CN104270938B - 压力测量和流率控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量细胞膨压的系统(树木膨压测定器)，其还可作为硬度计进行操作。该系统还可用作自动滴头，其中在这个实施例中，其通过压平板(1)以及通过利用托架(6)而被挤压在器官(4)上，托架(6)设有弹簧(5)，弹簧施加比处于由压力调节器(10)调节的水压和位于隔膜(3)下方的流体层(2)之间的乘积更高幅度的稳定的力，植物在隔膜上施加挤压力并堵塞水流。当蒸腾作用提供了在植物的细胞膨压方面的下降时，滴液就被起动，使得最终压力将低于经调节的水压。这种系统还可小型化，并通过利用柱塞(11)对水进行加压而用于测量蔬菜膨压。随着应用较低的压力迫使水穿过层(2)时，就可利用压力传感器(12)获得细胞膨压。作为备选，该系统可安装在带有盖子(13)和压力传感器(12)的封闭系统中，用于作为树木膨压测定器进行操作，同时托架利用弹簧(5)施加压力，从而可实现枝茎中的膨压的连续读取。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量细胞膨压的系统，其起到类似于用于测量枝茎的膨压的树木膨压测定器的作用，并且还用作测量水果和蔬菜硬度的硬度计，而且可应用于诸如野外、实验室、温室等条件下。该系统利用植物枝茎的压力和体积弹性来获得水生反应，并提供细胞膨压的读数，并且压力读数通过连续获得的数据来实现。为了在受到细胞膨压控制的流率下实现滴头的自动化，无论何时细胞膨压变得高于进入滴头的水压力时，都要完全堵塞滴液。为了在所述硬度计上读取采收后的条件下的细胞膨压，可将压榨力手动地应用于便携式仪器上，或者机械地应用于固定仪器上。
背景技术
高效的灌溉系统需要在不同发展阶段，在不同气候条件下有关植物特定需求的精确信息。许多技术是已知，例如用于直接测量土壤中的湿度的湿度传感器(张力计)。然而，根据植物的需求(通过测量膨压，其受到植物蒸腾的控制)控制灌溉将比根据土壤中的水的张力值进行灌溉更为有效得多，因为张力计可能存在缺点，如果它们没有经常维护的话，其将不能正确测量，这对于自动化而言是其中一个主要障碍，此外，在具有不同质地的土壤中会获得差异，其通常不与植物对水的实际需求相对应。
植物的膨压被公认为在细胞壁的内侧和外侧之间的压力差。对于溶质中给定的细胞含量，膨压随着细胞水势的下降而降低(其变得更负)。如果直接测量植物细胞中的膨压，那么可获得更可靠的有关水状态的信息。已经描述了用于测量膨压的各种类型的装置。用于测量植物细胞的膨压的参考仪器是细胞压力探针(Husken等人，1978年 Plant Physio第61卷第158-163页)。在这个系统中，填充了低粘性矿物油的微细管被引入细胞中。水/油弯月面被推后，并在水/油弯月面移动回到起始位置之后就立即通过在细胞压力方面借助于柱塞进行必要的增加，从而测量细胞膨压。
另一参考方法是利用文献PI9906212-7的热弹性探针，其测量液体的膨胀能力和可压缩性，从而用于测量细胞膨压。在这个系统中，使用的流体是包含在毛细管中的低粘性矿物油，毛细管在底部带有气密密封的球管。该系统用作传感器，人们通过提升温度，从而造成在油/水界面上且靠近毛细管末端所形成的弯月面返回初始的基准位置来依靠传感器测量压力，并且然后测量细胞膨压。除了膨压之外，热弹性探针可通过简单接触木质部壳内部的负压和甚至完好的表层组织细胞中的负压而实现测量(1999年 Calbo & Pessoa, R. Bras. Fisiol.
Veg.第11卷第129-136页；2001年 Pessoa
& Calbo, Eng. Agric.第21卷第210-217页)。
然而，Husken等人的传统的细胞压力探针(1978)和文献BR9906212-7的热弹性探针是用于显微镜下使用的实验室仪器，由于这个原因，它们不具有适合于例行应用和快速应用的便利性，这对于水果和蔬菜在采收前和采收后的成熟、衰老和水合作用的评估是必须的。另外，人们没有找到灌溉系统自动化的应用来满足农作物的水生需求。
另一方面，用于评估硬度的实际方法涉及在搬运、啃咬、擦拭、触摸、刺破和打破有待评估的产品时的人员挤压的机械仿真。用于评估硬度的方法是：(a)点的穿透力(1978年Journal of
The American Society for Horticultural Science第103卷第70-73页)；(b)测量由额定力造成的线性变形或测量造成额定线性变形所需要的力(1973年HortScience第8卷第391-392页)；(c)通过应用已知的力或撞击规定区域所需要的力而被压平的器官表面的测量(1981年V第20卷第15-21页；1985年Scientia Horticulturae第25卷第129-136页；1995年 Horticultura Brasileira第12卷第14-18页)，这里被称为压平方法。
在没有在其内部引入毛细管的条件下，通过压平测量蔬菜的细胞压力已经通过微球体张力测量法来实现，如文献US6277637中所述。在这个系统中，通过应用已知的力将玻璃微球体挤压在表层细胞上，接触区域根据贴靠在微球体上的细胞的压平直径借助于显微镜来确定。在表层细胞具有薄且柔韧细胞的情况下，在所应用的力和压平面积之间的比率是细胞膨压的估值。微球体张力测量法就像微细管细胞压力探针一样是不太实际的显微镜实验方法。
硬度的定量评估还可利用仪器来实现，这些仪器分析各种其它物理特性。因而，例如，有人已经研究出与文献US6643599相似的仪器，在这种仪器上，使用了在与器官相互作用和对器官穿孔的同时处于恒定力或恒定速度下的指针。这是一种产生精密结果的仪器，但与细胞膨压不是特别相关的。
Bernstein
& Lustig (1981年 Vitis第20卷第15-21页；1985年Scientia Horticulturae第25卷第129-136页)是使用压平方法测量葡萄和其它多汁水果中的膨压的先驱，但其可作为被隔膜包围的球体进行处理。Calbo & Calbo (1989年Revista Brasileira
de Fisiologia Vegetal第1卷第41-45页)延伸了这种方法的原理，使它们还可也用于具有规则且薄壁的表层组织的凸面器官，就如大部分水果和蔬菜的情况。最近研究出了简单的压平器模型和通过利用卡尺用于评估压平区域的程序(1995年 Horticultura Brasileira第12卷第14-18页)。
在硬度测量期间通过压平方法产生的可逆和不可逆的细胞变形后续得到了验证(1995年Horticultura Brasileira第76卷第365-370页；2000年Pesquisa Agropecuária Brasileira第35卷第2429-2436页)，并且Calbo & Nery
(2001年Brazilian Archives of Biology
Technology第44卷第41-48页)根据组织中的细胞间的气态体积的分数而建立了在细胞膨压和压平压力之间的数学关系。如Calbo & Nery (1995年Horticultura Brasileira第12卷第14-18页)以及本段落所考虑的其它相似的技术所述，压平方法仅仅用于测量具有规则且薄壁的表层组织的凸面器官的硬度。因而，具有不规则性的器官和那些具有不规则性的分段器官实际上难以通过仪器进行测量。
利用压平方法(1995年 Horticultura Brasileira第12卷第14-18页)，人们可跟踪由于各种产品例如块状根、小块茎和水果的脱水而造成的硬度损失。这些测量可在同一器官上重复进行，而不会损坏它，并因此在蔬菜改良程序中已经使用这种方法了选择基因类型。因而，Andrade等人(2005年Pesquisa Agropecuária
Brasileira第40卷第555-561页)已经研究出准则确定蕃茄水果的保存半衰期，其着眼于选择具有更大可存储能力的栽培品种。在由巴西拉夫拉斯联合大学(Federal University of Lavras)的Wilson Maluf教授所指导的本文和其它研究论文中所使用的公式具有如下类型：
Y = B + A (1/2)-t/t 1/2 (等式1)，
其中Y是压平的膨压或硬度；B是依赖于基因类型的硬度的基准值或渐近值，其被Andrade等人(2005)当作零值；A是零时间的硬度初始值，其从B中进行抵扣；并且t1/2采收后的半衰期，该特征可用于选择具有更大可存储能力的基因类型。
现在，在巴西市场上可得到的蕃茄栽培品种不再具有成熟标记基因，就如Kada栽培品种的情况。因而，限定“打断”成熟阶段使得该方法的使用变得很困难，就如其已经被采用的情形一样(2005年 Andrade-Junior等人)。然而，等式1可仅仅供成熟开始之后提取的数据使用。利用这种方法，估算成熟开始于当水果开始损失硬度的时刻。结果，借助等式1用于估算t1/2的测量值仅仅是在成熟开始之后进行才有效。在此之前获得的数据是采收的水果的完熟期前寿命的物理估算，其可通过读取内部环境中的乙烯浓度来证实。因而按天估算的完熟期前寿命的参数仍然没有用于蔬菜改良程序。
压平技术已经用于确定在番石榴和芒果的成熟期间的硬度损失。在类似茄子和甜菜的(1999年Scientia AGrícola第56卷第1045-1050页)以及胡萝卜(2000年Bragantia第59卷第7-10页；2003年Horticultura Brasileira第21卷第597-600页)的蔬菜的情况下，压平方法已经用于确定由于器官的蒸腾和继而脱水所引起的硬度损失。通过压平技术测量水果和蔬菜的膨压在后勤中也是有用的，其用于确定存储的散装水果和蔬菜的包装和堆叠的最大高度(2003年 Horticultura Brasileira第21卷第704-707页)。不管该方法的各种应用如何，仍然没有商业仪器用于进行这些膨压的测量。
为了确定植物中的水生应力，提出了其它类型的技术，其涉及挤压植物组织。例如Shayo-Ngowi & Campbell (1980年 Agonomy期刊第72卷第567-568页)已经研究出一种用于估算张力的“水压机”，利用它从细胞壁和叶子和分段组织的木质部壳中抽吸水。对于这种类型的测量，通常具有25mm2面积和高达3mm厚度的节段在透明玻璃板下进行挤压，直至汁液通过壳束开始涌出。根据Eldrege & Shock (1990年 American Potato期刊第67卷第307-312页)，“水压机”方法呈现出与马铃薯叶子中的利用Sholander压力室测量到的水张力的高相关性(Sholander等人，1964年美国Proceedings of the National Academy of Science第52卷第112-119页)。然而，该作者澄清采用“水压机”缺乏理论基础，这是一个缺陷，其已经部分地被Calbo等人的论文中所提出的研究成果克服(1995年 Annals of Botany第76卷第365-370页)和Calbo & Nery (2001年 Brazilian Archives of Biology and Technology第44卷第41-48页)。为了测量厚度在0.05mm至2mm范围内的叶子中的膨压，在2007年研究出一种被称为Wiltmeter的系统，其在多孔的刚性板上使用堵塞物，以堵塞具有大约5千帕压力的吹送的空气流。这种系统基于压平叶子的准则，以估算该器官中的细胞膨压(PI0705830-6)。读取的压力是借助于柔性隔膜将叶子推压到带多孔元件的压平板上而应用的压力，柔性隔膜用水充胀，水是利用柱塞而应用的。结果，Wiltmeter不适合于测量类似水果、根部和枝茎的庞大器官中的细胞膨压。通过隔膜所应用的压力通过叶子传递至压平板那么远(其中空气在叶子和板之间流动)，压力误差随着叶子的厚度，或者在切成片的器官的情况下随着切片的厚度而增加，所以应该优选在具有低于2mm厚度的样本上进行读取。通过从一侧利用可充气的隔膜施加挤压，并且从另一侧读取在板和叶子之间的空气渗透读数， PI0705830-6的系统并不适合读取或多或少圆柱形或椭面形状的大体积器官的硬度，而且不适合于与灌溉水的操纵自动化相关的应用。
同样对于叶子，Zimmermann等人(2008年 J. Expt. Bot.第59卷第3157-3167页)已经研究出一种用于测量膨压的托架，其具有插入在硅酮层下面的压力传感器。在这种仪器中，从叶子体积和膨压方面的变化中产生电压信号。为了测量，叶子被压在两个平板之间。第一板是刚性的，并且第二板用硅酮橡胶覆盖，并且内部包含压力传感器，其信号始终是应用于叶子中的压力的分数。根据作者所述，这种仪器可实现具有不同厚度的叶子的膨压数据的连续获取。在Zimmermann等人的系统中，叶子的压力通过非线性等式进行计算，等式的参数的定义涉及逼近法。另外，同作者自身利用细胞压力探针所做的细胞膨压的读取相比，传感器呈现出高达4小时的响应延迟。
暂时来说，除了间接地操纵之外，膨压测量没有用于操纵灌溉，其通过凭借类似于Alvim测树器但设有电连接的仪器来读取枝茎和水果直径方面的变化(1975年 Alvim, Turrialba第25卷第445-447页)。在测树仪的情况下，膨压和生长是两个变量，其合计用于确定枝茎直径。因而，因为测树器并不分离出细胞膨压的效应，所以其不能直接做出关于正确的灌溉时刻的判断。仍然不能获得可以连续方式测量膨压且与生长没有相互作用的仪器，以用于操纵灌溉水。另外，没有可用的惟独基于测树器的读数的系统用于自动化灌溉系统。
关于滴液系统和滴头，重要的是指出没有滴头的细节描述，滴头可由于减少枝茎以及其它植物器官的细胞膨压而被直接促动。后文中所述的滴液系统主要是从1970年以后着眼于节省水，防止侵蚀和减少矿物质营养素的浸取目的而发展起来的，以便将水更近地应用于植物。在1972年，Gillad在研究具有曲径密封件的注塑性滴头时提到了滴液系统的可适用性的某些确定的特征(GB139200)，用于水的曲径密封件消散了压力，没有如同微细管中所使用的薄的伸长的孔。这个原理由Gomey在1987年(US4655397)改进，当时他引入了涡旋滴头。然而，这些改良只是部分地满足理想准则，其根据Gillad所述为：a)均匀且低流率的滴落；b)滴头的不阻塞，即使没有使用高级水过滤系统；c)小的滴落单元以促进运输和安装。
Hardison在1975年(US3510500)描述了一种用于应用可溶解的矿物质营养素的滴灌系统Fertirrigation。在这种系统中，借助至少两个砂滤器，灌溉能在这些过滤器的其中一个被反流清洗时继续下去。这些具备应用水和肥料选项的滴液系统的使用带来了极有价值的农业可能性，但增加了滴头阻塞的问题。为了解决这个问题，带有柔性构件的滴头得到了重视。这些滴头的一种早前类型是Mullett在1977年所述的一种(US4037791)，其利用供铜线穿过的可塌缩的小直径的微细管，以便于水流过它。在这种系统中，滴头放置在软管的内部，其中压力的增加按比例地挤压微细管，因为软管内部的压力高于可塌缩的微细管出口处的大气压。因而，在挤压的微细管中保持了流率，而工作压力是变化的。插入的铜线在这个系统中抑制了根部或藻类的生长并减少了阻塞。不太容易阻塞的滴头是那些具有反虹吸管机构的滴头，类似于由Ruskin在2006年研制的滴头(US2006255186)，其还包含柔性隔膜，用于在水流被关闭以用于灌溉时密封住水的泄漏。这样，人们可防止在软管的某些部分形成的水张力造成通过滴头吸取到土粒，这会造成阻塞。然而，这些具有柔性或可塌缩构件的系统迄今为止并没有用于根据细胞膨压的变化而控制从滴头滴出水的流率。
本发明提出了一种用于利用动态弹性形状的系统，其植物的体积和细胞膨压随着水合状态而改变，从而构成一种用于读取类似于水果和枝茎的大体积器官中的细胞膨压的仪器，并且还提出了一种滴头，其自动地满足用于被灌溉的农作物的水性需求。由于植物的灌溉状态所引起的膨压和组织体积方面的弹性变化用于对这种压力测量和流率控制装置进行挤压、变形和促动。
发明内容
可从图1和图2中看出，为了用作自动滴头，本发明的系统利用了植物组织的弹性和压力，该系统使用被柔性隔膜(3)覆盖的压平板(1)，压平板包含了流体层(2)，流体层在受到挤压时堵塞相同流体的流，该流体通常为水或空气。灌溉水滴落开始于当通过压力调节器(10)调节后的管路中的水压变成高于植物组织的压力时，也就是说，当植物开始难以从土壤或衬底中吸收足够数量的水，以保持细胞膨压时。从图2中可以看出，相似的系统还可用于构造简单的仪器，用于测量植物器官的细胞膨压，其中压力借助于柱塞(1)来应用，并且利用压力传感器(12)来读取。通过将器官挤压在隔膜(3)上从而在流体隔膜(2)上引起的压平作用防止流体通过，直至应用的压力超过细胞膨压，并造成流动，在此情形下提取膨压的读数。流体层(2)的宽度可经过调节，以满足在器官和其它不规则结构上的应用，即使当它们特别小时。为了连续获取数据，流体层(2)一侧可联接在压力传感器(12)上，并且另一侧联接在盖子上(图3-13)。压平流体层(2)的区域即使在这种情况下也应该是伸长的，从而促进在不规则器官上的适应性。在采收之后，该系统可准备好便于携带使用，或者固定在底座上，基于此，挤压装置有助于读数的稳定性。
附图说明
图1是滴头，其中水的流率受到植物的弹性组织中的压力的自动控制，并且当植物组织中的压力变成低于压力调节器上所调节的水压时释放水；
图2是与图1系统相似的用于测量细胞膨压的系统；
图3是用于利用树木膨压测定器测量枝茎中的膨压的封闭系统；
图4是用于测量膨压的便携式系统；
图5是具有活动杆的系统，其可在器官被挤压于活动柱体的整个共面的表面上时实现更精确的细胞膨压的读取；
图6是具有可充气的隔膜的系统，其用于测定本发明的仪器和其它非破坏性地测量细胞膨压的应用；
图7：在蕃茄水果的硬度保持于成熟前阶段的周期之后(空的圆形)，进行被称为采收后半衰期的时间常数的调节；该数据可使人们确定成熟前存储天数(tpre)、采收后的半衰期(A)和基准膨压B。
具体实施方式
图1中所示的滴液控制系统和图2中所示的本发明的膨压测量系统利用了植物组织的体积弹性，也就是说，器官的体积随着组织中的细胞膨压以及水的动态可用性的增加而增加。
在图1中，存储板(1)用于通过支撑于托架(6)上的弹簧(5)而施加压榨力，以造成植物组织的压力应用于隔膜(3)上，隔膜覆盖了板(1)。这样，保持在柔性隔膜(3)下的小宽度的流体层(2)受到植物器官(4)的挤压并被压平，植物器官由薄壁组织组成，即由非特定的软的细胞组成。在图1中，隔膜(3)的挤压面积依赖于通过弹簧(5)施加的力和器官压力，当细胞具有薄壁时，器官压力最多等于细胞膨压本身。当器官(4)压力高于迫使水进入入口管道(8)的压力时，不会发生滴液(6)。在这种情况下不会发生水穿过出口管道(9)的情形，因为流体层(2)被完全压平。组成这些管道的材料可能是铜、钢、玻璃或任何其它刚性材料形成的毛细管。
随着土壤中的水的可用度的减少和蒸腾作用造成细胞膨压的减少，压力调节器(10)中的调节后的水压可能超过隔膜上的植物压力，并且滴水就开始了。所述压力调节器可能是那些可在市场上获得的用于控制气体和液体压力的调节器，单级调节器意图用于不太精确的应用，双级调节器意图用于更大精度的应用，这两种类型都可适用于本发明。在这种情况下，滴液操作能量由压力调节器上所调节的水压本身来提供。
用于测量细胞膨压的系统的被压平的流体层(2)优选是伸长且狭窄的，其可在应用的压力高于器官(4)所施加的压平压力的任何时候使流体通过。出于以下原因，这种长度超越宽度的优势是很重要的：a)应该减少涉及测量的器官的体积变化，从而可在只需要植物器官内部的水的察觉不到的运动的条件下实现水流率的快速控制；b)其对流率施加了最大限制；和c)其促进了滴头的小型化，从而使其甚至可用于相同小的观赏植物和蔬菜上。
大体而言，压平层(2)可减少至仅仅一个孔，即入口(4)，隔膜(3)搁置在该入口上。在这个隔膜上，当调节的水压超过器官的细胞膨压时，压平的器官压力容许流体逃逸。另一说明是将出口管道(9)转换成仅仅一个出口，其开在隔膜下面。这样，流体现在将自由逃逸。这种简化对于水生植物是很有用的，水生植物与自由水分保持良好的直接和连续的接触。
在图2中，在所示的手动应用的情况下，人们借助于柱塞(11)或注射器观察该操作系统。示例中的器官(4)借助弹簧(5)的压力而被挤压于简单静态的固定框架上的透明板(1)上，固定框架相当于图1中所示的托架系统。为了读取目的，人们提高注射器上的压力，直至水开始穿过图2的仪器，或者开始滴液。引起流体通过的这种较低的压力是植物器官的膨压的测量值，该读数在压力传感器(压力计)上进行读取。
图1中所示的自动滴液系统和图2中所示的用于测量水果和蔬菜膨压的系统的用于压平的流体层(2)的长度和主要的宽度可被小型化，并且可以很容易地减少至0.10毫米的宽度，该宽度大约是普通薄壁组织细胞的长度的幅度。更大的小型化概念上是可行的。
压平板(1)可由塑料制成，其可能是刚性PVC、透明丙烯或聚甲醛。其尺寸可依赖于样本的尺寸而变化。矩形形状的板的最大尺寸的可能的推荐值将是每1.5cm宽度最大4-5cm的高度，因为在这个尺寸以上需要具有高常数K的弹簧，这将导致利用硬弹簧。就最小尺寸而言，试验过每0.5cm宽度1cm高度的板，但概念上讲，如果有兴趣的话，可减小这个尺寸。这个板可通过配件(图1)或通过销(图2)而固定在弹簧系统(5)上。隔膜(3)可通过例如将中性固化的硅酮沉积到板(1)上来制成，并且可在0.5至5mm的范围内。用于压平的流体层(2)可借助于耐纶或聚乙烯条带来形成，其中醋酸固化的硅酮并不黏结在条带上，因此一旦隔膜被固化就可被拉脱和除去。隔膜的构造以及厚度并不依赖于枝茎或水果和蔬菜的应用。因而形成的用于挤压的流体层(2)具有与条带相等的宽度和厚度，条带用作制造模具。
为了测量整个水果和蔬菜，层(2)的宽度可在0.1至4.0mm范围内。对于例如图1所示的滴液系统的应用，用于压平的层(2)的宽度应尽可能地接近极限值(0.10mm)，使其可根据植物、土壤和气候等方面的情况而限制应用中的滴液速率。通常应该计算压平层(2)的宽度和长度，使得在调节后的水的压差为30千帕的情况下，水的流率将低于4升/小时。
层(2)的伸长形式以及器官需要在长度方向上压平仅仅这个敏感层的一部分促进了图1的滴液控制系统和图2的用于测量具有类似的流体涌出的水果的膨压的系统的使用。除了促进使用之外，这可实现在小的器官例如蔬菜和观赏植物的枝茎上，以及在不规则的多肉水果，如某些类型的黄瓜或胡萝卜根的表面上进行测量。
封闭系统
图3中所示用于测量细胞膨压的系统技术上可被称为树木膨压测定器，因为这是用于枝茎上的应用。在这种应用中，板(1)挤压隔膜(3)，并且因此挤压流体层(3)，流体层被器官压力压平，器官借助弹簧(5)而受到托架系统(6)的挤压。不同于图1和图2中所述，在图3中，该系统在出口管道(9)的一侧用盖子(13)关闭，并且在入口管道(9)的一侧连接到压力传感器(12)上，压力传感器可能是模拟的(观测员将手动地记录测量值)或电子的(其将需要电能或电池)。包含在这个系统中的流体优选是矿物油，其将容忍暴露于紫外线中。器官(4)的压力只造成层(2)上的部分压平，这将实现膨压的连续读取。借助图3的封闭系统获得的膨压数据可用于生态学研究和灌溉操纵应用。树木膨压测定器具有分开测量膨压的差异方面。这样，对于操纵灌溉是理想的，因为其不需要像普通树木膨压测定器那样分离膨压和生长的影响。因此，这是一种可用于操纵灌溉的系统，甚至是在处于活动生长阶段的植物上。
明显地，图3的系统可安装在与图2所示同等的固定支架上，用于采收后的应用。作为备选，图3的系统可针对图4中所示的便携式仪器的构造进行轻微的修改，其中用于读取水果压力的力手动地通过握住线缆(15)来应用在该仪器上，这替代了借助于压力传感器(12)和读取装置(14)而用于测量膨压的托架(6)和弹簧(5)的系统。同样在这种情况下，出口管道(9)用盖子(13)关闭，并且关闭在系统中的流体在隔膜和入口管道(8)以及出口管道(9)之间流动。在试验的流体入口管道之间，人们采用内径为0.1mm(对于小的枝茎或小的细胞组上的应用)至内径最多为1-2mm(对于更大的枝茎或水果和蔬菜)的管道。
在采收后，便携式系统是恰如实际的，并且可实现移动性，但更好的结果是在固定系统中获得的，其中压力由具有弹簧(5)的系统来提供，如图(2)中所示，其明显地可供具有封闭流体的读取系统使用，如图4的便携式系统所示。另一方面，便携式仪器在野外和零售应用中是有用的，因为其可组成新的方法，使得消费者在不操纵它的情况下将知道产品的硬度。借助清洗后的便携式仪器进行的读取当然可被归类为一种良好的农业实践。
除了读取稳定性之外，如图4中所示，在便携式仪器上的较低位置处，重要的是还要考虑细胞膨压可能随器官表面上的位置而变化。例如，在栽培品种“Kada Gigante”(Giant Kada)的蕃茄水果上，成熟开始于远端，并且该过程朝着花梗的插入方向前进，这是沿着半成熟水果长度的典型的放置标准。
在图3和图4的封闭系统中的具有流体的传感器上的测量中，器官(4)的定位更加困难，并且需要小心地进行，使得隔膜(3)下面的伸长的压平层(2)将被器官完全压住。出于这个原因，带流体的压平层(2)的伸长形状对于促进图3中所示的树木膨压测定器的定位，以及图4中所示的采收后使用的硬度计的定位都是很重要的，因为其促进了在伸长的或不规则的植物器官上的所述位置调节。
图3的压力读取系统是自动化的，电子化的。一个用作电能源，例如用于为商业压力传感器供给能量的电池，压力传感器可具有各种类型(例如，压电传感器或应变规类型的电阻伸长计)。
没有流体的系统
在图5中显示了一种用于在测量细胞膨压中利用水生弹性的无流体的系统。该系统具有活动杆(16)，其优选具有伸长的横截面，活动杆一侧支撑在测力传感器(17)上，并且另一侧具有位于柔性隔膜(3)下面的平面，该平面保持在实际上与板(1)的外平面相等的水平。杆不仅将器官(4)的压力传递给测力传感器(17)，而且还防止了杂质的进入，杂质可能会锁定杆(16)传递的运动和力的读取。
如同图3和图4的系统的情形一样，位于隔膜下面的杆(16)的整个横截面需要被植物器官的压力所挤压。大体而言，枝茎可被可在经受微观变形的同时测量细胞膨压的其它测力系统所替换，就如同各种测压系统的情形，例如那些基于电阻压电技术的测力传感器。
大体而言，同带流体的系统相比，为图5的枝茎准备好的硬度计对于空间定位和振动更为敏感。然而，如果从系统上除去枝茎，并且固态力和压力传感器上直接进行读取，那么可减少这种敏感性。
通过利用测压型测力传感器(17)，如图5中所示，器官(4)的压力通过将测量的力减去枝茎重量，除以枝茎的横截面积来获得。
生理因素
细胞膨压确定了醒目的器官的新鲜度外观，并且可能由于脱水、成熟和衰老而减小。细胞壁的厚度和较小比例地细胞间的气体体积会造成本发明仪器的测量值略小于细胞膨压。从蔬菜生理学的观点来看，有用的方面是减少压平区域中的细胞间的体积，但它们不会被完全取消，这可实现长时间周期的膨压测量，而不会对所研究的组织造成缺氧损害，例如图1的滴液应用或图3的树木膨压测定器。
为了本发明的仪器的测量而应用的挤压力应足以压平整个层(2)，在图3和图4的压力传感器的应用中，其位于隔膜下方，并且在图5中所示系统的杆(16)的整个横面下方。因而，在8kgf/cm2的极限膨压下，用于器官上0.10cm2面积的力通过将极限膨压乘以所述面积就可计算出。在这种情况下，人们获悉，压平0.10cm2的至少两倍大的面积所需要的力是1.6 kgf。
图3的安装对于跟踪野外的植物膨压，对于生态学研究以及对于生物评估方法是理想的，生物评估方法基于土壤和大气变量而用于操纵灌溉。另外，当前提出的系统还可用于应用除灌溉(deirrigation)不足的概念，这是一种正在研究的技术，并且市场上仍然没有用于此概念的足够的植物传感器。提出的系统倾向于在单子叶植物和草本植物上起到更好的作用，这些植物倾向于具有软的表层组织15，适合于本专利系统的应用。
在图3、4和5中，层(2)具有极小的宽度，用于对具有大于4毫米直径的草本植物进行滴液操作以及用于对例如根部和肋部进行实验室测量。对于图1的滴液应用，建议压平层(2)具有小于0.025mm2的微小面积和例如4至15mm的长度。这样，人们可以较低的流率，优选小于4Lh-l的流率应用水。如果压平面积为1mm×4mm，并且如果在有待测量的器官上，膨压升高至1.0MPa，那么弹簧(5)应该施加0.4至0.6kgf范围内的力。在图1的滴液系统中，压平不需要占据层(2)的全个长度。然而，器官对传感器的压平应该占据层(2)的宽度的许多倍，使其当膨压保持高于压力调节器(10)上所调节的水压的任何时候可有效地堵塞水流。
在本发明中同等相关的问题是受到挤压的器官组织的评估。这个体积依赖于各个器官的几何形状。然而，人们可通过对球冠的压平进行想象而得到大概的思想，其中器官的半径是这个球冠的半径。
球冠的体积如下所示：
V = 7π h (3 a2
+ h2)/6 = 7 π h2 (3R -h)/3 等式2
其中V是体积，h是压平的球冠的高度，a是压平区域的半径，并且R是器官的半径。从等式2中可得出：
h2 -2Rh
+ a2 = 0 等式3。
如果在所考虑的情况下，a2等于0.1cm×0.4cm的乘积的四分之一，那么如果R等于1cm，人们可计算出，压平的球冠的高度h为0.005cm，而且压平的组织球冠的体积V是79nL。这种变形大约为器官体积的万分之二，其从压缩应力的观点来看，据推测代表了微小且可逆的生物应力，这比在早先研究中必要的应力高几千倍，从而对蕃茄的成熟造成可检测的生理效应。如果被弹簧压平的面积翻倍，而植物损失膨压直至触发灌溉，那么根据等式2和3，压平的球冠体积将按照压平面积的平方按比例地增加，并且在所考虑的情况下从79nL达到316nL。
在出口管道(9)被盖子(13)关闭的条件下，流体根据细胞膨压进行加压。在图3中，就如同图1的实施例一样，除了具有足够的强度之外，隔膜(3)的厚度应该优选大约为压平层(2)的宽度，并且隔膜材料应该具有至少10MPa的体积弹性模量，其可被各种类型的柔性材料，例如硅酮橡胶所满足。
为了使得读取容易，图3和图4中所示安装有压力传感器的系统可具有狭窄的压平区域，其具有大约0.4mm的宽度和大约4mm的长度。位于压平区域(1)下方的总体积因而配置为160nL。为了在连接于这个压平区域上的压力传感器上读取高达1MPa的压力，在极限情况下计算出具有0.00078MPa-1的可压缩性的更大的可容忍的流体体积为0.205mL，在极限情况下，压平层(2)下方的整个流体体积被挤压在压力传感器本身上。因而，由于流体额外具有大约0.00078℃幅度的热膨胀能力，所以在这个系统中，出于更大的安全性考虑，建议将传感器(12)和入口管道(8)及出口管道(9)的内部死体积保持小于0.05mL。
为了测量这个系统，器官中的压力可上升至1.0MPa。因而，如果压平的椭面具有等于2mm的小直径和等于8mm的大直径，那么在特定的情况下图1、2和3中的弹簧力，或者握住线缆(15)的手力为1.25kgf，这是在传感器上挤压这个特定的表面区域或器官所必须的。
测定和标记
本发明系统的实施例并不需要校准，但它们可能进行不同的测定，以检验起到正确作用。例如，可通过与压力探针的比较，与压平技术的比较，或者优选通过将传感器挤压在图6所示的测定仪器的弹性隔膜(16)上而进行评估，弹性隔膜(16)的内部压力通过挤压柱塞(11)进行调节，并在压力传感器(12)上进行读取。由图5的测定系统应用的压力应该非常接近凭借图1、2、3和4中所示的被挤压在测定仪器上的仪器而获得的读数。在测定仪器的使用中，人们应该仔细，不要在测定仪器牢固地固定之前应用压力，从而不对用于施加测定压力的弹性隔膜(16)造成损伤。
除了测定的可能性之外，出于比较的目的，需要直到各种器官上的膨压值的大小。因而，通常会对于胡萝卜取得大约6kgf/cm2的值，对于马铃薯和洋葱取得约5kgf/cm2的值，以及对于叶子取得低于2kgf/cm2的值。大体上，新近采收且具有良好水合性的器官的膨压按生长顺序分别是：块根(5至10kgf/cm2)、小块茎(4–7kgf/cm2)、未成熟的水果(1.5–4kgf/cm2)、叶子(1–3kgf/cm2)和成熟的水果(0.2–1kgf/cm2)。在所有情况下，接近零的膨压值指示该产品要么脱水，或者已经衰老了，并且不适合于消费。膨压的标准稳态值指示了产品的品质和可接受度。这些稳态值通常在从商业可接受度的下限到采收时间所达到的三倍或更多倍高的膨压的范围内，商业可接受度的下限需要实验性地确定，并且通常具有高于40kPa的大小。
采收后的应用
图7根据水果表面上的始终相同区域上所读取的读数用数学表达式显示了典型的膨压变化，其代表了蕃茄水果开始成熟之后的情形(全圆)。在稳定的温度和高的湿度下(>90%)，这个曲线用于刺激采收后的半衰期。在这个曲线中由空圆代表的数据没有经过调节，但用于限定水果开始成熟之前的存储天数，成熟是由于乙烯引起的。
为了在超过3mm厚度或带肋条的平的器官或厚的切片上进行测量，板(1)应该略微凸起，并且压平层(2)应该具有小于0.4mm的宽度，从而人们可使该结构只沿着具有大约1或2mm或甚至更小厚度的条带而变形。
为了应用于零售店中的水果和蔬菜，该系统可以是便携式，安装在带读取器(14)的平板(1)上，如图4中所示，这种便携式仪器被手动地挤压在商业化的器官上。带有硬度值的暴露的表将给予买方产品膨压的比较概念。图4的硬度计测量是在购买期间劝阻触摸水果和蔬菜的备选方案，该做法在欧洲和美国并不普遍，在这些地方，卫生标准在社会上得到较好水平的应用。
非理想的情形
图3的系统因用于植物监测而为人所知，因为其可实现枝茎上的膨压的连续测量，而非普通树木膨压测定器所做的仅测量直径变化。这是一项重要的备选方案，因为膨压是简单判读的生理学变量，并且其可使人们限定阈值，低于该阈值就应该对植物进行灌溉。在这些情形中，枝茎通常只是大概具有用于执行有效测量的特性。
然而，在这些枝茎上，一些由于极小的硬化而造成的几何不规则性可在例如当其涉及软型态，例如剪枝时得以消除。在类似这种情况下，人们可利用具有足以填充所述不规则性的厚度的中性固化的硅酮层对该区域进行预处理，这样可使其被托架(6)和弹簧(5)的系统充分压平。
Claims (6)
1.一种压力测量和流率控制装置，其特征在于，包括压平板(1)，其设有空腔，流体层(2)设置于所述空腔中，所述流体层被柔性接触隔膜(3)包围，其中所述压平板(1)通过弹簧(5)的力进行固定，所述弹簧由销保持，并受到包围样本(4)的托架(6)的支撑；而且，所述装置设有处于经调节的压力下的流体供给，其包括连接在入口管道(8)上的压力调节器(10)，所述入口管道与形成所述流体层(2)的空腔以及出口管道(9)相互连通，所述出口管道设有滴液端(7)。
2.根据权利要求1所述的压力测量和流率控制装置，其特征在于，设有处于经调节的压力下的流体供给，其中，在该装置中，压力借助于通过管路连接到压力传感器(12)上的加压柱塞(11)来供应，所述压力传感器(12)则通过入口管道(8)连接到所述流体层(2)上。
3.一种封闭式压力测量装置，其特征在于，包括压平板(1)，其设有空腔，所述空腔具有流体层(2)，所述流体层被柔性接触隔膜(3)包围，其中所述压平板(1)通过压缩弹簧(5)进行固定，所述压缩弹簧由销固定，并支撑在包围样本(4)的托架(6)上；而且，所述装置呈现了联接在入口管道(8)上的压力传感器(12)，所述入口管道与形成所述流体层(2)的空腔以及出口管道(9)相互连通，所述出口管道在其末端处具有盖子(13)。
4.根据权利要求3所述的封闭式压力测量装置，其特征在于，压力传感器(12)分配在所述柔性接触隔膜(3)下面，且是固态传感器。
5.一种压力测量装置，其特征在于，由活动杆(16)组成，其一个面支撑在测力传感器(17)上，一个面与压平板(1)的外表面共面，所述活动杆处于柔性接触隔膜(3)的下面，所述柔性接触隔膜用于将压力从样本(4)传递给所述活动杆(16)和所述测力传感器(17)。
6.根据权利要求5所述的压力测量装置，其特征在于，测力传感器(17)分配在所述柔性接触隔膜(3)下面，且是固态传感器。
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