Проблемы измерения излучения

Заканчивается многолетний период, когда натриевые лампы занимали в теплицах монопольное положение. Практически большая часть их спектра из-лучения находится в зоне высокой чувствительности человеческого глаза и, соответственно, прекрасно учитывается приборами для измерения светового излучения (люксметрами), которые обеспечивают высокую точность измерений и содействуют соблюдению требований технологии выращивания растений в условиях светокультуры.
Наступает период, когда в сооружениях защищённого грунта всё больше будут использоваться светодиодные системы излучения с различными спектрами. Один из наиболее распространённых – спектр с двумя пиками излучения, в синем и красном диапазоне ФАР, но возможны и многие другие варианты спектра. Это означает, что от привычной нам всем системы световых величин, где освещённость измеряется в люксах, во многих случаях придётся отказаться.
Излучения на границах ФАР соответствуют минимальной чувствительности люксметров и не могут быть измерены ими с достаточной точностью.
В этом случае световая система величин должна быть заменена новой, учитывающей особенности спектральной реакции растений. Предложения о создании такой системы величин для измерений ФАР высказывались за рубежом, и несколько десятилетий назад - у нас в стране. Основывались не на эффективной функции спектральной чувствительности фотосинтеза (часто забывают, что вид этой функции, полученной разными авторами, весьма существенно различается, поэтому ни о какой её стандартизации нельзя сёрьезно говорить), а на учёте количества излучаемых или падающих на поверхность растений фотонов, принадлежащих области ФАР.
При одинаковой мощности излучения в пределах 400÷700 нм вид функции спектральной чувствительности должен представляться в виде прямой линии, наклон которой определяется со-отношением количества фотонов, например, красного (700 нм) и фиолетового (400 нм) излучения.
В соответствии с логикой, заложенной в данную фотосинтетическую фотонную систему величин, при одинаковой мощности излучения максимальной эффективностью обладает красный диапазон ФАР. Он создаёт максимальное количество фотонов, обеспечивает максимальный фотосинтез (максимальное образование О2 и органического вещества) и, следовательно, максимальную продуктивность.
Конечно, в этом - условность системы. На практике наибольшее количество фотонов, упавшее на растение, совсем не обязательно означает наибольшую продуктивность даже для вегетативного растения. Важны ещё спектральный состав падающего излучения и фотопериод, не говоря уже о прочих основных факторах внешней среды, воздействующих на растения.
Общее количество генерируемых фото-синтетических фотонов в удобном для практики представлении получило название микромоль (мкМ), отсюда фотосинтетический поток фото-нов (PPF) – мкМ/с, фотосинтетическая фотонная облучённость (PPFD) – мкМ/м2с,∙и т.д.

Соответствие световой и фотосинтетической фотонной систем величин

Световая

Фотосинтетическая фотонная

Световой поток, лм

Фотосинтетический фотонный поток, мкМ/с

Освещённость, лм/м2 = лк

Фотосинтетическая фотонная облучённость, мкМ/м2с∙

Световая отдача, лм/Вт

Фотосинтетическая фотонная отдача, мкМ/с/Вт



На практике, как правило, приходится иметь дело со значениями PPFD – порядка несколько сотен мкМ/м2с, а суточная доза PPFD составляет уже один – три десятка М/м2. 
Ещё о новой величине, которая характеризует эффективность фитооблучателя или источника излучения. Это - отношение фотосинтезного потока фотонов к потребляемой мощности (PPF/W), которое имеет размерность мкМ/Дж. Для натриевого тепличного светильника этот показатель составляет 1,6-1,8 мкМ/Дж, для светодиодного фитооблучателя значение 2,0 мкМ/Дж считается очень хорошим уровнем. 
Нет необходимости скрывать, что новые единицы, не совсем привычные для российского тепличного сообщества, первыми в нашей стране стали использовать голландские специалисты. К сожалению, несколько лет назад в рекламных проспектах, презентациях и в устных выступлениях некоторые новые величины приводились некорректно, размерности указывались неправильно: вред этого очевиден. Нам приходилось неоднократно выступать против этих элементов технического вульгаризма. Хочется сделать это ещё раз в надежде, что этот период остался в прошлом.
Российские теплицы, как известно, вступи-ли в новую стадию развития. Макротехнология светокультуры набрала максимальные обороты и будет сохранять их многие годы. Количество тепличных площадей со светокультурой превысило уровень 500 га. Это больше, чем в Голландии, и, вероятно, чем в Китае. Искусственное освещение в новых овощных и цветочных теп-лицах используется до 5.000 ч в год и в самые тёмные месяцы года может превышать 90% от суммарной ФАР, падающей на растение.
В связи с этим я категорически против дальнейшего употребления термина досветка. Этот технологический вульгаризм, не соответствующий истине, должен быть изъят из обо-рота. Вместо него следует писать искусственное освещение при светокультуре - немного длин-нее, но зато правильно. Кроме технического аргумента есть и эмоциональный: упрощая название предмета или явления, мы рождаем упрощённое к ним отношение. Последствия, к сожалению, могут быть весьма неприятные.
Другой характерный признак этапа развития тепличного сектора, который мы вместе сей-час переживаем, связан с началом массового использования светодиодных фитооблучателей. В 2017 г. их будет установлено в теплицах более сотни тысяч штук. Развитие светокультуры и внедрение в практику светодиодных фитооблучателей подчеркнули важность формирования нормативной базы технологического освещения промышленных теплиц. До недавнего времени она, практически, отсутствовала. Более того, в известных "Методических рекомендациях по технологическому проектированию теплиц и тепличных комбинатов для выращивания ово-щей и рассады" (М., 2014) раздел 6.1 "Световой режим" изложен с грубыми ошибками. 
В 2016 г. во ВНИСИ были разработаны и в 2017 г. вышли в свет 2 государственных стандарта в области тепличного освещения (первые стандарты за всю отечественную историю!): ГОСТ Р 57671-2017 "Приборы облучательные со светодиодными источниками света для теп-лиц. Общие технические условия" и ПНСТ 211-2017 "Облучение растений светодиодными источниками света. Методы измерений". Оба стандарта посвящены светодиодной светотехнике для теплиц. 
В ГОСТ Р 57671-2017 приведена классификация светодиодных облучателей для теплиц, рассмотрены электротехнические и светотехнические требования, требования к конструкции, методы испытаний и т.д. Основным новым элементом этого стандарта является сформулированное впервые понятие фотосинтетического фотонного потока (PPF) и требования (в т.ч., количественные) к эффективности светодиодных фитооблучателей.
В предварительном национальном стандарте (ПНСТ 211-2017) приведена классификация осветительных установок со светодиодами в сооружениях защищённого грунта и рассмотрены 3 основные типа установок (верхнего освещения, междурядного и освещения многоярусных фитоустановок типа City Farm), предлагаются методы и схемы измерения фотосинтетической фотонной облученности (PPFD).
Хотел бы коротко коснуться перспективности внедрения в практику светодиодных облучателей, используемых в этих установках. 

Светодиодные облучатели верхнего освещения 
Существуют значительные технические трудности в создании мощных облучателей для замены традиционных светильников с НЛВД. Облучатели с принудительным воздушным охлаждением и, тем более, водяным вряд ли смогут конкурировать с существующими традиционными фитосветильниками. Эффективные конструктивные решения для отвода тепла путём естественной конвекции позволили создать светодиодные облучатели для замены приборов с НЛВД мощностью 600 Вт, обеспечивающие экономию установленной мощности, однако и здесь решающим становится экономический фактор. В качестве паллиативного варианта рассматриваются комбинированные системы типа НЛВД + светодиодный излучатель.
Тем не менее, несмотря на все негативные экономические и экспертные оценки, в настоя-щее время вводится в эксплуатацию крупная, не имеющая аналогов в мире, осветительная установка со светодиодными облучателями на одном из отечественных тепличных комбинатов. 
Светодиодные облучатели для междурядного освещения в светокультуре огурца и томата
В последние годы реализовано несколько пилотных проектов с апробацией указанной системы освещения, результаты которых оказались достаточно противоречивыми. Становится ясно, что экономический эффект от замены светодиодными облучателями натриевых мощностью 250 Вт может быть получен только, если будет одновременно предложена рациональная технология их применения. В пользу рассматриваемой замены свидетельствуют агрономические преимущества (отсутствие ожога листьев) и бóльшие удобства эксплуатации. 

Светодиодные облучатели для систем много-ярусного освещения 
Для фитоустановок этого типа светодиодные облучатели не имеют конкуренции, сами установки весьма перспективны для нашей страны с большим количеством малых городов и поселков, удалённых на сотни километров от крупных городов, в зоне которых расположены тепличные комбинаты. 
Люминесцентные лампы, которые, каза-лось бы, могли бы рассматриваться как альтернатива для многоярусных систем, в 1,5-2 раза менее эффективны, содержат ртуть и не могут использоваться в фитоустановках по экологическим соображениям. 
НЛВД малой мощности (50-70 Вт) также недостаточно энергетически эффективны, со-держат много ИК-излучения и будут приводить к перегреву растений в компактном объёме. 
Отметим, что вопрос применения светодиодных облучателей в установках City Farm необходимо решать комплексно с конструктивными решениями по отводу тепла при переходе от нижних ярусов к верхним.
Настало время перейти к практическим вопросам измерения фотосинтетического фотонного излучения светодиодных фитооблучателей.
В мире известно несколько производите-лей и, соответственно, типов приборов для измерения PPF и PPFD; один из них готовится к производству в России. 
ВНИСИ получил и провёл сравнительные испытания следующих приборов интегрального и спектральных типов: Li-COR (США), UPRtek (Тайвань), GLoptic (Германия-Польша), Spectrum Technologies (США) и ТКА (Россия). Ни один из них пока не включен в Госреестр средств измерений.
Была сформирована широкая программа измерений, для реализации которой ООО "БЛ Групп" изготовил 6 типов разноспектральных светодиодных излучателей (синий, зелёный, жёлтый, красный, 2 типа белых с различной цветовой температурой). Для измерений использовался также тепличный облучатель со стандартной НЛВД, были проведены измерения PPFD естественного излучения в ясную и облачную погоду, а натурные измерения состоялись также в одном из тепличных комбинатов. Подробные результаты будут опубликованы в журнале "Светотехника". 
При различных спектрах излучения в результатах измерений фотосинтезной фотонной облучённости PPFD получаемые данные имеют существенные расхождения. Таким образом, проведённая работа ещё раз показала, что для обеспечения единства и надёжности измерений, соблюдения требований технологии и достижения заданной продуктивности при выращивании растений в условиях светокультуры необходимо пользоваться измерительными приборами, про-шедшими официальную калибровку и внесёнными в Госреестр. 
Испытательный центр ВНИСИ, имеющий международную сертификацию, в течение многих лет проводит все необходимые виды испытаний и измерений параметров световых приборов и источников света, предусмотренные Государственными стандартами. По заявкам организаций и фирм проводятся, в частности, измерения светотехнических параметров тепличных светильников с НЛВД в световых величинах. 
В настоящее время, после совместных подготовительных мероприятий с Всероссийским НИИ оптико-физических измерений, начинают-ся измерения характеристик фитооблучателей и источников излучения в фотосинтетической фотонной системе величин. 


Картинка для анонса: 
Автор:  Л.Б. Прикупец
Место работы автора:  ООО "ВНИСИ им. С.И. Вавилова", ООО "БЛ ТРЕЙД"