Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Энергоемкость производства сахарной свеклы и ее снижение путем предпосевной обработки семян 16
1.1 Значение сахарной свеклы в народном хозяйстве Российской Федерации 16
1.2 Энергетический анализ производства сахарной свеклы 17
1.3 Предпосевная обработка семян
1.3.1 Роль предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур 24
1.3.2 Способы предпосевной обработки семян
1.4 Физические методы обработки семян 33
1.5 Обработка семян оптическим излучением
1.5.1 Обработка семян инфракрасным излучением 42
1.5.2 Обработка семян излучением ультрафиолетового и видимого спектра 42
1.6 Применение для обработки биологических объектов низкоинтенсивного лазерного излучения 44
1.6.1 Использование лазерных технологий в медицине и биологии 44
1.6.2 Лазерные технологии в сельском хозяйстве 46
Выводы по главе 1 51
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование параметров технологического процесса обработки семян сахарной свеклы лазерным излучением 53
2.1 Концептуальная модель действия лазерного инфракрасного излучения на дражированные семена сахарной свеклы 53
2.2 Форма пучка излучения лазерного диода 63
2.3 Математическая модель распространения излучения в потоке семян 67
2.4 Разработка математической модели энергетической экспозиции при лазерном облучении потока семян 71
2.5 Результат моделирования энергетической экспозиции при облучении слоя семян 74
Выводы по главе 2 79
ГЛАВА 3. Методика, приборы и оборудование для экспериментального исследования влияния низкоинтенсивного инфракрасного лазерного излучения на посевные качества семян и урожай сахарной свеклы 81
3.1 Программа и общая методика исследования влияния низко интенсивного лазерного ИК - излучения на посевные качества семян сахарной свеклы 81
3.2 Оборудование для лабораторных и полевых исследований влияния лазерного ИК - излучения на посевные характеристики семян сахарной свеклы 82
3.3 Стенд для облучения семян в лабораторных условиях 87
3.4 Оборудование и методика определения оптических характеристик потока семян 88
3.5 Методика определения влияния параметров излучения на отклик семян
3.5.1 Общая методика определения влияния параметров излучения на отклик семян 91
3.5.2 Методика определения эффекта переоблучения и его последействия
3.6 Методика полевых исследований влияния обработки дражированных семян низкоинтенсивным лазерным излучением на урожай сахарной свеклы 98
3.7 Методика математической обработки лабораторных и полевых исследований 104
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований элементов предпосевной обработки семян сахарной свеклы 105
4.1 Отражательные и пропускные характеристики при облучении потока семян 105
4.2 Результаты исследования отклика семян от параметров излучения 107
4.3 Определение эффектов переоблучения и последействия облучения 118
4.4 Влияние обработки дражированных семян низкоинтенсивным лазерным излучением на урожайность сахарной свеклы 128
Выводы по главе 4 136
ГЛАВА 5. Технико-экономическое обоснование применения предпосевной обработки семян сахарной свеклы низкоинтенсивным лазерным излучением 139
5.1 Методика расчета устройства предпосевной обработки семян низкоинтенсивным инфракрасным лазерным излучением 139
5.2 Оптический стратификатор для предпосевной обработки дражированных семян сахарной свеклы 142
5.3 Производственные испытания оптического стратификатора семян сахарной свеклы 145
5.3.1 Процесс стратификации дражированных семян сахарной свеклы 145
5.3.2 Лабораторные исследования исходного семенного материала 149
5.3.3 Наблюдения в процессе роста сахарной свеклы 151
5.3.4 Результаты и анализ урожайности сахарной свеклы
5.4 Методика определения энергоемкости предпосевной обработки сахарной свеклы 153
5.5 Экономическая эффективность предпосевной обработки дражированных семян сахарной свеклы 156
Выводы по главе 5 158
Заключение 159
Предложения производству и дальнейшее развитие темы 162
Литература 165
- Обработка семян излучением ультрафиолетового и видимого спектра
- Математическая модель распространения излучения в потоке семян
- Оборудование для лабораторных и полевых исследований влияния лазерного ИК - излучения на посевные характеристики семян сахарной свеклы
- Определение эффектов переоблучения и последействия облучения
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Сахарная свекла - единственная техническая культура в Российской Федерации (РФ), являющаяся сырьем для получения сахара. Корнеплоды сахарной свеклы содержат от 16% до 20% сахарозы. В Центрально-черноземном регионе России выращивают более половины всей свеклы РФ – площадь посевов более полумиллиона га.
Естественные условия не всегда благоприятны для нормального развития растения, особенно в начальный период. В связи с этим в сельскохозяйственной практике применяют комплекс мероприятий, направленных на повышение продуктивности растений, в частности предпосевную обработку семян.
Процессы, происходящие в живой материи, в значительной степени сводятся в итоге к воздействию на организм семян электромагнитных полей, внешних и внутренних. За более чем вековую историю использования электромагнитных волн человечеством, обнаружено множество различных фактов, подтверждающих способность их влияния на живые организмы - животных, человека и растения, в частности на всхожесть, рост и развитие растений, а значит на конечный урожай и его качество.
Одним из направлений является лазерная технология обработки растений и животных, использующая достоинства лазерного излучения и техники: высокую монохроматичность, энергию и мощность, высокую направленность и когерентность излучения, возможность получения сверхкоротких длительностей импульсов и перестройки частоты во всем диапазоне от ультрафиолетовой до инфракрасной областей спектра. С середины 80-х годов прошлого века исследователи во всм мире стали проявлять интерес к инфракрасным (ИК) импульсным полупроводниковым (диодным) лазерам.
Работа выполнена на кафедре «Агроинженерии, электроэнергетики и информационных технологий» Мичуринского государственного аграрного университета по государственному контракту № 02.740.11.0481 от 18 ноября 2009 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлению «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров по следующим областям: создание энергосберегающих систем транспортировки, распределение и потребление тепла и электроэнергии; атомная энергетика, ядерный топливный цикл, безопасное обращение с радиоактивными отходами отработавшим ядерным топливом; космические системы; биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных; распределенные вычислительные системы» по теме: «Разработка системы энергетического менеджмента на предприятиях АПК» (Шифр «2009-1.1-000-082-112»).
Цель исследования: Повышение урожайности и посевных качеств семенного материала путем создания стратификатора дражированных семян сахарной свеклы с использованием лазерного инфракрасного низкоинтенсивного излучения.
Задачи исследования
провести анализ способов и средств предпосевной обработки дражированных семян для улучшения их посевных качеств и повышения урожайности сахарной свеклы, конструктивные и энергетические параметры оборудования для ее осуществления;
разработать методику и оборудование для проведения исследований и определить рациональные режимы обработки дражированных семян сахарной свеклы низкоинтенсивным лазерным инфракрасным излучением в лабораторных и полевых условиях;
разработать оборудование для предпосевной обработки (оптической стратификации) дражированных семян сахарной свеклы с использованием низкоинтенсивного лазерного инфракрасного излучения;
провести производственные (полевые) испытания способа и оборудования для оптической стратификации дражированных семян и оценить урожай сахарной свеклы;
дать оценку энергетической и экономической эффективности применения низкоинтенсивного лазерного инфракрасного излучения в технологии выращивания сахарной свеклы.
Объект исследования: процесс предпосевной обработки семян низкоинтенсивным лазерным инфракрасным излучением в технологии выращивания сахарной свеклы.
Предмет исследования: закономерности и взаимодействие низкоинтенсивного лазерного инфракрасного излучения с потоком дражированных семян и их взаимосвязь с посевными качествами семян и урожайностью сахарной свеклы.
Методы исследований. В работе использованы теоретические и эмпирические методы исследования. Решение поставленных задач базируется на известных теоретических положениях и научных принципах, физики, оптики, фотоники, электротехники, разработанных ведущими учеными по фундаментальным и прикладным аспектам электрификации сельскохозяйственного производства, теории математической статистики, математического моделирования, программирования на базе современных лазерной и компьютерной техники, математического и программного обеспечения.
Научная новизна работы.
разработана математическая модель процесса стратификации потока дражированных семян сахарной свеклы низкоинтенсивным лазерным инфракрасным излучением;
подтвержден эффект переоблучения - передачи энергии от облученных дражиро-ванных семян сахарной свеклы к необлученным, с проявлением на последних эффектов облученных;
обнаружен эффект последействия облучения дражированных семян в течение не менее шести суток;
предложена методика расчета энергетической эффективности оптической стратификации дражированных семян сахарной свеклы.
Научная гипотеза. Повысить всхожесть дражированных семян сахарной свеклы в технологическом процессе предпосевной обработки возможно путем воздействия на них низкоинтенсивным инфракрасным излучением лазерного диода с длиной волны 890 нм..
Практическая значимость.
предложена конструкция оптического стратификатора дражированных семян сахарной свеклы для предпосевной обработки семян, обеспечивающей сев не менее чем на 1000 га в сезон;
определены направления повышения энергетической эффективности производства сахарной свеклы путем оптической стратификации дражированных семян, повышающие коэффициенты энергетического технологического полезного действия на 10,1% и энергетической эффективности - на 11%, а энерго-технологическая производительность - на 10,1%;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы
в хозяйствах возделывающих сахарную свеклу, в учебном процессе при подготовке специали
стов для сельского хозяйства – агрономов и агроинженеров, а также инженеров в области при
менения лазерной техники.
Положения, выносимые на защиту:
математическая модель процесса стратификации дражированных семян сахарной свеклы низкоинтенсивным лазерным инфракрасным излучением;
экспериментальные результаты и эффективные режимы стратификации дражирован-ных семян сахарной свеклы низкоинтенсивным лазерным инфракрасным излучением в лабораторных и полевых условиях;
технологическая операция предпосевной обработки дражированных семян сахарной свеклы низкоинтенсивным лазерным инфракрасным излучением в процессе сева, обеспечивающая прирост урожая до 13% относительно урожая из необработанных семян, а также прирост содержания сахара на 15%.
Реализация результатов исследований.
Оптический стратификатор семян ОСС-10 прошел производственные испытания в технологическом процессе выращивания сахарной свеклы СПК «Русь», Советский район Курской области. Результаты исследований используются в учебном процессе Мичуринского государственного аграрного университета при подготовке бакалавров по направлению «Агроинженерии» на кафедре «Агроинженерии, электроэнергетики и информационных технологий».
Достоверность результатов работы подтверждается всесторонним теоретическим анализом применения низкоинтенсивного инфракрасного лазерного излучения в смежных отраслях, имеющих отношение к биологическим объектам: медицине, ветеринарии, пищевой промышленности, а так же широкими экспериментальными лабораторными и полевыми исследованиями, результатами производственных испытаний, применением современных технических средств генерации и измерений в инфракрасной области спектра оптического излучения, математического, программного и компьютерного обеспечения эксперимента. Основные выводы диссертационного исследования обоснованы теоретическими положениями и экспериментальными данными, подтверждены актами и сертификатами результатов исследований.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: III Международной выставки-интернет-конференции «Энергообеспечение и строительство», г.Орел, 2009; 63-ей научно-практической конференции студентов и аспирантов ФГОУ ВПО МичГАУ, г.Мичуринск, 2011; II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК», г.Саратов, 2011; 66-ой научно-практической конференции студентов и аспирантов ФГБОУ ВПО МичГАУ, г.Мичуринск, 2014; 67-ой научно-практической конференции студентов и аспирантов ФГБОУ ВО Мичуринский ГАУ, г.Мичуринск, 2015; IV Международной научно-практической конференции «Хлебобулочные, кондитерские и макаронные изделия XXI века», г. Краснодар, 2015. Образец оборудования оптического стратификатора демонстрировался на Покровской ярмарке-выставке (г.Тамбов, 7 октября 2015 г.)
Публикации результатов работы. Основные положения диссертационной работы отражены в 7 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рецензируемых ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет 2,65 печ. л., из которых 1,3 печ. л. принадлежат лично автору.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 164 страниц основного текста, 88 рисунков, 19 таблиц и 8 приложений. Библиографический список включает в себя 226 наименований, в том числе 10 источников - на иностранном языке.
Обработка семян излучением ультрафиолетового и видимого спектра
В начале октября 2015 года «Оптический стратификатор семян» был представлен как часть экспозиции Мичуринского государственного аграрного университета на Деловом форуме «Внедрение информационных технологий как основы развития умного и удобного региона» в рамках V Международной Покровской ярмарки в городе Тамбове и регионального Фестиваля науки NAUKA 0+ в Тамбовской области. По итогам форума разработка завоевала первое место в номинации «Информационные технологии для науки. Лучший проект выставки».
Публикации Основные положения диссертационной работы отражены в 7 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рецензируемых ВАК РФ. Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 164 страниц основного текста, 88 рисунков, 19 таблиц и 8 приложений. Библиографический список включает в себя 226 наименований.
В главе 1 проанализировано значение сахарной свеклы в народном хозяйстве Российской Федерации и дан энергетический анализ ее производства. Рассмотрены традиционные способы предпосевной обработки семян, физические методы обработки семян, в частности электромагнитными полями, оптическим и лазерным излучением. Рассмотрено использование лазерной технологии в медицине и биологии, приведены примеры лазерных технологий в сельском хозяйстве.
В главе 2 предложена концептуальная модель действия лазерного инфракрасного излучения на поток дражированных семян сахарной свеклы. Биологическое действие электромагнитных полей, прежде всего, зависит от двух параметров — мощности и длины волны излучения. Рассмотрена модель формы пучка излучения лазерного диода. Показано, что зона рассеяния излучения представляет собой эллипс. Предложена математическая модель распространения излучения в потоке семян как многошаговый и многократный процесс отражения- поглощения- пропускания излучения сквозь многослойный поток, состоящий из отдельных элементов, дражированных семян. Модель движения потока дражированных семян представлена пространственными координатами XYZ, в которых перемещаются упорядоченно расположенные дражированные семена, одновременно подвергающиеся облучению неравномерным излучением. Предложена математическая модель энергетической экспозиции при лазерном облучении потока семян. Полная энергетическая экспозиция различна для каждого семени и зависит от параметров нормально рассеянного эллипса излучения, мощности излучателя и скорости перемещения потока.
В главе 3 приведена общая программа и методика исследования влияния низко интенсивного лазерного ИК - излучения на посевные качества семян сахарной свеклы: теоретические изыскания по использованию электромагнитного, в частности инфракрасного лазерного излучения на посевные качества семян сахарной свеклы, выдвинута гипотеза о распространении лазерного излучения в потоке семян,описаны лабораторные экспериментальные исследования по нахождению рациональных режимов воздействия лазерного ИК излучения на поток семян с целью повышения их всхожести, описано экспериментальное изучение характеристик отражения и пропускания лазерного ИК излучения от и сквозь поверхность слоев семян, полевые экспериментальные исследования, а также производственные испытания предпосевной обработки семян сахарной свеклы лазерным ИК излучением. Представлены методики определения влияния параметров излучения на отклик семян, определения эффекта переоблучения и его последействия, методика полевых исследований урожайности сахарной свеклы, а также методика математической обработки лабораторных и полевых исследований.
Максимальный прирост всхожести дражированных семян относительно контроля приходится на диапазоны: - по мощности P= 0,203 … 0,303 Вт;- по времени экспозиции t=24 … 96 c.
Подтвержден эффект переоблучения дражированных семян сахарной свеклы после их облучения, выражающийся в том, что все ячейки с дражированными семенами и облученная первоначально центральная ячейка и остальные необлучен-ные, расположенные вокруг нее на определенных расстояниях, имеют прирост всхожести 20-120% . Подтвержден эффект последействия дражированных семян сахарной свеклы после их облучения. Отмечены две зоны с максимальным значением прироста всхожести семян: для малых времен экспозиции 4 t 20 c временем последействия (задержки) Tz 6 сут. и для более высоких времен экспозиции t 60 c тем же временем задержки Tz 6 сут.
Доказано влияние обработки дражированных семян низкоинтенсивным лазерным излучением на урожай сахарной свеклы. Облученные семена опережают контрольные во всходах на 4-7 дней. Прирост содержания сахара в среднем относительно контроля составляет более 15%.
В главе 5 приведены результаты конструирования оптического стратификатора дражированных семян сахарной свеклы, который основан на использовании лазерного инфракрасного низкоинтенсивного излучения, производительностью 10 посевных единиц в час. Изложена методика расчета его конструктивных и режимных параметров. Стратификатор испытан в производственных условиях на площади 80 га.
Обработка семян дает прирост урожая - до 66 ц/га, что соответствует прибавке 13% относительно урожая из необработанных семян. Предложена методика расчета энергетической эффективности оптической стратификации дражированных семян сахарной свеклы. Оптическая стратификация повышает коэффициенты энергетического технологического полезного действия на 10,1% и энергетической эффективности - на 11%, а энерго-технологическая производительность повышается на 10,1%. В заключении приведены основные результаты и выводы по работе. В Приложениях даны статистические материалы, полученные в результате экспериментальных лабораторных и полевых исследований, а также акты, их подтверждающие.
Математическая модель распространения излучения в потоке семян
Таким образом, исходя из изложенного, зона рассеяния излучения представляет собой эллипс. Форма эллипса зависит от соотношения параметров hx и hy. Для построения зоны рассеяния достаточно осуществить параллельный перенос осей координат, так чтобы начало новой системы совпало с математическими ожиданиями ах и ау. Из выражения (2.13) определяются значения полуосей эллипса, совпадающих по направлению с осями системы координат, и строится зона рассеяния координат излучения.
Пусть источник излучения - лазерный диод DL, имеет углы распространения излучения а и Д в общем случае не равные друг другу, расположен над потоком, рисунок 2.7. Индикатрисы излучения по углам излучения а и ft будем считать неравномерными, подчиненными определенным, но разным распределениям. Поток движется вдоль оси X со скоростью Vx, а вдоль оси Y- со скоростью Vy, причем Vx»Vy. В установившемся потоке пропуски между семенами отсутствуют, а число слоев в потоке – один, два и более. Будем считать дражированное семя шаром с диаметром dc. Высота потока hc при количестве слоев n в потоке будет равно, рисунок 2.8:
Облучение потока семян лазерным диодом: DL- лазерный диод; X, Y, Z- координатные оси на уровне опорной плоскости XOY (транспортера); х, у, z- координатные оси на уровне поверхности потока; О, о- центры координатных систем; Vx - скорость потока вдоль оси X; Vy- скорость потока вдоль оси Y; Lx , Ву - длина и ширина потока семян, подвергающегося облучению диодом DL; - угол распространения излучения диодом перпендикулярно движения потока; - угол распространения излучения диодом параллельно движения потока; dc - диаметр дражированного семени; hc- высота потока, состоящего из нескольких слоев облучаться. Количество дражированных семян но подвергающихся облучению равно
Количество обработанных семян Кс зависит от производительности Pr и длительности работы оборудования T: К = -к -Lс 7 y h , шт. (2.18) Время прохождения семени расстояния Lx под излучением, т.е. в зоне рассеяния, обозначим как время цикла обработки К = у, с (2.19) В силу неравномерности распределения удельной мощности излучателя DL по плоскости XOY, рисунок 2.7, длительность цикла t4 будет состоять из составляющих: ,= «+ 0+ «, с, (2.20) где: tex, t0, teblx - соответственно длительность нахождения в зоне до начала облучения, в зоне облучения и в зоне после облучения, как это показано на рисунке 2.9, на котором обозначены разные фазы облучения нескольких рядов семян одного слоя.
Пусть зона рассеяния излучения соответствует эллипсу Э, центр которого в общем случае может быть не совмещен с центром координат О плоскости S движения потока, состоящего из нескольких рядов семян (Ряд1, Фазы облучения ряда семян одного слоя: S- плоскость движения пото- Ряд2, Ряд3 и т.д.). Движение семян С ка в системе координат XOY; С- отдельное осуществляется в направлении векто семя; Vx- скорость перемещения семени вдоль оси X; Э- эллипс рассеяния излуче- ра-скорости Vx. ния; fн1 - время вхождения семени ряда1 в Для первого ряда (Ряд1) семена С зону облучения; t к1 - время выхода семени ряда 1 из зоны облучения; t н2 - время вхо- до момента t н1 вхождения в зону рас ждения семени ряда 2 в зону облучения; сеяния эллипса Э не облучаются. В к2 - время выхода семени ряда 2 из зоны должающееся до момента t н2 выхода из зоны рассеяния. Длительность т\ нахождения семени в зоне облучения равна (длительность облучения): облучения момент t н1 начинается облучение, про "і= і- „і (2.21а) Аналогично для второго ряда (Ряд 2) длительность т2 нахождения семени в зоне облучения равна
Время нахождения семени внутри эллипса, т.е. длительность облучения зависит от координат х и у, в которых находится в данный момент времени семя. Если семя движется параллельно оси X, то длительность облучения зависит от координаты у и скорости перемещения, при этом:
Энергетическая экспозиция Е есть плотность мощности излучения за время экспозиции или плотность энергии, падающей на обрабатываемый объект. Энергетическая экспозиция напрямую зависит от плотности мощности излучения и времени воздействия. Для достижения одного и того же значения величины энергетической экспозиции можно задать малую мощность и облучать длительное время или задать большую мощность, но малое время воздействия. Результат облучения, эффект в том и другом случаях могут оказаться совершенно различными. где: Ес - энергетическая экспозиция семени, Дж/см2 или Втс/см2; Ра - мощность излучения на поверхности семени, Вт; Sc - площадь облучаемой поверхности, занятой семенем, см2; рс=Р0 /Sc - плотность мощности излучения или облученность поверхности семени, Вт/см2; г - время экспозиции, то есть время, в течение которого происходит облучение семени С, с. Вернемся к рисунку 2.9, на котором показан вход, и выход отдельного семени в зону эллипса излучения. Время облучения в общем виде зависит от координаты у или ряда семян относительно оси X: т (у). Ранее мы также предположили, что плотность распределения энергии f(x,y) на поверхности является функцией координат поверхности, вернее является таковой в силу свойств самого излучателя, геометрически связанного с этими координатами, рисунки 2.4 и 2.5. Мощность излучения на поверхности семян в силу предположения (2.4) является функцией координат поверхности падения излучения (поверхности потока семян) Р0(х,у). С другой стороны площадь элементарной поверхности, на которую
Оборудование для лабораторных и полевых исследований влияния лазерного ИК - излучения на посевные характеристики семян сахарной свеклы
Время экспозиции t выбиралось из следующих соображений. По первому, классическому, варианту обработка осуществлялась в 1 слой семян экспозицией t=12 c - минимальное время, которое дает при определенной мощности импульса наибольший отклик семян. Это достаточно малое время, которое может обеспечить приемлемую производительность устройства обработки до Pr=10 посевных единиц в час. По второму варианту время выбрано заведомо большим t = 600 c, чтобы дать на единицу массы семян такую же дозу энергии, что и по 1 варианту, с учетом площади поверхности облучения. В третьем варианте время выбрано t=60 c исходя из тех же принципов. Облучение полиэтиленового пакета размером 200 400 мм соответственно для создания той же дозы требует меньшего времени.
Каждому варианту (партии) был присвоен кодовый номер для идентификации засеянных участков. План эксперимента представлен в таблице 3.5.
Методика математической обработки результатов лабораторных исследований Математическая обработка результатов лабораторных исследований влияния низко интенсивного лазерного излучения проводилась, используя классические методы обработки экспериментальных данных и современные программные компьютерные средства [13, 14, 84, 101, 124, 141, 170]: - базы данных в Excel; - пакетов программирования Mathcad, Matlab [55, 85]; - методов регрессионного и корреляционного анализа. Частные методики математической обработки приведены в главах 4 и 5. Отражательные и пропускные характеристики при облучении потока семян Оценка коэффициента отражения от поверхности семян Результаты измерений отраженного лазерного излучения и оценка коэффициента отражения лазерного излучения от потока семян приведены в таблице 1 Приложения В. Здесь же приведена программа «OТРАЖПропуск.xmcd», подсчитывающая результаты обработки данных отражения лазерного излучения от слоев дражированных семян.
Среднее значение от по рядам приведены в колонке 8. Значение коэффициента отражения для 1-го слоя семян приведены в таблице 4.1.
Для гибрида «Крокодил» голубого цвета зависимость коэффициента отражения от количества слоев приведена на рисунке 4.1. Данные по отражению аппроксимируются регрессией 2-ой степени:
Таким образом, следует констатировать, что коэффициент отражения лазерного излучения от повехности дражированных семян зависит от количества слоев. Увеличение числа слоев (высоты потока) приводит к увеличению отражения излучения.
Оценка коэффициента пропускания лазерного из -лучения через слои семян Рисунок 4.1 - Зависимость Результаты измерений прошедшего лазерного излучения и оценка коэффициента пропускания коэффициента отражения от количества слоев семян приведены в таблице 2 Приложения В. Здесь же приведена программа «OТРАЖПропуск.xmcd», подсчитывающая результаты обработки данных о пропускании слоев.
Среднее значение рпр по рядам приведены в колонке 9. Среднее значение коэффициента пропускания для всех трех гибридов для 6 слоев рпр=0,019. Значение коэффициентов пропускания для 1-го слоя семян приведены в таблице 4.2.
Таким образом, пропускание слоев семян зависит от их числа - увеличение приводит к снижению пропускания излучения. При числе слоев более 5 все излучение практически полностью поглощается, а коэффициент пропускания стремиться к нулю.
Результаты исследования влияния параметров излучения на лабораторную всхожесть семян приведены в таблице 1 Приложения Г, а методика - в разделе 3.6 [40]. Рисунок 4.3(а) - Зависимость всхожести не облученных, контрольных семян от времени проращивания: R- коэффициент детерминации; yмin, y0, yмах - соответственно минимальное, среднее и максимальное аппроксимации отклика V0
Прежде всего, необходимо отметить, что контрольные, не облученные, семена в процессе проращивания имеют большую дисперсию по всхожести, рисунок 4.3(а). Всхожесть зависит от времени проращивания и аппроксимируется полиномом 2-ой степени.
Следует ожидать, что и обработанные семена будут иметь большую дисперсию, что затруднит оценку влияния излучения на отклик. В процессе проведения экспериментальных исследований не всегда обеспечиваются идентичные условия для контрольных и обработанных партий, особенно в полевых условиях. На рисунке 4.3(б). приведена гистограмма всхожести контрольных семян сахарной свеклы и обработанных при экспозиции 8 с на 14 сутки для разных доз облучения, полученных в полевом эксперименте на поле Учхоз-племзавода «Комсомолец» в 2009 г. Контрольные партии для различных экспериментов имеют разную всхожесть (доза облучения 0 Дж). Для меньших доз облучения (26 10"5 Дж и менее) облучение для экспозиции 8 с всегда увеличивает всхожесть семян. Однако, это увеличение происходит на фоне разной всхожести контрольных партий, поэтому анализ эффективности обработки семян излучением в абсолютных значениях становится практически невозможным.
Целесообразно анализировать не абсолютные значения отклика - всхожести облученных семян, а разность всхожести относительно не облученных, контроля: где Vi,j,k - относительный отклик семян, прирост всхожести, после облучения; Vi,j,t - абсолютное значение всхожести для i-ой мощности импульса излучения Pi, j-ого времени экспозиции tj, k-го времени роста Tk облученных семян; V0,k - абсолютное значение всхожести k-го времени роста Tk необлученных семян. Для выбора наиболее рациональной модели процесса облучения произведем их анализ регрессионным, гистограммным и вероятностным методами.
Регрессионный метод анализа экспериментальных данных Представим поверхность отклика (4.1) семян на облучения как функцию трех аргументов Y(x1, x2,, x3): мощности импульса излучения x1, времени экспозиции x2 и времени роста x3. Визуальное представление преобразованных в соответствие с (4.1) исходных данных по таблице 1 Приложения Г, отклика семян на изменение времени экспозиции t и мощности импульса излучения P для
Наблюдается достаточно негладкая с несколькими локальными максимумами и минимумами поверхность, анализ которой представляет значительную трудность. Локальные минимумы и максимумы указывают с одной стороны на дискретность процесса облучения по мощности и времени экспозиции, а с другой - на несовершенство плана эксперимента. Третьей причиной могут быть неучтенные (неуправляемые) факторы, влияющие на процесс, а также ошибки измерений. Для более удобного визуального анализа отклика семян представим рисунок 4.4. в контурном виде, рисунок 4.5.
Определение эффектов переоблучения и последействия облучения
Для разработки оборудования для предпосевной обработки дражированных семян сахарной свеклы низкоинтенсивным лазерным излучением (стратификатор) необходимы следующие исходные данные, вытекающие из результатов исследований данной работы [45]: - производительность стратификатора, п.ед./ч;1 - длина волны инфракрасного лазерного излучения, нм; - тип излучателя; - время экспозиции семян излучением, c; - удельная мощность излучения на поверхности семян, Вт/м2; - тип входной и выходной тары; - требования к безопасности; - обслуживающий персонал и его квалификация.
Предлагаемый способ обработки дражированных семян сахарной свеклы относится к способам низкоинтенсивного по энергии воздействия инфракрасного лазерного излучения на биологический объект. В отличие от других способов воздействия, оптическое излучение, в частности лазерное инфракрасное, проникает на не большую глубину и затрагивает процессы на клеточном уровне. Оптический стратификатор, в основе которого лежит инфракрасное лазерное излучение, должен: - технологически сопрягаться с существующими интенсивными технология ми производства сахарной свеклы; - не снижать исходную всхожесть и другие качества семян; - не вводить каких-либо новых требований к существующей технологии; - не прерывать процесс сева; - не изменять тип тары для семян; - иметь достаточную надежность работы в течение 30 дней; - не требовать повышенной квалификации персонала обслуживания. п.ед/ч – посевных единиц в час. Посевная единица- 100000 шт. дражированных семян, 1 упаковка. На основании анализа существующих устройств обработки семян, рассмотренных в главе 1, результатов исследований в главах 2, 3 и 4 нами предлагается следующая структурная схема оптического стратификатора поточного типа, изображенная на рисунке 5.2.
Конвейер 2 обеспечивает формирование и скорость движения потока дражи-рованных семян 1. Излучатель 3 под управлением генератора возбуждения 4 подает на поток семян 1 инфракрасное излучение с заданной мощностью и частотой. Блок управления 5 в зависимости от скорости потока семян формирует сигнал управления конвейером 2 и генератором возбуждения 4, обеспечивая тем самым необходимые режимы облучения.
Описание оптического стратификатора семян Для механизации процесса облучения семян, разработан оптический стратификатор семян ОСС-10, производительностью 10 посевных единиц в час (1 посевная единица – 100000 семян) [45, 47]. Изготовлен действующий образец стратификатора, схема которого изображена на рисунке 5.3., а фото - на рисунках 5.4 и 5.5. Устройство оптического стратификатора семян. Корпус устройства 1 - несет функции несущей конструкции. Входная м-кость 2- предназначена для загрузки семян, которым предстоит обработка. Семяпровод 3- предназначен для подачи семян из входной мкости к примной части лотка. Блок управления 4- предназначен для управления работой устройства. Облучатель 5- предназначен для обработки семян электромагнитным полем. Лоток 6- предназначен для организации упорядоченного потока семян. Ограничители лазерного излучения 7- предназначены для исключения переоблучения. Вибратор 8- предназначен для организации движения упорядоченного потока семян. Перегородка 9 - предназначена для управления числом слов в потоке семян. Примная часть лотка 10- предназначена для накопления и прима семян от входной мкости. Выходная мкость 11- предназначена для прима обработанных семян. Семена 12- объект облучения. Активная зона 13- зона непосредственного воздействия лазера на движущиеся в потоке семена. Регулировочное устройство 14- предназначено для контроля над уровнем перегородки.
Семена (12) для обработки помещаются во входную мкость (11). По семяпроводу (3) семена поступают в примную часть лотка (10) за счет регулируемой перегородки (9) и накапливаются в нм. С помощью регулировочного устройства (14), перегородка может перемещаться в вертикальном положении, изменяя тем самым зазор d, регулируя количество слов семян в потоке. Включение устройства осуществляется при помощи блока управления (4). Запускается вибратор (8), который создат колебания лотка в направлении перемещения потока семян. При этом семена из примной части лотка (10) начинают перемещаться в активную зону (13). Одновременно включается облучатель (5). В активной зоне поток семян облучается, причм распространение излучения ограничивается ограничителями потока излучения (7), не давая ему проникать за пределы активной зоны. Облученные семена попадают в выходную мкость (2). Технические характеристики ОСС-10:
На опытном поле ФГУП «Учхоз-племзавод «Комсомолец» на площади 0,032 га осуществляли лабораторно-полевые исследования, результаты и анализ которых приведены в 3 и 4 главах настоящей работы. Акт и результаты испытаний приведены в Приложении З1. На производственном поле ИП «Каширин А.В.» на площади 2,5 га осуществляли лабора торно-полевые и производственные исследова Рисунок 5.6 - Эксперимен- ния по существующей индустриальной техноло тальные исследования на опытном поле ФГУП «Учхоз- гии производства сахарной свеклы. Результаты племзавод «Комсомолец» исследований в данном хозяйстве приведены в главах 3 и 4. Акт проведения производственных испытаний в данном хозяйстве приведен в Приложении З2. В СПК «Русь» Советского района Курской области на площади 80 га (дополнительно на этом же поле 100 га были использованы как контроль) проводили полномасштабные производственные испытания по существующей в хозяйстве 146 индустриальной технологии производства сахарной свеклы. Акт проведения производственных испытаний в данном хозяйстве приведен в Приложении З3. Некоторые элементы технологического процесса приведены на фото рисунка 5.7.
Процесс обработки дражированных семян осуществлялся на стратифика-торе ОСС-10 в отдельном помещении, вне поля, за 2 дня до сева. Для производственных испытаний использовались дражированные семена гибрида сахарной свеклы «Крокодил». Размер семян: диаметр 2,5-3 мм. В коробках по 100000 семян в каждой. Коробка с семенами вскрывалась (верхняя ее часть) и семена высыпались в приемный бункер стратификатора. Пустая коробка ставилась вниз в приемное отделение. Семена после обработки ссыпались вибротранспортером стратификатора в пустую коробку. После наполнения ко 147 робки пакетировались и относились на склад до высева. Дополнительного (повторного) закрытия коробок не требуется. Процесс стратификации показан на фото рисунка 5.8.