Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Анализ установок воздействия ИЭП для обработки семян 12
1.2 Существующие исследования воздействия при обработке семян импульсным электрическим полем 22
1.3 Выводы и постановка задач научных исследований 25
2 Теоретический анализ энергетического процесса в системе " электрический преобразователь - рабочая камера - слой семян " 27
2.1 Теоретический анализ потребления электрической энергии в рабочей камере27
2.2 Математическое описание преобразователя напряжения для обработки семян электрическим полем 34
2.3 Структурная схема и описание работы преобразователя напряжения 43
2.4 Выводы 66
3 Экспериментальная проверка работы преобразователя напряжения 68
3.1 Результаты экспериментальной проверки работы преобразователя напряжения 68
3.2 Методика и результаты проверки работы системы обратной связи установки по поддержанию стабильной дозы обработки семян озимой пшеницы с различной влажностью 73
3.3 Выводы 75
4 Методика и результаты лабораторных испытаний 76
4.1 Общее описание проведенных лабораторных опытов по определению посевных качеств семян 76
4.2 Методика и результаты обработки семян озимой пшеницы ИЭП в зависимости от влажности и трамированности семян 89
4.3 Оценка воздействия импульсного электрического поля в рациональном режиме на микофлору семян пшеницы 92
4.4 Выводы 95
5 Технико-экономическое обоснование использования импульсного электрического поля (ИЭП) для улучшения посевных качеств семян озимой пшеницы 97
Заключение 105
Литература 108
Приложение 1 Протоколы испытаний 131
Приложение 2 Корелляционный анализ 142
Приложение 3 Расчет преобразователя напряжения 149
Приложение 4 Технологическая карта производственных затрат 154
- Анализ установок воздействия ИЭП для обработки семян
- Структурная схема и описание работы преобразователя напряжения
- Результаты экспериментальной проверки работы преобразователя напряжения
- Общее описание проведенных лабораторных опытов по определению посевных качеств семян
Введение к работе
Актуальность проблемы исследования. Биологическая ценность семян характеризуется посевными качествами: энергией прорастания, всхожестью, массой проростка. Улучшение этих качеств у семян – залог высоких урожаев сельскохозяйственных культур.
Также большое значение имеет сохранность семян, получаемых в ходе их переработки, и продуктов, в частности хлеба. Сильное негативное влияние на сохранность семян оказывает патогенная микофлора.
Одним из перспективных экологически чистых методов улучшения посевных качеств семян и подавления патогенной микофлоры является предпосевная обработка семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем. Существуют исследования по применению предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур электрическим полем различной частоты: постоянным полем коронного разряда, синусоидальным низкочастотным, высокочастотным, микроволновым, импульсным. Наиболее эффективной является обеззараживающая и стимулирующая обработка семян импульсным электрическим полем (ИЭП).
Для получения стабильных и высоких посевных качеств семян, угнетающего воздействия на микофлору, семена должны получать строго поддерживаемую дозу обработки ИЭП.
До настоящего времени исследователи и инженеры не учитывали, что обрабатываемые семена обладают различными размерами в зависимости от сорта и партии, различной влажностью и степенью травмированности. Соответственно, электрические параметры слоя семян следующего через зону обработки, такие как ёмкость и сопротивление
также меняются. Эти изменения доходят до 20 %, создавая искажения формы импульса электрического поля, падение напряжения, в итоге доза воздействия «плавает».
Отсутствие постоянного мониторинга электрических параметров обрабатываемых семян не позволяет получить стабильные и эффективные результаты предпосевной и обеззараживающей обработки семян ИЭП.
Степень разработанности темы. На данный момент имеется большое количество патентов на изобретения посвященных установкам воздействия на семена ИЭП. Разработаны установки осуществляющие возможность регулировки и стабилизации напряженности ИЭП рабочей камеры в диапазоне 0...6 кВ/см и частоты воздействия от 0 до 3000 Гц.
Существующие установки имеют следующие основные проблемы:
-
Отсутствие установок с контролем энергетических процессов протекающих в зоне обработки семян, и автоматически изменяющих параметры ИЭП, при изменении электрических характеристик слоя обрабатываемых семян, а следовательно, поддерживающих однородность и повторяемость результатов обработки, для всего объёма семян следующих через зону обработки;
-
Сложность подбора и поддержания рационального режима обработки.
Научная гипотеза - возможность поддержания однородности обработки для различных партий семян можно получить, за счет реализации системы управления с регулировкой амплитуды, длительности и частоты импульсов электрического поля, с обратной связью от датчиков электрических параметров, размещенных непосредственно в рабочей камере.
Цель работы - обоснование параметров и режимов преобразователя напряжения установки предпосевной обработки семян пшеницы импульсным электрическим полем, для повышения их посевных качеств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Задачи исследования:
-
Разработать математическую модель системы "преобразователь напряжения - рабочая камера - слой семян".
-
Синтезировать разработанную модель системы "преобразователь напряжения - рабочая камера - слой семян" в программе электротехнического моделирования (MATLAB Simulink) и проверить её функционирование в различных режимах работы.
-
Разработать схему электрическую принципиальную преобразователя напряжения для установки обработки семян импульсным электрическим полем, изготовить опытный образец и провести лабораторные испытания.
-
Разработать схему электрическую принципиальную стабилизатора напряжения для установки обработки семян импульсным электрическим полем.
-
Используя опытный образец преобразователя напряжения, определить его основные энергетические характеристики, установить рациональные параметры и режимы для установки обработки слоя семян импульсным электрическим полем.
-
Провести лабораторные опыты по проверке влияния импульсного электрического поля на посевные качества семян пшеницы.
-
На основе результатов опытов построить математические модели методом регрессионного анализа и опре-
делить рациональный режим обработки в зависимости от приложенного напряжения, длительности и частоты следования импульсов, экспозиции и влажности семян.
-
Подтвердить результаты воздействия ИЭП в рациональном режиме на семена пшеницы в аккредитованной лаборатории.
-
Произвести технико-экономическое обоснование применения установки для обеззараживающей и стимулирующей обработки семян импульсным электрическим полем.
Объект исследования - схемотехнические, конструктивные особенности, режимные и электротехнологические параметры преобразователя напряжения установки для обработки семян сельскохозяйственных культур импульсным электрическим полем; посевные качества обработанных семян.
Предмет исследования - зависимость посевных качеств семян и их устойчивость к патогенной микофлоре (на примере озимой пшеницы) при предпосевной обработке импульсным электрическим полем, создаваемым преобразователем напряжения; параметры и режимы работы преобразователя напряжения.
Методы исследований базируются на теоретических основах электротехники, теории планирования эксперимента, методах теории вероятности и математической статистики, программном обеспечении: MATLAB Simulink, среда программирования Keil Vision версии 4.72.
Научная новизна работы.
1. Доказана возможность поддержания однородности обработки для различных партий семян, за счет реализации системы управления с регулировкой амплитуды, длительности и частоты импульсов электрического поля, с обратной
связью от датчиков электрических параметров, размещенных непосредственно в рабочей камере.
2. Получена математическая модель системы "преоб
разователь напряжения - рабочая камера - слой семян", поз
воляющая сформулировать основные требования к преобра
зователю напряжения.
3. Разработана компьютерная модель системы "преоб
разователь напряжения - рабочая камера - слой семян" в
программе электротехнического моделирования (MATLAB
Simulink), которая и дала возможность проверить функцио
нирование отдельных блоков в различных режимах работы.
4. Получены регрессионные математические модели
по посевным качествам семян различной влажности, позво
ляющие определить рациональный режим обработки - при
ложенное напряжение, длительность и частота следования
импульсов.
Теоретическая и практическая значимость
результатов исследования.
-
На основе математической модели системы "преобразователь напряжения - рабочая камера - слой семян" можно выдвигать требования к отдельным блокам электротехнологической установки, получить теоретические зависимости выходных параметров от входных и межблочные характеристики, что может применяться при предпосевной обработке различных семян зерновых культур.
-
Схема замещения рабочей камеры установки для обработки семян импульсным электрическим полем, реализованная в программе электротехнического моделирования (MATLAB Simulink), может применяться при обосновании параметров и режимов работы установки при обработке семян с различными физическими характеристиками. На основе модели определены основные энергетические характе-
ристики преобразователя напряжения, его параметры и режимы для установки обработки слоя семян импульсным электрическим полем.
-
Математические регрессионные модели по посевным качествам семян определяют рациональные режимы обработки семенного материала.
-
Разработана и изготовлена лабораторно-экспериментальная установка и преобразователь напряжения, устройство и способ управления которых были запатентованы.
-
Сконструирован и изготовлен опытный образец стабилизатора напряжения, который прошел проверку в производственных условиях и доказал свою эффективность.
-
Разработано программное обеспечение для управления преобразователем напряжения с запатентованным способом управления, которое может устанавливаться в микроконтроллеры управления.
На защиту выносятся следующие основные положения.
-
Математическая модель системы "преобразователь напряжения - рабочая камера - слой семян".
-
Разработанная схемотехническая часть преобразователя напряжения и его системы управления с обратной связью для установки предпосевной обработки семян.
-
Экспериментальные результаты исследования преобразователя напряжения в лабораторных условиях.
-
Регрессионные модели определения рационального режима воздействия импульсным электрическим полем на семенной слой (на примере семян озимой пшеницы).
-
Программное обеспечение для управления преобразователем напряжения.
Реализация и внедрение результатов исследования.
Результаты исследований внедрены на ООО НПО «Электроимпульс» (г. Ставрополь), а также в учебный процесс ФГБОУ ВО Ставропольский ГАУ.
Апробация работы. Основные положения и результа
ты исследований докладывались и обсуждались на научно-
практических конференциях Ставропольского ГАУ (Став
рополь, 2013-2015 гг.); международной научно-
практической конференции «Новые технологии в сельском
хозяйстве и пищевой промышленности с использованием
электрофизических факторов и озона» (Ставрополь, 2016 г.);
международной научно-практической конференции «Физи
ко-технические проблемы создания новых технологий в
АПК» (Ставрополь, 2017 г.),
Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. По теме исследований получены 2 патента РФ на изобретения и 1 евразийский патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 158 наименований. Диссертация изложена на 154 страницах компьютерного текста, включая 25 страниц приложений, содержит 35 рисунков, 16 таблиц.
Анализ установок воздействия ИЭП для обработки семян
В результате патентного поиска было найдено большое количество патентов РФ по установкам для обработки семян овощных и сельскохозяйственных культур. Кроме патентного поиска были проанализированы установки присутствующие на рынке РФ и на постсоветском пространстве. Все установки в ходе патентного поиска, оценивались по следующим признакам:
1. Однородность обработки всего объёма семян следующих сквозь зону обработки.
2. Возможность мониторинга энергетических процессов, происходящих в зоне обработки семян.
3. Управление процессом обработки семян, посредством плавного регулирования следующих параметров воздействия: амплитуды, длительности, частоты следования импульсов обработки и скорости перемещения потока семян.
4. Обеспечения минимальных затрат энергии на перемещение семян.
5. Возможность поточности обработки.
6. Возможность применения установки в промышленных масштабах.
В результате проведенного анализа электротехнических установок для обработки семян, преимущество отдано установкам осуществляющих воздействие на семенной материал электрическим полем. Установки, использующие для обработки семян в магнитном поле, уступают, по целому ряду показателей. В первую очередь — низкая частота и узкий частотный диапазон воздействия.
Кроме того низкий коэффициент мощности, высокая стоимость, энергозатраты и др.
Рассмотрим наиболее интересные установки обработки семян электрическим полем. Для обработки семенного материала в установке [78], показанной на рисунке 1.1 используется коронный разряд. Электродная система формирования электрического поля коронного разряда (ЭПКР) у этого устройства (рисунок 1.1) выполнена в виде расположенных на равном расстоянии и параллельно друг другу знакочередующихся эквипотенциальных групп, подключенных к разнопо-лярным выводам источника высокого напряжения (ИВН). Регулируемый ИВН выполнен с возможностью работы как от аккумулятора, так и от сети переменного тока и объединен в единый моноблок с рабочей камерой.
Пластины могут быть выполнены из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита, а токопроводящие полосы нанесены на них методом изготовления печатных плат.
Физическим фактором, оказывающим стимулирующее и обеззараживающее действие на семена, является электрическое поле коронного разряда. Электрическое поле, необходимое для возбуждения коронного разряда, создается между соседними противоположно заряженными электродами, роль которых выполняют тонкие проволочные электроды (по первому варианту) или токопро-водящие полосы двух соседних пластин (по второму варианту), которые вследствие малых поперечных сечений приводят к возникновению резко неоднородных электрических полей, возбуждающих коронный разряд.
В устройстве в результате пространственного изменения напряженности электрического поля (градиента) при просыпке семян обеспечивается режим импульсного воздействия ЭПКР на семена.
Работает устройство следующим образом. Внутри рабочей камеры от внешнего источника напряжения создается градиентное электрическое поле, обеспечивающее возникновение коронного разряда.
Обрабатываемые семена, от конвейера-погрузчика через загрузочный бункер или брезентовый рукав, поступают в верхнюю часть рабочей камеры и по сквозным полостям между металлических рамок с проволочными электродами или диэлектрических пластин с токопроводящими полосами под действием собственного веса движутся в градиентном электрическом поле, подвергаясь воздействию ЭПКР. Режим обработки семян для каждой сельскохозяйственной культуры, сорта, а также в зависимости от цели обработки (стимулирование или обеззараживание) подбирается индивидуально.
Установки апробированы в различных хозяйствах при стимулирующей обработке семян зерновых и овощных культур, а также при обработке ячменя для проращивания на солод.
Достоинства данной установки заключаются в следующем:
1. Электробезопасность и удобство при эксплуатации. За счет того что, ИВН и рабочая камера размещены внутри диэлектрического корпуса и представляют собой единый моноблок.
2. Преимуществом установки является также наличие встроенного ИВН, запитываемого от аккумулятора, что дает возможность применения ее в полевых условиях. Установка имеет и недостатки:
1. Нет возможности мониторинга энергетических процессов, происходящих в зоне обработки семян;
2. Отсутствует управление процессом обработки посредством регулировки длительности, частоты следования импульсов обработки, и скорости перемещения потока семян;
3. Скорость перемещения семян через рабочую камеру зависит от конвейера - погрузчика и не регулируется, поэтому отсутствует однородность обработки всего объёма семян проходящих обработку;
Опишем установку (рисунок 1.2 [79]), которая является наиболее близкой к разрабатываемой нами.
В данном устройстве, плоскопараллельные электроды выполнены в виде металлических пластин. В результате генерирования (ИВН) импульсного высокого напряжения заданной формы и частоты, прикладываемого к неподвижным плоскопараллельным электродам полеобразующей системы. В пространстве между ними, где размещены обрабатываемые семена, формируется пространственно однородное импульсное электрическое поле низкой частоты и высокой напряженности. Таким образом, обеспечивается режим импульсного воздействия на семена, в диапазоне 1 - 60 с.
Электроды выполнены в виде двух металлических пластин, а в качестве встроенного источника высокого напряжения ИВН используют импульсный источник с регулируемой частотой и встроенным таймером для возможности установки времени воздействия.
Рабочая камера снабжена закрывающейся крышкой, с контактами блокировки, обеспечивающими снятие высокого напряжения при несанкционированном доступе в рабочую камеру.
Выбор времени воздействия на семена в диапазоне от 1 до 60 с обусловлен высокой интенсивностью энергетического воздействия электрического поля.
Это позволило уменьшить время обработки семян при повышении параметров их всхожести, энергии прорастания, темпов развития проростков и их выживаемости.
В качестве повышающего трансформатора ИВН использована катушка от автомобильной системы зажигания, в первичной обмотке которой включен электронный коммутатор с регулируемой частотой переключений. Имеется возможность регулировки и стабилизации напряженности импульсного электрического поля рабочей камеры в диапазоне 0 - 6 кВ/см, частота следования воздействующих импульсов принимает фиксированное значение из диапазона 60 - 180 Гц, в зависимости от обрабатываемой культуры и цели обработки. В ИВН предусмотрена электронная защита от перегрузки выходной цепи при межэлектродном замыкании в рабочей камере инородными электропроводящими предметами.
На рисунке 1.2 показана функциональная схема формирования импульсного электрического поля высокой напряженности. На рисунке 1.3 приведены диаграммы импульсных напряжений: а) питания электродной системы; б) параметры импульса выходного напряжения источника
Структурная схема и описание работы преобразователя напряжения
Блок схема преобразователя напряжения установки предпосевной обработки семян представлена на рисунке 2.10 Схема включает предварительный стабилизатор напряжения СТ переменного тока, после которого включается преобразователь напряжения. Преобразователь напряжения состоит из: источника высокого напряжения ИВН, инвертора напряжения ИН, датчика тока ДТ датчика напряжения ДН, блока управления БУ. Выход ИВН подключен к инвертору ИН, нагрузкой ИН является рабочая камера РК, где происходит обработка, к которой инвертор подключен через датчик тока ДТ. Напряжение в рабочей камере измеряется датчиком напряжения ДН. Датчики тока и напряжения подключены к блоку управления БУ, который управляет работой преобразователя, согласно установкам полученным от оператора.
Установка функционирует следующим образом. При включении, напряжение источника питания подаётся на стабилизатор напряжения СТ переменного тока. Стабилизатор, осуществляет плавное, бесступенчатое регулирование и стабилизацию выходного напряжения, в пределах задаваемых блоком управления БУ. Кроме того, стабилизатор напряжения СТ устраняет коммутационные перерывы в электропитании преобразователя, а также коммутационные перенапряжения и броски тока.
С выхода стабилизатора, напряжение переменного тока поступает на источник высокого напряжения ИВН, где оно преобразуется в напряжение постоянного тока с амплитудой воздействия. Значение величины напряжения для источника высокого напряжения ИВН задается блоком управления БУ. Источник ИВН, это источник с импульсным преобразованием напряжения. Выход источника ИВН нагружен на инвертор напряжения ИН.
Инвертор напряжения ИН формирует высоковольтные импульсы из поступающего на вход постоянного напряжения от источника ИВН. Блок управления БУ даёт команду на включение инвертору ИН на время длительности каждого импульса.
Сформированный таким образом, высоковольтный импульс для обработки через датчик тока ДТ, поступает на электроды рабочей камеры РК.
Информацию о процессах, протекающих во время обработки в рабочей камере РК блок управления БУ, получает от датчиков. О потребляемом электро дами рабочей камеры РК токе - от датчика тока ДТ, о значении приложенного к электродам рабочей камеры РК напряжения - от датчика напряжения ДН. Полученные данные, позволяют блоку управления БУ рассчитать необходимую и одинаковую величину энергии передаваемую нагрузке вне зависимости от изменений.
Для этого блок управления БУ корректирует такие параметры воздействия как, амплитуду импульса напряжения, его длительность, и частоту следования импульсов. Значение величины импульса напряжения передается блоком управления БУ в источник высокого напряжения ИВН. Параметры импульсов по длительности и частоте блок управления БУ обеспечивает при помощи инвертора ИН. Таким образом, преобразователь содержит контуры обратной связи по току потребляемым рабочей камерой РК, по напряжению - приложенному к электродам рабочей камеры РК. Расчет преобразователя приведен в Приложении 3.
В настоящее время нагрузка на электросеть сельской местности всё более увеличивается. И становятся острее известные проблемы сельской электросети: удаленность подстанции или трансформатора, неоднородность и слабая пропускная способность кабельной сети, и т. д. К тому же сети может не быть вообще, и оборудование может работать от электроагрегата. А характер нагрузки при обработке зерновой массы - емкостный и ток, потребляемый от источника, не совпадает по фазе с напряжением. Следовательно, качество потребления электроэнергии от сети будет низким [22,57]. При отсутствии сети электроагрегат придется выбирать завышенной мощности относительно нагрузки. Решить подобные проблемы позволит применение стабилизатора регулятора напряжения переменного тока [46,51,81]. Сформулируем требования к стабилизатору установки предпосевной обработке семян:
1. плавное, бесступенчатое регулирование и стабилизацию выходного напряжения;
2. устранение коммутационных перерывов в электропитании установки;
3. устранение коммутационных перенапряжений и бросков тока;
4. высокий КПД;
5. компактность;
6. доступная цена.
Подобные требования привели к идее отказаться от обоих наиболее часто встречающихся способов поддержания выходного напряжения стабилизатора. А именно,- посредством коммутации отводов обмотки автотрансформатора тири-сторным коммутатором и коммутации вторичной обмотки электромеханическим способом.
Рассмотрим подробнее предлагаемый стабилизатор (рисунок 2.11). Стабилизатор – регулятор напряжения переменного тока состоит из автотрансформатора 1 на сердечниках (магнитопроводах) 2 и 3, на которых намотаны первичные обмотки 4, 5 и вторичная обмотка 6. Кроме того, на сердечниках автотрансформатора намотаны управляющие обмотки 7 и 8, с подключенными блоками электронных регуляторов 9, 10. Управление стабилизатором осуществляется блоком управления 11, посредством цепи обратной связи 12, и потенциометром 13. К выходу стабилизатора – регулятора напряжения переменного тока подключается нагрузка 14. Следует отметить, что первичные обмотки 4 и 5 соединены между собой последовательно встречно.
Стабилизатор работает следующим образом. При подключении к электрической сети под действием питающего напряжения U1 по последовательной цепи первичных обмоток 4, 5 и вторичной обмотки 6 автотрансформатора 1 проходит электрический ток. Этот ток создает магнитные потоки в сердечниках 2 и 3. Суммарный магнитный поток сердечников 2 и 3 определяется величиной питающего напряжения U1 . Магнитные потоки сердечников 2 и 3 соответственно в первичных обмотках 4, 5 наводят напряжение U4, U5. В управляющих обмотках 7, 8, также наводятся напряжения. Напряжение U4 первичной обмотки 4 совпадает по направлению с питающим напряжением U1 , а напряжение U5 первичной обмотки 5 противоположно по направлению. При равенстве магнитных потоков в сердечниках 2, 3 и одинаковых числах витков в первичных обмотках 4 и 5 напряжения U4 и U5 равны по величине и противоположны по направлению. Следовательно, сумма напряжений (U4+U5) на концах последовательной цепи первичных обмоток 4 и 5 равна нулю из-за встречного включения обмоток 4, 5. В результате к нагрузке 14 прикладывается напряжение вторичной обмотки U6 равное сетевому (U3 = U1). Этот режим работы стабилизатора соответствует номинальному напряжению в сети (U1=Uном ). Диаграмма напряжений на элементах стабилизатора напряжения для этого режима представлена на рисунке 2.12 (а). Схема управления 11, в этом режиме, даёт команду блокам 9, 10 электронных регуляторов установить наибольшие сопротивления (бесконечные, т.е. обрыв цепи). Токи в управляющих обмотках 7, 8 равны нулю, следовательно, размагничивания сердечников 2, 3 не происходит.
Ток холостого хода в первичных обмотках 4 и 5 автотрансформатора 1 при номинальном напряжении сети U1 имеет минимальное значение, так как магнитный поток идет по двум сердечникам 2 и 3, реактивная мощность потребляемая стабилизатором из сети минимальна.
Результаты экспериментальной проверки работы преобразователя напряжения
По разработанной структурной и электрической - принципиальной схеме, был собран опытный образец преобразователя напряжения, вид со стороны монтажа которого приведен на рисунке 3.1. Расчет преобразователя напряжения выполнен в приложении 3.
К преобразователю была подключена рабочая камера [122], внешний вид которой приведен на рисунке 3.2
На рисунке 3.3 приведена осциллограмма тока и напряжения основном транзисторе ИВН (транзистор VT2 на рисунке 2.20). Видим, что выброс напряжения при запирании транзистора, обусловленный индуктивностью рассеяния, не более 50 В, при входном напряжении 300 В. Это положительный результат работы цепочки VT1, C1 (рисунок 2.20). Также результатом работы цепочки VT1, C1 является включение основного транзистора при пониженном напряжении, около 150 В, а на осциллограмме тока в этот момент отсутствуют коммутационные всплески, что благотворно сказывается на КПД и величине уровня эмиссии помех преобразователя.
КПД ИВН преобразователя при ..U =1,4142 220 = 320В, Р = 1000 Вт, вх вых. составил 87%. При тех же условиях, но при отключенной цепочке VT1, C1 КПД составляет 81%, что значительно ниже.
Преобразователь напряжения был испытан при обработке импульсным электрическим полем семян озимой пшеницы, осциллограмма формы импульса напряжения на электродах РК приведена на рисунке 3.3 (а).
Следует отметить выгодное отличие формы напряжения импульса формируемого данным преобразователем от формы напряжения на электродах РК установки [122], приведенной на рисунке 3.3 (б). Осциллограммы на рисунках 3.3 (а) и (б) сняты при длительности импульса тимп =40 мкс, частоте следования/ =600 Гц, напряжения на электродах рабочей камеры U=200 В.. На рисунке 3.3 (б) видны искажения формы импульса обусловленные переходными процессами при коммутации емкостной и индуктивной составляющей нагрузки - слоя семян, некомпенсированные внутренней схемотехникой и системой управления установки [122].
На рисунке 3.4 приведена развертка длительности фронта (а) и среза (б) импульса напряжения на электродах РК формируемого преобразователем напряжения. На рисунке 3.4 видим, что длительности фронта и среза импульса около 100 наносекунд. Подобное достижение значительно упрощает расчет дозы воздействия по формуле (3.1), поскольку можно исключить из расчета время Тфр, а также свидетельствует о более высоком КПД и уменьшении уровня эмиссии помех установки - за счет уменьшения длительности переходного процесса при подаче и снятии импульса на нагрузке.
На рисунке 3.5 приведена форма тока на электродах РК, во время проверки работы ПН. Сигнал С1 (цвет - желтый) ток заряда емкости семян, сигнал С2 (цвет - розовый) ток разряда емкости семян. В момент времени t1 на электроды РК подается импульс напряжения, замкнуты транзисторы VT1 и VT4 (рисунок 2.15), начинается заряд емкости семян ток РК – нарастает. В момент времени t2, выключается транзистор VT1, включается VT2, VT4 – остаётся включенным, электроды РК отключаются от источника напряжения, происходит разряд емкости семян, ток РК плавно спадает до нуля
Общее описание проведенных лабораторных опытов по определению посевных качеств семян
Опыты по изучению зависимости посевных качеств, семян озимой пшеницы сортов Трио и Юкка от режимов обработки ИЭП, проводились в аккредитованной лаборатории СтГАУ в 2015 - 2017 гг. Энергия прорастания и всхожесть семян определялась по ГОСТ 12038-84, влажность семян озимой пшеницы определялась по межгосударственному стандарту ГОСТ13586.5-2015. Одним из показателей влияния ИЭП на посевные качества семян является вегетативная масса проростков, определяемая в момент подсчета всхожести семян. Взвешивание проводилось до сотых долей грамма.
Семена проращивались на фильтровальном ложе, в чашках Петри, в четырехкратной повторности, по 50 семян в одном повторении. При обработке семян ИЭП они полностью заполняли расстояние между электродами рабочей камеры, благодаря чему воздушный зазор между семенами и электродами был исключен.
Нами исследовалась зависимость посевных качеств семян, озимой пшеницы сорта Трио:
- от напряженности поля в слое семян от 0 до 15 103 В/м с шагом 2,5 103 В/м;
- от напряжения, подводимого к электродам от 50 до 300 В, при длительности импульса 40 мкс и частотой следования импульсов 600 Гц;
- от длительности импульса от 20 мкс до 50 мкс , при напряженности в слое семян 10,0; 12,5; 15,0 103 В/м, частоте следования импульсов 600 Гц;
- от частоты следования импульсов от 600 до 1600 Гц с шагом 200 Гц, при напряженности в слое семян 15,0 103 В/м;
- от влажности семян при обработке в рациональном режиме; - от степени травмированности семян сортов Трио и Юкка при обработке в рациональном режиме.
Для проведения исследований электрических характеристик преобразователя использовались следующие приборы и оборудование:
1. Измеритель иммитанса цифровой МТ 4080А.
2. Ваттметр цифровой универсальный GPM-8212.
3. Мультиметр цифровой АРРА-205.
4. Осциллограф цифровой АКИП4108/2.
5. Осциллограф цифровой TPS20024.
6. Высоковольтный делитель напряжения.
7. Штангенциркуль (точность 0.05 мм).
8. Влагомер зерна РМ-410 ("Kett", Япония).
9. Термометр.
10. Весы BP3100S; НПВ 0,01-300г.
11. Шкаф для проращивания семян.
Обработка семян озимой пшеницы сорта Трио ИЭП проводилось при напряжении на электродах активатора: 0 - контроль, 50, 10, 200, 250, 300 В. Толщина слоя семян составила 2 10 2м, напряженность поля в слое семян изменялась от 2,5 103 до 15 103 В/м с шагом 2,5 103 В/м. Длительность импульса 40 мкс, частота следования импульсов 600 Гц, время обработки 4 с (рисунок 4.1). Время выдержанное от обработки до закладки семян на прорастание, - 3 суток. Это время экспозиции было использовано на основе результатов исследований проведенных [122].
Результаты эксперимента проведенного в декабре 2015 г. представлены в таблице 4.1. Эти результаты в целом совпали с результатами полученными в независимой лаборатории Протокол № А/У-12А от 25.12.2015 (Приложение 1).
Энергия прорастания семян озимой пшеницы на контроле составила 61,9 %, у семян опытных вариантов при изменении напряженности в слое семян от 2,5; 5,0; 7,5;10,0; 12,5; 15,0 103 В/м, этот показатель по отношению к контролю вырос на 4,2; 10,5; 25,0; 29,2; 29,4; 28,4%. Дальнейшее увеличение, приложенного к электродам рабочей камеры, напряжения, не привело к увеличению энергии прорастания. Она составила, при 200 и 250 В, - 80,0 и 80,1% соответственно, а при 300 В, - 79,5 %, различия по энергии прорастания между семенами вариантов не существенны.
Всхожесть семян на контрольном варианте составила 97,0 %. Максимальный показатель по всхожести оказался у семян обработанных ИЭП, при напряженности поля в слое семян 10,0; 12,5; 15,0 103 В/м и по отношению к семенам контрольного варианта были выше на 2,1; 2,0; 2,1% соответственно. Масса проростка у семян этих вариантов была на 37,1; 31,5; 35,5% выше, чем у семян контрольного варианта.
Анализ результатов опыта показал, что воздействие физического фактора при прорастании семян проявилось достоверно на ранних этапах. Так энергия прорастания на 4,2; - 29,4 % выше, чем на контроле, но всхожесть была только на 1,3; - 2,1% выше, чем на контроле (таблица 4.1).
Это объясняется тем, что семена озимой пшеницы контрольного варианта обладали высокими посевными качествами, их всхожесть составила 97,0. Поэтому наряду с энергией прорастания и всхожестью определялась масса проростков каждого варианта во время подсчета всхожести, так как проростки даже по внешнему виду отличались, как с контролем, так и между опытными вариантами. Анализ этого эксперимента показал, что при длительности импульса 40 мкс, наиболее результативна обработка при напряжении на электродах рабочей камеры от 200 до 300 В, и напряженности в слое семян от 10 до 15 103 В/м.
Проведен корреляционный анализ для определения степени влияния напряженности ИЭП на энергию прорастания семян озимой пшеницы сорта Трио. При построении математических моделей (уравнений регрессии) значения коэффициентов корреляции (p00, p10, p01) получились с 95% сходимостью.
Аппроксимация полиномом экспериментальных данных для энергии прорастания выполнена в программе MATLAB и дает уравнение регрессии
Для наглядности на рисунке 4.1 представлена диаграмма влияния напряженности на значения энергии прорастания.
Из рисунка 4.1 получаем, что в рассматриваемой модели рациональными значениями напряженности ИЭП, максимально повышающими энергию прорастания, являются 10,0; 12,5; 15,0 103 В/м.
Проведен корреляционный анализ для определения степени влияния напряженности ИЭП на всхожесть семян озимой пшеницы сорта Трио. При построении математических моделей (уравнений регрессии) значения коэффициентов корреляции (p00, p10, p01) получились с 95% сходимостью. Аппроксимация полиномом экспериментальных данных для всхожести семян выполнена в программе MATLAB и дает уравнение регрессии