Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1 Технологии предпосевной обработки семян 7
1.2 Существующие установки предпосевной обработки сзмян оптическим излучением 17
1.3 Источники оптического излучения для предпосевной обработки семян 26
1.4 Выводы 45
1.5 Задачи исследований 45
2 Теоретическое обоснование электротехнологии и оборудования для предпосевной обработки семян 47
2.1 Спектры действия ультрафиолетового излучения на процессы роста 47
2.2 Решение компромиссной задачи для определения рациональных диапазонов параметров предпосевной обработки семян УФ излучением 48
2.3 Вращающееся оптическое излучение в установке предпосевной обработки семян 51
2.4 Метод расчета установки предпосевной обработки семян УФ излучением 56
2.5 Выводы 61
3 Методики экспериментальных исследований 63
3.1 Методика определения спектра действия и экспозиции ультрафиолетового облучения на процессы роста семян 63
3.2 Методика определения оптимальных параметров предпосевной обработки УФ излучением 74
3.3 Методика исследования оптико-технических характеристик вращающегося оптического излучения в установке предпосевной обработки 75
3.4 Выводы 80
4 Экспериментальные исследования электротехнологии и оборудования для предпосевной обработки 82
4.1 Модель влияния экспозиции и длины волны на длину ростков озимой пшеницы 82
4.2 Модель влияния экспозиции и длины на энергию прорастания озимой пшеницы 88
4.3 Модель влияния экспозиции и длины волны на всхожесть озимой пшеницы 92
4.4 Определение рациональных диапазонов параметров предпосевной обработки семян озимой пшеницы 97
4.5 Разработка установки предпосевной обработки семян УФ излучением и исследование ее оптико-технических характеристик 99
4.6 Эффективность применения электрооптического преобразователя для предпосевной обработки семян 118
4.7 Выводы 122
5 Определение экономической эффективности применения трубчатого электрооптического преобразователя для предпосевной обработки семян пшеницы 124
Общие выводы 136
Литература
- Существующие установки предпосевной обработки сзмян оптическим излучением
- Решение компромиссной задачи для определения рациональных диапазонов параметров предпосевной обработки семян УФ излучением
- Методика определения оптимальных параметров предпосевной обработки УФ излучением
- Модель влияния экспозиции и длины волны на всхожесть озимой пшеницы
Введение к работе
Повышение урожайности сельскохозяйственных культур является главным условием дальнейшего развития сельскохозяйственного производства. С этой целью проводится большая работа по совершенствованию целого ряда агротехнических мероприятий.
По различным причинам семенной материал имеет различную степень жизнеспособности. До 60% семян получают микротравмы при обмолоте в процессе уборки комбайнированием. В большинстве своем они заражены семенной инфекцией, что в сочетании с почвенной инфекцией также приводит к недобору урожая. Семена с пониженным потенциалом должны подвергаться стимулирующим воздействиям, с целью повышения их посевных качеств.
Способы воздействия на семена с целью стимуляции очень многочисленны и разнообразны. Их можно разделить на две большие группы: химические и физические.
Использование химических веществ для предпосевной стимуляции семян достаточно исследовано и получена высокая эффективность такого агроприема, однако применение этого способа связано с необходимостью применения достаточно дорогостоящих химических препаратов. Кроме этого, применение ядохимикатов оказывает негативное воздействие на обслуживающий персонал и окружающую среду.
В последние годы для интенсификации растениеводства в практику сельского хозяйства стали внедрять электротехнологические методы воздействия на растения и семена зерновых и овощных культур с целью их стимуляции - повышения урожайности, ускорения роста и улучшения качества получаемой продукции. Одним из таких методов является предпосевная обработка семян оптическим излучением.
Предпосевное облучение семян уже на первых этапах их активной жизнедеятельности значительно влияет на физиолого-биохимические процессы, создавая необходимые предпосылки для интенсификации произрастания, роста,
5 развития растений и формирования урожая.
Одной из причин, сдерживающих широкое внедрение в сельскохозяйственные технологии этого метода обработки, является высокая неравномерность облучения материала по глубине слоя. Высокие неравномерность облучения семян и энергоемкость установок, недостаточное обоснование спектра действия и экспозиции делают работы, связанные с повышением эффективности электрооптических преобразователей для предпосевной обработки семян особенно актуальными.
Целью работы является повышение эффективности электрооптического преобразователя для предпосевной обработки семян пшеницы путем обоснования параметров оптического поля.
Объект исследования: оптикотехнические и технологические параметры работы электрооптического преобразователя для предпосевной обработки семян пшеницы.
Предмет исследования: закономерности воздействия оптического излучения на посевные качества и способ повышения равномерности облучения семян пшеницы.
Методы исследований: в работе использованы методы системного и математического анализа, элементы математической статистики, теории планирования экспериментальных исследований, дифференциального и интегрального исчислений, теоретических основ электротехники и светотехники. Результаты исследований обрабатывались с применением прикладного пакета статистических программ.
Научная новизна состоит в разработке и применении вероятностных статистических моделей для оптимизации параметров и режимов работы электрооптического преобразователя для предпосевной обработки семян пшеницы в поле вращающегося оптического излучения.
Практическая ценность: разработан электрооптический преобразователь, реализующий оптимальные параметры и режимы предпосевной обработки семян пшеницы; по результатам исследований разработана методика расчета электрооптического преобразователя для предпосевной обработки семян пшеницы; электротехнология предпосевной обработки семян, увеличивающая энергию прорастания на 12 % и всхожесть на 9,5 %.
На защиту выносятся: модели энергии прорастания, всхожести и длины ростков от длины волны и экспозиции; оптимальные параметры и режимы предпосевной обработки семян пшеницы оптическим излучением; конструкция электрооптического преобразователя для предпосевной обработки семян пшеницы с вращающимся полем оптического излучения и электротехнология предпосевной обработки семян.
Реализация результатов исследования. Результаты работы используются при изучении дисциплин «Светотехника и элетротехнология», «Облучение в с/х производстве» ФГОУ ВПО АЧГАА. Электрооптический преобразователь для предпосевной обработки семян пшеницы внедрен в ООО «СХП Мече-тинское».
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на научно-технических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА в 2003,2004,2005, 2006 годах и ФГОУ ВПО Кубанского ГАУ в 2004 году и ФГОУ ВПО Ставропольского ГАУ в 2006 году.
По результатам исследований подана заявка на патент и опубликовано 10 статей в сборниках научных трудов ФГОУ ВПО АЧГАА, ФГОУ ВПО Кубанского ГАУ, ФГОУ ВПО Ижевской ГСХА.
Электрооптический преобразователь для предпосевной обработки семян пшеницы был представлен на выставке «Промышленный потенциал юга России» в 2004 году.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и приложений, списка использованной литературы, включающего 108 наименований, в том числе 8 на иностранных языках, содержит 149 страниц основного текста, 76 рисунков, 25 таблиц, приложения на 7 страницах включают акты внедрения и расчетные таблицы.
Существующие установки предпосевной обработки сзмян оптическим излучением
В настоящее время для предпосевной обработки семян оптическим излучением используют различные типы источников лучистой энергии: лампы накаливания, люминесцентные, ртутные, ксеноновые, натриевые и др. Искусственные источники излучения, прежде всего, должны удовлетворять биологическим требованием растений - непрерывный спектр в диапазоне длины волны 300-1000 нм, отсутствие излучений, способных прямо или косвенно повлиять на нормальное развитие растений.
Широко используются установки для облучения семян ультрафиолетовым излучением. Установки для предпосевного ультрафиолетового облучения семян колосовых и кукурузы разработаны В.А.Чумаченко (ВИЭСХ) /73/. В установке производительностью 1,0 т/ч используется шесть ламп ДРТ-375.Схема электрических соединений установки показана на рисунке 1.2, облучение происходит при непрерывном движении семян по вибрирующему наклонному лотку. Потребляемая мощность установки 12 кВт. Опытами доказана допустимость облучения за несколько месяцев до посева семян.
К более эффективным факторам относится оптическое излучение, воздействующее на семена в виде отдельных чередующихся с паузами кратковременных импульсов /91,92/. Проблемам светоимпульсной стимуляции, как семян, так и вегетирующих растений уделяется большое внимание.
Однако до настоящего времени не выяснен механизм, определяющий влияние прерывистого оптического излучения на жизнедеятельность растений и семян. Это не позволяет выбрать научно обоснованные требования к количественным значениям параметров излучения, обеспечивающим максимальную эффективность воздействия на семена конкретных культур.
Степень стимуляции определяется значением энергии излучения, поглощенной семенами, которая зависит от спектрального коэффициента поглощения семян, уровня энергетической экспозиции, размера облучаемой поверхности семян.
Обычно требуемый уровень экспозиции устанавливают опытным путем и, как позволяет практика, он существенно зависит от вида сельскохозяйственной культуры. Установки светоимпульснои стимуляции семян должны быть универсальными и обеспечивать возможность варьирования в широких пределах параметров излучения.
Этим требованиям соответствует созданная на основе использования дуговой ксеноновой лампы типа ДКсТЮООО установка импульсной лучистой обработки семян - УИЛОС /91/. Лампа ДКсТЮООО может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме, спектр ее излучения охватывает спектральную область оптического диапазона от 200 до 1200 мкм, а в видимой области подобен солнечному.
Электрическая блок схема установки УИЛОС Лампа ДКсТ 10000 в этой установке работает в квазинепрерывном режиме. За время импульса перегрузки на нее вместо номинального напряжения сети 220 В подается напряжение 380 В, а в паузах между импульсами воздействует минимально возможное напряжение, поддерживающее горение в «дежурном» режиме. Таким образом, квазинепрерывный режим позволяет существенно повысить световую отдачу лампы по сравнению с дуговым при одновременном сохранении ее срока службы.
Конструктивно установка УИЛОС состоит из двух блоков - облучателя и блока управления. В корпусе облучателя, выполненного в виде усеченной пирамиды, установлены зажигающее устройство и диффузный отражатель, внутри которого размещена лампа. В зависимости от технологии предпосевной обработки семян, облучатель может размещаться либо над поддоном с семенами, либо над конвейерной лентой транспортера.
Установка УИЛОС в сравнении с другими, использующими лампы ДКсТ установками, имеет ряд преимуществ. Это повышение производительности, меньшие металлоемкость и энергопотребление, простота конструктивного исполнения. Кроме того, установка УИЛОС обеспечивает больший уровень облученности.
ЦНИПТИМЭЖ, ВИМ и ИБФ АН СССР создали передвижную облуча-тельную установку зерновую ОУЗ-2. Для предпосевного ультрафиолетового облучения семян сельскохозяйственных культур используются лампы ДРТ-1000. Производительность установки 1,5-2 т/ч.
Установка содержит щит управления, бункер для семян, качающийся транспортер, привод транспортера, кожух-отражатель с лампами, раму и меш-кодержатели. Для защиты людей от ожогов ультрафиолетовым излучением служат плотные брезентовые шторы /36/.
Транспортер длиной 6 м и шириной 0,9 м приводится в движение электродвигателем. Под первой секцией транспортера размещается пылеотсос с воздуховодом и вентилятором. Лампы ДРТ-1000 закреплены на высоте 0,6 м над транспортером в коробчатом кожухе-отражателе.
Решение компромиссной задачи для определения рациональных диапазонов параметров предпосевной обработки семян УФ излучением
Уравнение регрессии второго порядка, выражающее некоторую поверхность отклика, содержит большое количество членов, что не дает возможность судить о форме поверхности. Кроме того, представляет интерес изучение свойств поверхности отклика в окрестностях оптимума. При этом переходят от полинома второго порядка, полученного по результатам опытов, к стандартному каноническому уравнению Z-Zs=BirXj + В 22 Х2 +... +Вт Хш, (2.4) где Zs — значение параметра оптимизации в центре поверхности; Xj,X2,..-,Xn — канонические переменные, являющиеся линейными функциями факторов Xj,х2,...,хп; В Ц, В 22,..., В т -коэффициенты канонической формы. В нашем случае значение параметров оптимизации будет зависеть от двух канонических переменных, поэтому в общем случае каноническое уравнение будет иметь вид Z-Zs=Bn.XJ+B22.X22. (2.5) = bj + bj2 x2 + 2bj j -Xj =0, = b2+b21-xj+ 2b22 -x2=0.
Первый этап канонического преобразования - перенос начала координат в особую точку поверхности отклика — центр поверхности. Координаты центра S определяются решением системы уравнений 8Z (2.6) дх} dz dx2
Второй этап - поворот координатных осей в новом центре до совмещения с главными осями. Для двух факторов угол поворота может быть найден из соотношения tg2a= Ъп . (2.7) Ь11 - 22 Значения коэффициентов уравнения регрессии в канонической форме определяется с помощью уравнений 2 2 Вц = bjj cos a + bj2 sin а cos a + b22 sin a ; (2.8) В22 - 12 sin a bi2 sin a cos a + b22 cos ; (2.9) I 2 2 В12 - ( 22 Ьц)ш sin a cos a + (cos a - sin a). (2.10)
После того, как найдено новое начало координат, коэффициенты уравнения регрессии и углы поворота осей, анализируется уравнение в канонической форме.
Поверхность отклика представляет собой эллиптический параболоид, если коэффициенты канонической формы имеют одинаковые знаки. Центр фигуры является максимумом, если коэффициенты канонического уравнения меньше нуля и минимумом, если коэффициенты больше нуля. Контурные линии поверхности от клика (линии равного выхода) будут эллипсами (рисунок 2.1). Эллипс вытянут по той оси, которой соответствует меньший по абсолютной величине коэффициент в каноническом уравнении.
С помощью контурных кривых можно произвести поиск условного экстремума при нескольких параметрах оптимизации. Для этого контурные кривые накладываются друг на друга, и находится область, в которой все параметры оптимизации будут иметь удовлетворяющее значение.
Таким образом, переход от полиномов второго порядка, отражающих зависимости Z3=f(X ,Н), ZBc=f(X ,Н) и Zt=f(X ,Н), к стандартным каноническим уравнениям и совмещение контурных кривых, построенных с учетом этих уравнений, позволят определить диапазоны длин волн и уровня экспозиции, при которых энергия прорастания, всхожесть и длина ростков будут максимальными (рисунок 2.2).
Основным недостатком существующих установок предпосевной обработки семян оптическим излучением, приведенных в разделе 1.2, является недостаточная равномерность облучения семенного материала.
В предлагаемой конструкции трубчатого облучателя этот недостаток не устранен полностью, однако найден эффективный способ повышения равномерности облучения.
Для создания оптимальной экспозиции облучения семян 6 ламп ЛЭ-30 располагаются равномерно по внутренней стороне поверхности корпуса облучателя. Если лампы запитать по стандартной схеме включения, то трубчатому облучате-лю будет присущ недостаток существующих облучателей, а именно неравномерность облучения (рисунок 2.3).
В отличии от того, что в существующих установках семенной материал движется в виде сплошной массы, в трубчатом облучателе он находится во взвешенном состоянии, что улучшает условия облучения поверхности семян. Однако, как следует из рисунка 2.3, пространственное распределение ультрафиолетового излучения внутри облучателя неравномерно.
Методика определения оптимальных параметров предпосевной обработки УФ излучением
При изучении объекта исследования, так как была необходимо проанализировать три критерия оптимизации, производилось решение компромиссной задачи. Для этого велся поиск компромисса между этими критериями оптимизации, так как на экстремум для одной поверхности отклика налагаются ограничения других поверхностей отклика.
Компромиссная задача решалась с помощью двухмерных сечений /93/. Для этого при реализации матрицы плана одновременно рассчитывались три критерия оптимизации и составлялись три уравнения регрессии вида (2.1-2.3).
В качестве факторов выбраны: длина волны оптического излучения и уровень экспозиции, а в качестве критериев оптимизации - энергия прорастания, всхожесть, длина ростков.
Построение двумерных сечений функций отклика выполнялось в следующей последовательности. Определялись центры поверхностей отклика путем взятия частных производных по каждому фактору и приравнивания полученных выражений к нулю. По формулам 2.7-2.10 проводилось каноническое преобразование модели второго порядка. После канонического преобразования определялся тип поверхностей отклика и проводился графоаналитический анализ полученных выражений. На графиках в координатах независимых переменных нано сились центры поверхностей отклика и из них проводились координатные оси главных направлений канонических уравнений. Затем, придавая различные значения критериям оптимизации в канонических уравнениях, строились серии кривых равного выхода. По кривым сечений судили об изменении критерия оптимизации в зависимости от натуральных значений рассматриваемых факторов. Для определения рациональных диапазонов параметров и режимов предпосевной обработки семян ультрафиолетовым излучением анализ уравнений регрессии и построение двухмерных сечений производился одновременно, и линии равного уровня для всех трех критериев оптимизации наносились на один чертеж. При этом оптимальное значение одного критерия принималось в зависимости от значения других.
На рисунке 2.7 представлены теоретические зависимости изменения потока излучения ламп в трубчатом облучателе. Для определения реальных зависимостей потоков излучения, создаваемых лампами в трубчатом облучателе, использовалась ПЭВМ с платой АЦП типа ЛА-70М4.
Плата адаптера ЛА-70М4 предназначена для сбора данных и рассчитана на использование с компьютерами IBM PC/XT/AT или совместных с ними. Она содержит три функциональных устройства: аналогово-цифровой канал (АЦК) с 12 разрядным аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) (время преобразования 70 мкс), 16 разрядный цифровой порт (ЦП) и схему обработки прерываний. Адаптер обеспечивает ввод и вывод 16 цифровых и ввод в компьютер 16 аналоговых сигналов, преобразованных в цифровую форму.
Аналогово-цифровой канал (АЦК) включает в себя входной мультиплек сор, полный инструментальный усилитель, устройство выборки-хранения и АЦП. Это позволяет задать либо 16 однополюсных каналов, либо 8 дифференциальных каналов. Для снятия характеристик импульсных источников использовались дифференциальные каналы.
Инструментальный усилитель имеет переключаемые коэффициенты усиления: 1; 2; 5; 10 или пользовательский. Последний коэффициент усиления позволяет пользователю при установке соответствующего резистора на предусмотренное место получить любой коэффициент усиления инструментального усилителя в диапазоне 2-100. При снятии светотехнических характеристик импульсных ламп применялся коэффициент усиления равный 1.
Устройство выборки-хранения (УВХ) позволяет расширить полосу АЦК до 13 кГц (время выборки 6 мкс). УВХ находится в режиме выборки сигнала до начала цикла преобразования. По старту режим преобразования переходит в режим хранения. По импульсу конца преобразования (ИКП) УВХ опять переходит в режим выборки. Время выборки - 6 мкс всегда дано УВХ после старта преобразования для устойчивой работы АЦП на максимальной скорости преобразования. Это позволяет использовать АЦП с укороченным циклом преобразования, то есть старт АЦП можно задавать чаще, чем 13 кГц, при этом будет происходить уменьшение разрядности. Режим укорочения цикла преобразования с уменьшением разрядности достижим также из-за применения АЦП последовательного приближения КР572ПВ1. При использовании АЦК ЛА-70М4 как компаратора максимальная скорость при одноразрядном преобразовании составит около 11 мкс, для двух разрядов около 16 мкс и так далее. АЦП совместно со специализированным пакетом может работать как цифровой осцилло-граф или спектроанализатор в реальном масштабе времени Для уменьшения времени опроса до 1мс производилось отключение вывода данных на экран.
Модель влияния экспозиции и длины волны на всхожесть озимой пшеницы
Посевной материал обрабатывался оптическим излучением ультрафиолетовой области спектра в диапазоне длин волн 302-365 нм. Полученные результаты свидетельствуют, что предпосевная обработка семян способствует повышению лабораторной всхожести на % (таблица 4.11).
Следовательно, предпосевное стимулирование активизирует процессы роста и развития растений уже на начальных этапах, что способствует более быстрому появлению всходов. В результате этого создаются более благоприятные условия к получению гарантированного урожая. Обработка полученных результатов производилась при помощи дисперсионного анализа /31, 32/.
В двухфакторном опыте 4x5, поставленном в четырехкратной повторносте, изучено действие четырех градаций длин волн (302, 313, 334 и 365 нм) и пяти градаций экспозиции (24, 48,72,96 и 120 Вт-с/м2) на лабораторную всхожесть озимой пшеницы. Общее количество наблюдений будет равно N = lA-lB-n, где 1Л - количество градаций фактора А; 1В - количество градаций фактора В; п - количество повторений.
1. Полученная статистическая модель зависимости длины ростков от длины волны и уровня экспозиции облучения позволила получить оптимальные параметры по этому показателю посевных качеств. Наибольшая длина ростков получается при облучении семян излучением с длиной волны 340,7 нм и уровне экспозиции 81,75 Вт-с/м . Анализ модели показывает также, что отклонение на 17,96 нм от оптимальной длины волны и на 71,07 Вт-с/м от оптимального уровня экспозиции приводит к изменению длины ростков на 5%.
2. Анализ модели зависимости энергии прорастания от длины волны и экспозиции облучения показывает, что наибольшая энергия прорастания соответствует излучению с длиной волны 348,7 нм при уровне экспозиции облуче-ния 47,05 Вт-с/м . Отклонение на 15,76 нм от оптимальной длины волны и на 26,73 Вт-с/м от оптимального уровня экспозиции вызывает отклонение в уровне энергии прорастания на 5%.
3. Значения длины волны 346,5 нм и экспозиции облучения 59,45 Вт-с/м2 соответствуют оптимуму всхожести семян пшеницы, полученному в результате анализа зависимости всхожести от длины волны и экспозиции облучения. От-клонение на 21,84 нм от оптимальной длины волны и на 28,74 Вт-с/м от оптимального уровня экспозиции вызывает уменьшение всхожести на 5%.
4. Решение компромиссной задачи при анализе трех критериев оптимизации (длина ростков, энергия прорастания, всхожесть) позволило определить рациональные параметры и режимы работы электрооптического преобра-зователя для предпосевной обработки семян оптическим излучением: диапазон изменения длины волны 340-347 нм; диапазон изменения уровня экспозиции 47-60 Вт-с/м2.
5. Разработанная конструкция трубчатого электрооптического преобразователя для предпосевной обработки семян не требует отдельной технологической цепочки, удлиняющей процесс подготовки семян к высеву. Электрооптический преобразователь может устанавливаться на стандартном оборудо 123 вании, таком как погрузчики зерна, протравители, имеющем производительность 6-20 т/ч. Трубчатый электрооптический преобразователь повышает равномерность облучения семенного материала за счет шести источников оптиче-ского излучения, закрепленных на внутренней стороне цилиндрического корпуса на равном расстоянии цилиндрического корпуса. В качестве источников оптического излучения используются лампы ЛЭ-30, максимум спектральной плотности, излучения которых лежит в диапазоне длин волн 300 — 330 нм, близкому к рациональному диапазону параметров облучения семян пшеницы. Время нахождения семян в трубчатом облучателе и уровень облучения соответствуют рациональному режиму облучения семян.
6. Максимум спектральной плотности излучения ламп ЛЭ-30 находится в области минимальной отражательной способности зерна, коэффициент использования потока излучения достигает 80-85 %.
7. Расположение источников излучения и разработанная схема их включения создали возможность образования кругового вращающегося поля оптического излучения, в значительной степени уменьшающего неравномерность облучения семян. При величине полезного диаметра 0,105 м неравномерность облучения не превышает 19 %.
