Введение к работе
Актуальность темы. За годы реформирования, в ходе которых осуществлялся переход на рыночные механизмы хозяйствования, аграрный сектор экономики оказался в кризисном состоянии. Объемы капитальных вложений в АПК (в сопоставимых ценах) уменьшились в 20 раз; парк основных видов сельскохозяйственных машин сократился на 40-50 %; посевные площади уменьшились на 32,3 млн. гектаров, или почти на треть. Применение органических удобрений снизилось в 6 раз, а минеральных в 7 раз. Поголовье крупного рогатого скота и свиней уменьшилось на 51 %, овец и коз - на 75 %, птицы - на 48 %. Производство зерна сократилось в 1,8 раза, сахарной свеклы - в 2,2, молока - в 1,7, мяса - в 2,2, яиц - в 1,4, шерсти - в 5,6 раза. Общий объем валовой продукции сельского хозяйства во всех категориях хозяйств снизился на 37 %, а доля отрасли в валовом внутреннем продукте страны сократилась с 16,5 до 7,1 %.
Создание эффективного, конкурентоспособного агропромышленного производства, обеспечивающего продовольственную безопасность страны, наращивание экспорта отдельных видов сельскохозяйственной продукции -важнейшие стратегические цели агропродовольственной политики государства сегодня. В перечень перспективных технологий включены направления, связанные с нанонаукой. Использование энергии электромагнитного поля различной частоты существенно дополняет возможности электротехнологии в сельском хозяйстве. Широкое применение аппаратов электромагнитного воздействия на биосистемы в сельскохозяйственном производстве перспективно, с точки зрения затратного механизма при проектировании, изготовлении и эксплуатации подобных устройств. Экспериментальные данные отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о повышении биологической активности при использовании электромагнитных полей (ЭМП) во всех частотных диапазонах. Механизмы действия неинтенсивных полей (электромагнитного излучения естественного поля Земли, современной электронной и электротехнической аппаратуры) изучены еще не в полной мере, а
в то же время большинство биологических объектов проявляют достаточно высокую чувствительность к ним. При наличии большого многообразия индивидуальных особенностей клеточных организмов, подвергаемых воздействию электромагнитных волн искусственного происхождения в сельскохозяйственном производстве, недостаточно разработана методическая и теоретическая концепции, позволяющие проектировать аппараты для электротехнологической обработки биосистем с целью стимулирования процессов жизнедеятельности.
Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках научно-исследовательских работ в соответствии с госбюджетной темой ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ» на 2000-2005гг. (№ГР01200113477 и на 2006-2010гг. (№ГР01200606851).
Рабочая гипотеза. Характер перемещения электронов по квазипериодическим молекулярным системам и его изменение при внешних электромагнитных воздействиях можно оценить с помощью аппаратно-программных продуктов, основанных на использовании высокоскоростной обработки сигналов и построении графиков интегральных оценок энергетических процессов в биологических системах.
Целью диссертационной работы является разработка метода экспресс-анализа электротехнологических показателей и выбор параметров установок для стимуляции жизнедеятельности объектов сельскохозяйственного производства при электрофизическом воздействии с его метрологической оценкой.
Объект исследования - биологические объекты сельскохозяйственного производства, подвергающиеся электромагнитному воздействию как естественного, так и искусственного излучения, и опытные образцы разрабатываемых для современных электротехнологий технических устройств и средств диагностики.
Предмет исследования - электрофизические методы определения количественных показателей, воздействующих на параметры сельскохозяйст-
венной продукции с математических моделированием динамических процессов объектов.
Методологическая база и методы исследования. В основу конструирования аппаратов и устройств электрофизического воздействия и средств экспресс-анализа результатов обработки сельскохозяйственных объектов, положен методологический прием, в рамках которого сами объекты и технология их обработки рассмотрены как сложные нелинейные системы, в которых происходят скоротечные по времени изменения параметров жизнедеятельности, определяющие в итоге энергетические и экономические показатели производства конечной продукции.
Поставленные задачи решались с использованием методов схемотехники, теории исследования биологических систем животного происхождения, теории вероятности и математической статистики, теории корреляционного и регрессионного анализов, методов активного планирования эксперимента.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
предложен новый метод экспресс-анализа результатов воздействий электромагнитных полей на биологические системы с использованием методов исследования твердого тела и применением аппаратно-программных изделий, основанных на высокоскоростной обработке сигналов в оценке энергетических процессов в исследуемых системах;
с помощью полной системы уравнений Максвелла определены пределы применения квазистатического приближения по оценке характера электромагнитных полей с учетом нелинейности, проявляющейся на мембране клетки, что существенно упростило решение электромагнитной задачи;
получены математические модели на основе дискретного и быстрого преобразований Фурье, которые положены в основу при проектировании прибора цифровой оценки сигналов биоэнергетической природы;
предложена инструментальная оценка спектральных составляющих электромагнитных полей разрабатываемых устройств электрофизического
воздействия на биологический материал на основе современных быстродействующих микроконтроллеров в составе аппаратно-программного изделия;
- обоснована методика электромагнитной обработки объектов биологического происхождения с определенными параметрами, влияющей на рост их активности в процессе жизнедеятельности.
Практическая значимость и ценность работы заключается в следующем:
-
Разработаны технические конструкции аппаратов магнитной обработки биосистем, использующие пульсирующее электромагнитное поле, вращающееся с заданной частотой и амплитудой, которые используются в сельскохозяйственном производстве ряда предприятий Южного федерального округа.
-
Создан цифровой прибор метрологической оценки электромагнитных составляющих полей с пакетом прикладных программ, обеспечивающих автоматизацию математических расчетов различных параметров проектируемых устройств.
-
Экспериментально получена конфигурация пространственной структуры с семейством составляющих электромагнитного поля активной части индуктора предпосевной установки, что позволяет использовать эти характеристики в целях оптимизации параметров подобных аппаратов в зависимости от их назначения.
-
Математически доказана возможность машинного проектирования отдельных технических узлов без их реального изготовления с целью ускорения самого процесса проектирования и снижения затрат.
-
Изучены вопросы использования индукторов с различными источниками питания и, как наиболее приемлемый вариант предложен источник промышленной частоты с изменяющимся электромагнитным полем в зависимости от требований биотехнологии.
-
Установлены общие закономерности обрабатываемых биологических сред по оптимальным зонам с учетом практического внедрения на предприятиях АПК края, включая вопросы генетики.
-
Представлено несколько оригинальных конструктивных решений аппаратов и устройств, предназначенных для воздействия электромагнитными полями различной интенсивности на семена растений, животных, эмбрионы птиц, растворы и жидкости, новизна которых подтверждена 16 патентами на изобретение.
-
Подготовлены для сельскохозяйственных предприятий рекомендации по применению и инструкции по эксплуатации разработанных в лаборатории университета аппаратов и устройств, использующих энергию электромагнитных полей.
Реализация и внедрение результатов работы.
В Департамент сельского хозяйства администрации Краснодарского края переданы результаты научных исследований по данной тематике, разработаны и утверждены рекомендации по применению и инструкции по эксплуатации комплекса устройств электрофизического воздействия на животных в сельскохозяйственных предприятиях АПК.
В конструкторское бюро производственного объединения «Протон» (г. Харьков) передана техническая документация и налажено промышленное производство приборов «Стимул-2» и «Стимул-3», используемых в системе мероприятий по борьбе с маститами в хозяйствах края.
Разработаны, изготовлены и более 9 лет успешно эксплуатируются аппараты магнитной обработки спермы быков-производителей, эмбрионов яиц птицы, семян растений, спиртовых растворов и воды на государственном племенном предприятии «Гулькевичское» Гулькевичского района, на птицефабриках Выселковского, Кореновского и Динского районов Краснодарского края, на ОАО «Биохимзавод «Кавказский» и ОАО «Ладожское» Усть-Лабинского района.
На IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций (ВВЦ, г. Москва, 2004) за разработку комплекса устройств для диагностики, профилактики и лечения мастита «Стимул» получена золотая медаль.
Материалы результатов научно-исследовательской работы используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ» при изучении дисциплины: «Электротехнология». Издана монография «Методология проектирования устройств и оценка электрофизического воздействия на биологические объекты сельскохозяйственного производства», предназначенная для научных и инженерно-технических работников, студентов, аспирантов и преподавателей высших учебных заведений.
На защиту выносятся:
концепция проектирования аппаратов, работающих на принципе высокоскоростной обработке сигналов биоэнергетической природы с применением микропроцессорной техники;
метод экспресс-анализа результатов электрофизического воздействия на биологические системы с использованием современных микроконтроллеров в составе аппаратно-программного изделия;
математические модели статических и динамических процессов, протекающих в электромагнитных аппаратах, исследованные на основе дискретного и быстрого преобразования Фурье и позволившие применить предложенную теорию конструирования устройств;
функциональные зависимости спектральных составляющих и параметры электромагнитных полей индукторов, полученные по предложенной методике, подтвержденные экспериментальными исследованиями;
новые конструкции электромагнитных аппаратов для биосистем различного назначения, у которых на стадии проектирования определены оптимальные воздействующие параметры;
результаты экономической эффективности используемых аппаратов и устройств электрофизического воздействия на объекты сельскохозяйственного назначения АПК.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-
преподавательского состава ФГОУ ВПО КубГАУ по энергосберегающим
технологиям (г. Краснодар, КубГАУ, 1998...2007 гг.);
- на международном симпозиуме по электротехнологии (г. Кишинев, 1998г.);
- на 1-й и 2-й Российской научно-практической конференциях «Физико-
технические проблемы создания новых технологий в АПК» (г. Ставрополь,
2001г., 2003г.);
на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы оптимизации затрат при передачи и распределении электрической энергии» (с. Див-номорское, 2003г.);
на Всероссийских научных конференциях «Разработка новых южнороссийских технологий и технической базы для возделывания зерновых в зоне засушливого земледелия» (г. Зерноград, 2004 - 2005гг.);
на международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования» (г. Волгоград, 2006г.);
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 46 печатных работах, включая монографию и 16 патентов на изобретения. Восемь научных работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, библиографического списка (332 наименования) и приложений. Диссертация изложена на 334 страницах, включая 18 таблиц и 108 рисунков.
Похожие диссертации на Метод экспресс-анализа электротехнологических показателей и выбор параметров установок электрофизического воздействия на объекты сельскохозяйственного производства
