-75 мбар

Точность измерений концентрации H2O

При 0 мбар

0,015 мбар

При 10 мбар

0,020 мбар

При 50 мбар

0,030 мбар

Диапазон контроля концентраций H2O в измерительной ячейке

0-точка росы (при данной конкретной температуре)

Диапазон давлений

55-115 кПа

Система отбора газовых проб для анализа

Регулируемый встроенный воздушный насос, обеспечивающий непрерывный поток газа

Наличие

Контрольные и измерительные ячейки системы совмещены с расходометрами, для контроля скорости потока газа

Наличие

Скорость потока может быть отрегулирована пользователем

Наличие

Способ регулировки

Микропроцессорный контроль, согласно заданному в меню программного обеспечения алгоритму

Диапазон регулировки расхода газа

50-100 см3 мин-1

 

Модуль, обеспечивающий непрерывный поток газа через рабочую листовую камеру

Регулируемый встроенный воздушный насос, обеспечивающий непрерывный поток газа

Наличие

Скорость потока регулируется встроенным расходометром

Наличие

Диапазон регулировки расхода газа

0-500 см3 мин-1

Каналы ввода/вывода данных

Порты для подключения вспомогательных устройств

Наличие

Порты используются 

Для подключения внешних датчиков и рабочих камер (камеры для анализа почвенного газообмена, камеры для анализа газообмена небольших растительных сообществ и т.д.)

Цифровые каналы вывода данных

Наличие

USB-Mini b

Наличие

Стандартные USB порты

Наличие

Количество

2 шт.

Порты используются

Для подключения внешних накопителей информации, компьютерной мыши и других устройств.

Хранение информации

Встроенная память устройства

Наличие

Тип памяти 

Флэш

Объем памяти

32 ГБ

Назначение

Для хранения программ и результатов измерений

Объем памяти может быть расширен с помощью подключения внешних накопителей информации

Наличие

 

Скорость микропроцессора

528 МГц

Встроенный дисплей

Наличие

Размер дисплея

Диагональ 7 дюймов

Тип дисплей

ЖКИ, работающий на пропускание и отражение, цветной WSVGA

Встроенная клавиатура для программирования параметров функционирования системы 

Наличие

Тип клавиатуры

Мембранная, чувствительная к прикосновению (тактильная)

 

Питание устройства

От сети переменного тока, в лаборатории

Наличие

От аккумуляторных батарей, в полевых условиях

Наличие

Аккумуляторная батарея

Встроенная литий-ионная, 7,2 В

Заряда встроенной аккумуляторной батареи хватает

На 16 часов непрерывной работы устройства, в полевых условиях

Источник электропитания – адаптер (переменный ток/постоянный ток)

Входит в комплект поставки

Зарядное устройство для аккумуляторной батареи

Входит в комплект поставки

 

Диапазон рабочих температур

-5-50°С

Диапазон рабочих значений относительной влажности

0-100% (без образования конденсата)

Примечания

В условиях повышенной запыленности воздуха, для нормальной работы системы может понадобится внешнее устройство дополнительной фильтрации

Корпус консоли

Эргономичный, легкий, ударопрочный, устойчивый к воздействию влаги и грязи

Материал корпуса

Алюминий с ударопоглощающими накладками из полиуретана

Габариты консоли

28 см (Д) × 14,5 см (Ш) × 24 см (В)

Вес консоли

4,3 кг.


Технические характеристики стандартной рабочей листовой камеры PLC4

Конструкция

Материал исполнения рукоятки:

алюминий

Изолирующие прокладки, облегающие листовую поверхность:

состоят из пенопласта с закрытыми порами

Крыльчатки, болты и прочие детали, подвергающиеся серьезному механическому воздействию:

выполнены из высококачественной нержавеющей стали

Прозрачные оконца камер

Материал исполнения оконца универсальной листовой камеры «PLC4 Universal»:

Стеклянный инфракрасный интерференционный светофильтр

Размеры прозрачных окошечек универсальной листвой камеры «PLC4 Universal»

Примечание

универсальная листовая камера «PLC4 Universal» комплектуется сменными оконцами различного размера

Доступных вариантов

3

 

25 мм × 7 мм (площадь 1,75 см2)

18 мм Ø (площадь 2,5 см2)

25 мм × 18 мм (площадь 4,5 см2)

Материал исполнения оконца рабочей камеры для узких листьев «PLC4 Narrow»:

Стеклянный инфракрасный интерференционный светофильтр

Материал исполнения оконца рабочей камеры для хвойных «PLC4 Conifer»:

Устойчивое к образованию царапин стекло

Встроенный контрольный дисплей

Встроенный дисплей

наличие

Вариант исполнения дисплея

ЖК, 2 × 16 символов

Назначение

для удобства отслеживания параметров функционирования системы и процессов измерения, даже в самых труднодоступных местах

Встроенная клавиатура

Встроенная клавиатура

наличие

Количество кнопок

2 кнопки («записать» и «листать»)

Вариант исполнения

пленочная клавиатура, чувствительная к прикосновению

Внутренние датчики ФАР

Универсальная камера «PLC4 Universal»:

2 миниатюрных кремниевых ФАР фотодиода

Камера для узких листьев «PLC4 Narrow»:

1 миниатюрный кремниевый ФАР фотодиод

Камера для хвойных «PLC4 Conifer»:

1 миниатюрный кремниевый ФАР фотодиод

Спектральный отклик:

400-700 нм

Измеряемый диапазон интенсивности свечения:

0-3000 мкмоль м-2 с-1

Точность измерения

± 10 мкмоль м-2 с-1

Внешний датчик ФАР

Вариант исполнения

Силиконовая фотоячейка с системой светофильтров

Датчик имеет полную коррекцию на косинус, для анализа излучения, падающего под различными углами

Наличие

Спектральный отклик:

400-700 нм

Измеряемый диапазон интенсивности свечения:

0-3000 мкмоль м-2 с-1

Точность измерения

± 10 мкмоль м-2 с-1

Встроенный температурный датчик, для контроля температуры окружающей атмосферы

Вариант исполнения:

термистор

Измеряемый диапазон:

от -10°С до +50°С

Точность измерений:

±0,5°С при +25°С

Контроль температуры внутри рабочей камеры

Границы контроля:

10°С ниже / 15°С выше температуры окружающей среды

Температурный контроль возможен в диапазоне

от 0°С до +45°С

Анализ температуры листовой поверхности

Встроенный температурный датчик

присутствует во всех вариантах рабочих камер

Универсальная камера «PLC4 Universal»:

бесконтактный инфракрасный температурный датчик

Точность измерений:

±0,5°С при +25°С

Камера для узких листьев «PLC4 Narrow»:

термистор

Точность измерений:

±0,5°С при +25°С

Камера для хвойных «PLC4 Conifer»:

термистор

Точность измерений:

±0,5°С при +25°С

 

Габариты

32 см (Д) × 3,8 см (Ø ручки)

Вес:

0,750 кг.


Модуль для анализа флуоресценции хлорофилла CFM-4 (опция)

Источники освещения

светодиоды

Пиковая длина волны модулированного света

625 нм ± 5 нм (красный диапазон)

Интенсивность насыщающего света модулируется в пределах

0-10000 мкмоль-2 с-1

Свет в дальнем красном диапазоне

750 нм (обеспечивается 2-я ИК светодиодами)

Детектор

pin-фотодиод с фильтром, отсекающим свет с длиной волны > 700 нм

Метод детекции

Отслеживание высокочастотных импульсных модуляций (Rapid pulse peak tracking)

Площадь анализируемой листовой поверхности

1,75 / 2,5 / 4,5 см2