Содержание к диссертации
Введение
1. Борьба с сорной растительностью. цель и задачи исследования 17
1.1. Сорные растения и способы борьбы с ними 17
1.2. Основы уничтожения сорняков электрической энергией 38
1.2.1. Результаты исследований по электрической обработке
растений и растительного сырья 38
1.2.2. Действующие факторы в процессах электрической обработки растительных объектов 48
1.2.3. Технические средства для электрической прополки 57
1.2.4. Влияние электрической прополки на полезную микрофлору почвы 67
Цель и задачи исследования 70
2. Методика экспериментальных исследований 74
2.1. Экспериментальные установки высоких импульсных напряжений 74
2.2. Исследование электропроводных параметров сорных растений и цепей обработки 84
2.2.1. Определение параметров эквивалентной электрической схемы замещения растительной ткани сорняков 84
2.2.2. Исследование частотной зависимости сопротивления растительной ткани сорняков 86
2.2.3. Определение степени повреждения отдельных элементов сорных растений 91
2.2.4. Исследование электропроводности растительной ткани стеблей, участка с корневой шейкой и корня сорняков
2.3 Исследование влияния вида электрического воздействия на степень повреждения растительных тканей сорняков 95
2.4. Исследование сопротивления пути протекания тока обработки в полевых условиях 99
2.5. Оценка влияния параметров разрядного контура на
степень повреждения растительной ткани сорняков 101
2.6 Исследование электроимпульсной обработки сорных растений в естественных условиях их произрастания 104
2.7. Обработка результатов экспериментальных исследований 105
3. Технологические основы электрического повреждения сорных растений 112
3.1. Свойства и параметры сорной растительности как объектов электрического воздействия 112
3.1.1. Принципиальная электрическая схема замещения растительной ткани и её электропроводные свойства 112
3.1.2. Параметры элементов эквивалентной электрической схемы замещения тканей сорняков 125
3.1.3. Электропроводные свойства растительных тканей сорных растений в период вегетации 137
3.1.4. Характер изменения электропроводных свойств растительных тканей сорняков при электрическом повреждении 148
3.2. Влияние вида электрического воздействия на степень повреждения растительных тканей сорняков 154
Выводы по главе 157
4. Электродная система подведения энергии к сорным растениям 160
4.1. Способы подведения электрической энергии к сорным растениям 160
4.2. Анализ электрического сопротивления цепи протекания тока обработки сорных растений 165
4.3. Анализ конструкций электродных систем электропрополыциков и предъявляемые к ним требования 182
4.4. Методика энергетической оценки рабочих электродов электропропольщика 186
4.5. Навесная электродная система 195
4.5.1. Определение высоты подвеса электродных секций 195
4.5.2. Переходное сопротивление контакта «электрод-стебель растения» и способы его уменьшения 200
4.5.3. Обоснование и выбор конструкции электродов навесных секций 205
4.6. Заглубляемые в почву электроды 212
4.6.1. Обоснование конструкции заземляющего электрода 212
Выводы по главе 215
5. Исследование технологической эффективности и энергетических показателей разрядного контура установки для электрической прополки 218
5.1. Чувствительность растительной ткани сорняков к электроимпульсному воздействию 218
5.1.1. Зависимость степени повреждения растительной ткани сорняков от напряженности электрического поля в ней 219
5.1.2. Зависимость степени повреждения растительной ткани сорняков от воздействующей энергии 227
5.2. Исследование процесса электроимпульсного повреждения растительных тканей 237
5.3. Оптимальные параметры процесса электроимпульсного повреждения сорных растений 244
5.4. Исследование энергетических показателей разрядного контура установки для электрической прополки 255
5.4.1. Моделирование электроимпульсного воздействия на растительную ткань сорняков 255
5.4.2. Моделирование процессов в разрядном контуре, нагруженного на участок «сорное растение - почва - сорное растение» 264
5.5. Исследование влияния на растения электроимпульсных воздействий в полевых условиях 270
Выводы по главе 281
6. Общие технические параметры агрегата электрической прополки 284
6.1. Структура агрегата электроимпульсной прополки
6.2. Характеристики вала отбора мощности трактора как 284
источника механической энергии для привода генератора 292
6.3. Обоснование электрической структуры агрегата и анализ процессов в ней 298
6.3.1. Электрическая схема агрегата 298
6.3.2. Анализ зарядных процессов в электроимпульсной установке 320
6.4. Общие положения техники безопасности при эксплуатации электроимпульсного пропольщика 326
6.5. Разработка технических условий на навесное электроимпульсное устройство для уничтожения сорной
растительности 334
Выводы по главе 344
7. Технико-экономические показатели и энергетическая оценка электроимпульсного уничтожения сорных растений 346
7.1. Перспективы применения электроимпульсной прополки в растениеводстве 346
7.2. Технико-экономические показатели электроимпульсного уничтожения сорных растений 350
7.2.1. Расчет капитальных вложений 351
7.2.2. Определение приведенных затрат 356
7.2.3. Технико-экономические показатели 355
7.3. Энергетическая оценка электроимпульсного уничтожения сорняков 357
Общие выводы 368
Библиографический список
- Действующие факторы в процессах электрической обработки растительных объектов
- Исследование частотной зависимости сопротивления растительной ткани сорняков
- Параметры элементов эквивалентной электрической схемы замещения тканей сорняков
- Анализ электрического сопротивления цепи протекания тока обработки сорных растений
Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшая задача сельскохозяйственного производства России в настоящее время – увеличение валового и товарного объёма высококачественной экологически чистой продукции растениеводства и животноводства. Её решение возможно за счёт совершенствования исторически сформировавшихся технологий и внедрения современных технических средств механизации, электрификации и автоматизации.
Использование последних сдерживается не только отсутствием необходимого финансирования, но и недостаточной исследованностью и изученностью основ и сущности выполняемых процессов. Это характерно, в первую очередь, для технологий с использованием электрической энергии при выращивании, уборке, переработке и хранении продукции растениеводства и, в частности, для уничтожении сорной растительности.
Недостаток материально-технических средств в аграрном секторе обуславливает крайне низкий уровень хозяйствования на земле (без использования удобрений и средств защиты растений сейчас находится почти 70 % пашни) и критическое фитосанитарное состояние агроэкосистем. При такой ситуации распространился целый ряд «специализированных» вредителей и возбудителей болезней зерновых, картофеля и овощных культур, трудноискореняемые и карантинные сорные растения.
Из-за этого ежегодные потери только урожая зерновых от сорных растений оцениваются в 10…12 млн. т. В мировом земледелии также значительны потери продукции из-за сорняков: пшеницы – 9,8 % от всего собранного урожая; кукурузы – 13 %; проса, сорго – 17,8 %; риса – 10,8 %; хлопчатника – 4,5 %; сои – 13,5 %; картофеля – 4 %; томатов – 5,4 %.
Для уничтожения сорной растительности применяют различные способы (механические, химические, биологические и т.п.). Традиционный механический способ имеет высокую эффективность (70…95 %), огромный исторический опыт использования подручных и технических средств, но он отличается высокой энергоёмкостью. Химический метод характеризуется, прежде всего, избирательностью действия и более высокой эффективностью (до 100 %), но он довольно дорог и экологически не безопасен. В России и за рубежом для борьбы с сорными растениями разрабатываются другие эффективные и экологически чистые способы истребления сорняков, к которым относят и применение высоковольтных электроимпульсных воздействий.
Для получения наилучших экономических показателей использования электроимпульсного уничтожения сорняков необходимо, чтобы эта операция была технологически эффективной, энергетически малозатратной и реализовывалась при помощи простых и сравнительно дешёвых технических средств.
Цель исследования – научно обосновать и разработать энергосберегающую технологию электроимпульсной борьбы с сорной растительностью в условиях богарного земледелия Нижнего Поволжья.
В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на достижение этой цели, решались следующие задачи:
– исследовать электропроводные свойства растительных тканей сорняков до, в процессе и после их электроимпульсного повреждения;
– провести сравнительные исследования технологической и энергетической эффективности различных родов тока для уничтожения сорняков;
– проанализировать и изучить сопротивления возможных цепей протекания повреждающего тока, выявить наиболее эффективные из них на основе анализа вариантов подведения электрической энергии к сорным растениям;
– разработать методики энергетической оценки электродной системы для подведения энергии к сорнякам;
– обосновать форму электродов навесной системы, предназначенных для контактирования с надземной частью сорных растений и электродов, заглубленных в землю, а также компоновку всей электродной системы в целом;
– выявить технологические характеристики процесса электроимпульсного уничтожения сорной растительности;
– исследовать и обосновать энергетические параметры и характеристики разрядного контура электроимпульсной установки;
– сформулировать электротехнологические и технические условия на разработку электроимпульсного устройства для уничтожения сорняков;
– показать энергетическую и экономическую эффективность технологии электроимпульсного уничтожения сорной растительности.
Объект исследования. Объект исследования – совокупность сорных растений, технических средств и технологических параметров электроимпульсного воздействия для выявления режимов, обеспечивающих надёжное необратимое повреждение сорняков при минимальном расходовании энергии и минимальном отрицательном влиянии на окружающую среду.
Предмет исследования – процессы электроимпульсного уничтожения сорных растений с целью обоснования его оптимальных технологических и электротехнических параметров.
Представленные в работе материалы – итог исследований автора, выполненных индивидуально и совместно с другими исследователями по всероссийским и региональным программам: «Система ведения агропромышленного производства Волгоградской области» на 1996…2010 гг.; Координационная программа НИР на 1998…2003 гг. по выполнению задания РАСХН «Разработать агроэкологические основы интегрированной системы мер борьбы с сорными растениями в адаптивно-ландшафтных системах земледелия»; «Система адаптивно-ландшафтного земледелия Волгоградской области» на период до 2015 г.; «Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года».
Методики исследования. Для достижения поставленной цели и решения сформулированных задач использован методологический приём академика В.П. Горячкина, в соответствии с которым все электротехнологические процессы, а также технические вопросы и решения исследовались экспериментально и теоретически как взаимосвязанные составляющие одного целого, как единая система взаимодействия трёх основных элементов электроимпульсного воздействия: источника импульсного напряжения, элементов подведения электрической энергии к объекту воздействия и самого объекта обработки – сорного растения. Работа содержит последовательное логичное сочетание теоретических и экспериментальных исследований. На основе известных представлений о процессе или явлении, разрабатывали теоретические положения, гипотезы и решения для исследуемой электротехнологической операции, которые затем проверяли экспериментально. В соответствии с полученными результатами экспериментов выполнялась корректировка ранее предложенных теоретических представлений, после чего проводились уточняющие экспериментальные исследования.
При теоретической разработке математических моделей процессов электроимпульсной обработки растительных объектов использовали классический математический анализ и численные методы решения задач на компьютере.
Экспериментальные исследования электрофизических свойств и параметров живых и повреждённых растительных тканей сорняков проведены с использованием различных электроизмерительных приборов и аппаратуры, обеспечивающих достаточную точность результатов.
Процессы электрического воздействия на растительные объекты исследовались с использованием как специально, так и промышленно, изготовленных высоковольтных установок, измерительных приспособлений, устройств, которые соответствовали требованиям техники высоких напряжений.
Результаты экспериментов подвергались статистической обработке с использованием прикладных компьютерных программ MathCAD 13, Excel 7.0, SPSS v.10.07.
Научная новизна работы состоит в следующем:
– предложена математическая модель определения и расчета параметров принципиальной электрической схемы замещения растительной ткани сорняков и представлена гипотеза повреждения их внутренней структуры на основе изменения параметров в процессе электроимпульсного повреждения;
– выявлено, что наибольшее удельное электрическое сопротивление имеет ткань корневой системы сорных растений, что в процессе развития сорных трав сопротивления их корня и стебля возрастают, что удельное сопротивление поверхностных тканей стебля и корня больше, чем сопротивление внутренних;
– предложена методика энергетической оценки электродных систем для подведения энергии к сорнякам;
– определены зависимости степени повреждения тканей сорных растений от напряжённости электрического поля, от поглощенной растительной тканью энергии, от параметров воздействующих импульсов и разрядного контура;
– предложена методика расчёта основной характеристики разрядного контура – тока при начальном протекании его через живую растительную ткань, обладающую полупроницаемыми, емкостными свойствами, и при последующем – через повреждённую;
– предложена методика расчёта электрической части установки для электроимпульсного уничтожения сорной растительности;
– исследованы технологические характеристики электроимпульсного воздействия на сорные растения и определены оптимальные показатели процесса уничтожения сорняков.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований процесса электроимпульсного уничтожения сорной растительности представляют собой научную и технологическую основу для изготовления специальных агрегатов и внедрения способа в практику земледелия.
Технология электроимпульсного энергосберегающего способа борьбы с сорной растительностью включена в Регистр технологий производства зерновых, зернобобовых, крупяных и масличных культур в Волгоградской области (система технологий). Результаты выполненных исследований внедрены в КФХ «Титов С.Н.» (Волгоградская обл.), колхозе «Заветы Ленина» (Волгоградская обл.).
В ОАО «Волгоградский электромеханический завод» (г. Волгоград) и ООО «Энерготехмаш-Пром» (г. Волжский) переданы конструкторские документы и предприятия приступили к изготовлению узлов и макетного, опытного образца навесной установки на колесный трактор для электроимпульсного уничтожения сорняков.
Материалы исследований и экспериментально-исследовательские установки включены в лекционный и лабораторно-практический цикл занятий со студентами, обучающимися на факультетах энергетики и электрификации Волгоградского ГАУ, Азово-Черноморской ГАА, по дисциплинам «Светотехника и Электротехнология»; «Электротехнология в сельском хозяйстве»; «Современные электротехнологические установки».
Новизна технологических (способ) и технических (три устройства) решений по электроимпульсному уничтожению сорных растений защищена патентом на способ (№ 2308189); патентами на изобретения (№ 2308189, 2387117) и полезную модель (№ 91808, 115622).
Практическую ценность работы составляют:
– выявленные наиболее эффективные способы подведения энергии к сорнякам с точки зрения технической реализации конструкции и достижения запланированного технологического эффекта при минимальных затратах энергии;
– методики энергетической оценки электродной системы для подведения энергии к сорным растениям;
– значения плотности повреждающего тока или напряжённости электрического поля в растительной ткани сорняков различных биологических видов, а также удельные значения расхода энергии на необратимое повреждение тканей сорных растений;
– оптимальные технологические и энергетические параметры процесса уничтожения сорных трав и технические условия на устройство для прополки;
– значения летальных доз электрической энергии на уничтожение сорных растений, произрастающих в естественных условиях;
– методики расчета и оптимизации режимов работы разрядного контура установки для электроимпульсного уничтожения сорняков.
Действующие факторы в процессах электрической обработки растительных объектов
Развитие сорняков привело к тому, что они научились перехватывать у культурных растений влагу, питательные вещества, сохранять свой биологический вид за счет высочайшей плодовитости, а в некоторых случаях и соперничать с культурами, выделяя в корневой зоне фитонциды, которые угнетают растения и снижают температуру почвы. Кроме перечисленного, следует отметить также такие биологические особенности сорных растений как неодновременность появления всходов; неравномерность созревания, зачастую более раннюю, чем у возделываемых культур; высокую осыпаемость вызревших семян; наличие периода покоя не только у семян, но и у корневищ, вегетативных органов размножения и надземных стеблей [3, 34, 46, 120, 125, 156, 157, 184, 264, 323, 334].
В основе имеющихся классификаций сорных растений лежит их принадлежность к конкретным биологическим видам [3, 34, 46, 115, 120, 125, 184, 264, 323, 334]. При этом каждый биотип имеет свои, в основном только ему присущие характерные особенности, которые проявляются в отрицательном влиянии на развитие посадок и посевов культурных растений. Наиболее вредоносные сорняки, трудноискоренимые - это корнеотпрысковые, карантинные, а также одно- и двухлетники с огромным числом семян.
Самые злостные засорители полей - корнеотпрысковые сорняки -обладают высокой экологической пластичностью, быстрым ритмом размножения, повышенной устойчивостью к неблагоприятным условиям. Землепользователями они определены как трудноискоренимые: корни их отдельных представителей в поисках влаги достигают глубины 10 м и больше; корневые отпрыски прорастают, достигая поверхности земли, даже с глубины более метра; корневые выделения существенно снижают всхожесть и рост культурных растений [3, 34, 115, 125, 184, 264, 323, 334].
При обосновании разрабатываемого способа угнетения и уничтожения сорных трав необходимо, в первую очередь, отметить те особенности морфологического строения и физиологического развития сорняков, которые предопределяют их противодействие внешним факторам, стремящимся повредить внутреннюю структуру их растительных тканей.
Ученые физиологи [48, 90, 92, 144, 157, 236, 243, 322] доказывают, что у растений, особенно у сорных, устойчивость к различным повреждающим факторам определяется наличием образовательной ткани -меристемы. Главными особенностями меристем является наличие у них свойства асинхронности (неоднородности деления клеток) и компенсаторных механизмов (возможности временно выполнять функции поврежденных клеток клетками неповрежденными, которые несут при этом повышенные нагрузки). Асинхронность деления клеток позволяет добиться наличия в образовательной ткани клеток с разными стадиями развития, что сказывается на различии их восприимчивости к повреждающим и воздействующим факторам. Кроме асинхронности, исследователи выделяют постоянное наличие в тканях сорных растений покоящихся клеток, обладающих длительным митотическим циклом и высокой степенью устойчивости к повреждению, служащих резервом клеток для восстановления растительных тканей. Проведенные эксперименты показывают, что повреждение делящихся клеток и даже гибель апикальной точки роста растения не приводит к летальному исходу для меристемы. В том случае, когда под влиянием неблагоприятных условий погибает значительное число активно делящихся клеток и объем апикальных меристем уменьшается, покоящиеся клетки быстро выходят из своего состояния, превращаясь в активно пролиферирующие, продолжая делиться до тех пор, пока не произойдет восстановление объема меристематических тканей, после чего снова переходят в состояние покоя. Особо следует отметить, что у меристемы апикальной части корня, даже при гибели меристемной ткани, перицикл клетки, служащей для образования боковых корней, становится источником делящихся клеток, способных дать рост новому растению. Устойчивость сорняков к повреждающим воздействиям можно рассматривать как устойчивость их меристем, так как от объема меристемы зависят темпы и специфика развития всего растительного организма. Постоянство объема апикальных меристем определяет устойчивость растительного организма и длительность его жизни. Только необратимое полное повреждение меристемы и компенсационных органов, расположенных в приграничных тканях, приводит к гибели образовательные ткани. Именно такой летальный эффект возможно получить во время электрообработки за счет протекания необратимо повреждающего тока по внутренним структурам.
Рассмотрев особенности физиологического и морфологического строения тканей сорняков, следует охарактеризовать почвенно-климатические условия региона, где произрастают исследуемые сорные травы и подчеркнуть отличительные черты ведения работ в земледелии и растениеводстве,
Волгоградская область - регион Нижнего Поволжья, где, несмотря на то, что земледелие считается рискованным и зачастую осуществляется либо как сухое (например, выращивание злаковых культур, бахчеводство), либо полностью орошаемое (например, овощеводство), особенно велик процент получаемой растениеводческой продукции в общей структуре валового сельскохозяйственного продукта. Область служит одним из крупнейших производителей сельскохозяйственной продукции в РФ. Удельный вес ее продукции в валовом производстве всей страны составляет 2,0...2,5%.
Исследование частотной зависимости сопротивления растительной ткани сорняков
Таким образом, можно утверждать, что при приложении электрического напряжения к неповрежденному растительному образцу через него начинает протекать ток проводимости, хотя при низких значениях напряженности электрического поля в ткани вполне возможны поляризационные явления сопровождающиеся возникновением токов смещения. Протекающий ток вызывает различные биофизические и биохимические процессы, в результате чего происходит нарушение нормального функционирования клеточных структур тканей. Многие исследователи именно ток проводимости считают основным действующим фактором при электрической обработке растений и растительного сырья, приводящим к повреждению растительную ткань, в том числе и необратимому. Но в вопросе механизма ее повреждения и разрушения до сих пор нет единого мнения. Считается, что протекающий ток вызывает: 1. Нагрев внутриклеточной и межклеточной жидкости, происходящий за счет выделения в них тепловой энергии, с последующим её закипанием и взрывом клетки, в результате чего происходит механический разрыв мембраны, пропадают её универсальные полупроницаемые для жизненноважных процессов свойства, что приводит к необратимому повреждению клеток и их гибели [398, 399, 401, 406]. 2. Нагрев мембраны и электроосмотический толчок содержимого клетки, приводящие к механическому повреждению мембраны и выходу в межклеточник внутриклеточной влаги. При этом наблюдается термоселективность (преимущественность) нагрева мембраны, которая определяется, по словам исследователей, незначительной её массой по сравнению с массой клетки и её большим, чем у клетки электрическим сопротивлением. Тепловой фактор повреждения клетки определяется низкой скоростью ввода электрической энергии в обрабатываемую растительную ткань, а при высоких скоростях - наблюдается механическое разрушение мембран [54]. 3. Возникновение внутри клетки процесса электролиза и выделение газов (водорода и кислорода) в количестве большем, чем объём клетки, что в итоге приводит к механическому разрушению полупроницаемых мембран и самой клетки. Здесь исследователи поясняют, что выделение сопутствующих газов при достаточном для этого электрическом заряде, прошедшим через клетку, происходит за весьма ограниченное время при незначительных температурах элементов клетки [104]. 4. Нарушение полупроницаемых функций мембраны и потерю клеткой способности обмениваться питательными веществами и энергией с межклеточным пространством и соседними клетками, в результате влияния внешнего электрического поля с напряженностью выше 10 В/м, приводящее к электрическому пробою клетки [107, 108]. 5. Также можно отметить гипотезу, что при воздействии переменным напряжением за счет напряженности электрического поля в растительной ткани на границах неоднородных сред накапливаются многочисленные объемные заряды, реализующиеся в микроразряды в растении и разрушающие всю растительную ткань [205, 230]. Рассмотренные механизмы повреждения растительной клетки и ткани касаются исследований проведенных на постоянном и переменном токе при высоком напряжении. Практический интерес представляют также сведения о том, как реагирует клетка и ткани растений на высоковольтное электроимпульсное воздействие.
При подведении высокого напряжения к растению, во время экспериментов по электроимпульсному прореживанию посевов сахарной свеклы, по его поверхности и в воздухе возникал искровой разряд, сопровождающийся формированием ударной волны. Эти процессы, как утверждают исследователи, протекают не только у поверхности растительного объекта, но и внутри него. В результате этого растительная ткань испытывает значительные механические воздействия, которые приводят к разрыву межклеточных связей и стенок клетки. На основании полученных экспериментальных результатов и их анализа предложено объяснение механизма воздействия высоковольтных разрядов на растения в зависимости от фазы их развития: для окрепших растений основным действующим фактором явилась энергия импульса; для молодых всходов -давление на фронте ударной волны, которая развивается по поверхности растения [254-256].
При изучении электроимпульсного плазмолиза кормовых трав перед сушкой высказано предположение о механизме повреждения, которое сформулировано следующим образом: разрушение клеток при электроискровой обработке происходит главным образом за счет действия гидродинамических усилий, причем, в первую очередь, разрушаются клетки, имеющие большие размеры, высокое тургорное давление и малую толщину оболочек, т.е. клетки сердцевины. При этом главным действующим фактором является ток проводимости [331, 332].
Похожие объяснения приводятся и при выяснении сущности механизма разрушения внутренней структуры сорных растений электрическим током. При подаче высокого напряжения на поверхности растения и в воздухе образуется искровой разряд, приводящий к образованию ударной волны. При этом в малом объеме неоднородной среды, заключенной между клетками, накапливается электрическая энергия, которая проявляется в виде импульсного микроразряда. Его длительность в сотни раз меньше времени накопления энергии и, следовательно, по заключению исследователей мощность во столько же раз превышает среднюю зарядную. Плотность энергии в разрядном канале такова, что образуется плазма и повышается давление, приводящее к почти мгновенному расширению канала. Совместное воздействие этих двух факторов приводит к разрушению (пробою) стенок клеток (мембран) и связей между ними, внутриклеточный раствор вытекает в межклеточник, что повышает проводимость и в результате этого увеличивается значение тока обработки. Разрушающее воздействие на растительную ткань сорняков оказывают несколько действующих факторов: ток проводимости; энергия поляризации; энергия объёмного заряда, переходящая в искровой разряд на границах раздела неоднородных сред [205, 228, 230].
Следует так же отметить, что при электроимпульсном воздействии на растение повреждение его тканей может быть вызвано и другими факторами [290]: напряжённостью электрического поля; напряжённостью магнитного поля; световым или ионизирующим излучением, сопутствующим искровому разряду.
В Волгоградском СХИ проведены экспериментальные исследования, в ходе которых рассматривались и проверялись гипотезы о возможных действующих факторах, приводящих растение к повреждению. В результате анализа полученных экспериментальных данных и теоретических рассуждений о сути процессов, протекающих в растительной ткани, выдвинута рабочая гипотеза, заключающаяся в том, что главным повреждающим фактором при электрической обработке растений всё же является ток проводимости большой плотности или, что тоже, электрическое поле высокой напряжённости в ткани растительного объекта.
Параметры элементов эквивалентной электрической схемы замещения тканей сорняков
Момент подачи пускового импульса соответствовал окончанию времени зарядки конденсаторов ГИН. Схема управления шаровым разрядником была собрана с использованием импульсного трансформатора TV3, в роли которого выступала автомобильная катушка зажигания типа Б1-01 12В (рис. 2.2). Принцип работы схемы состоит в следующем: со вторичной обмотки понижающего стандартного трансформатора TV2 снимается напряжение U=100 В, после этого осуществляется зарядка ёмкости С2 через сопротивление R5. Затем после замыкания кнопки SB1 ёмкость разряжалась на первичную обмотку катушки зажигания и протекающий по ней ток, в момент коммутации, способствовал возникновению во вторичной обмотке импульса высокого напряжения. Создаваемое высокое напряжение пробивало промежуток между основным и поджигающим электродами нижнего шара, основной разрядный промежуток ионизировался и в нём происходил основной разряд, в результате чего энергия, запасённая в накопительных емкостях СІ ГИНа, прикладывалась к образцу растительной ткани. Диод VD2, включенный параллельно первичной обмотке катушки зажигания, выполняет роль шунта для предотвращения выхода катушки из строя. Схема поджига смонтирована в отдельном корпусе, а подвод высокого напряжения к шаровому разряднику осуществлялся при помощи высоковольтного провода (рис. 2.3).
Фрагмент части растительной ткани сорного растения находится в межэлектродном пространстве в рабочем разряднике, помещенном в разрядной камере. Электроды представляют собой подпружиненные стержни из нержавеющей стали на концах которых выполнены проточки, в которых крепились фетровые накладки. Они одновременно играют роль и рабочих и измерительных. Для качественного контакта с растительными образцами поверхность фетровых накладок после каждого опыта смачивали 5% раствором NaCl. Гальваническая развязка между разрядным контуром и измерительной схемой осуществлялась при помощи трёхпозиционного переключателя. Разрядная камера, внутри которой размещали электроды, создавала затенение, что позволяло визуально следить за тем, не происходит ли перекрытие искрового разряда по поверхности растительного образца. Это было необходимо, так как технологическая эффективность уничтожения сорных растений зависит, прежде всего, от плотности тока протекающего через растительную ткань, а не от разряда по поверхности.
Все элементы установки для лабораторных исследований крепили на горизонтальной плите из обработанной пропиточным изолирующим лаком листе фанеры и на основании из текстолита толщиной 10 мм.
Все лабораторные исследования проводились в помещениях с контурами заземления, общее сопротивление которых не превышало 0,5 Ом. Элементы схемы, подлежащие заземлению, соединялись короткими медными проводами с общим болтовым зажимом, который в свою очередь подсоединялся к выводу контура гибким проводом сечением 5,0 мм2.
Для проведения исследований по изучению влияния электрических импульсов высокого напряжения на сорные растения в полевых условиях разработана передвижная экспериментальная установка.
С точки зрения удобства проведения исследований силовой и формирующий импульсы блоки, электродная система, схема управления, а также измерительный комплекс были размещены на передвижной, мобильной платформе (рис. 2.4). Совмещение перечисленных технических средств дало возможность проводить наблюдения за процессом электроимпульсной обработки сорных растений в полевых условиях; получать достоверную информацию о процессах, протекающих в растительных тканях обрабатываемых сорняков и о физиологическом состоянии этих тканей; следить за работой электрооборудования в полевых условиях. Такой вариант установки позволяет здесь же на основании полученных достоверных экспериментальных данных принять решение о корректировке повреждающего фактора - энергии воздействующих импульсов высокого напряжения.
Структурная схема установки повторяет схему, собранную для проведения лабораторных исследований. Питание установки от сети переменного тока, а необходимое напряжение на зажимах схемы устанавливается при помощи лабораторного автотрансформатора, включаемого в первичную схему повышающего трансформатора. Для визуального контроля со стороны низкого напряжения использовался стрелочный вольтметр. Повышающий трансформатор типа ОМ-0,63/10 увеличивает значение переменного напряжения до необходимого значения (3,5... 10 кВ). Затем напряжение выпрямляется при помощи однополупериодного выпрямителя и умножается, например, в данном случае удваивается до значения 7.. .20 кВ.
Анализ электрического сопротивления цепи протекания тока обработки сорных растений
Исследователями установлено, что электрическая схема замещения биологической клетки представляет собой сложное соединение активно-ёмкостных элементов и источников ЭДС, отражающее её анатомическое и морфологическое строение, с достаточной степенью достоверности моделируя протекающие в ней электрохимические, биохимические и биоэнергетические процессы [43, 47, 77, 137, 195, 196, 248, 268, 284, 329, 330]. Активно-емкостная структура принятой модели определяется тем, что в животных и растительных организмах нет таких систем и элементов, которые были бы подобны катушкам индуктивности, или протекающие в тканях процессы, были быподобны процессам, имеющим место на индуктивных элементах, включенных в электрическую цепь. Поэтому вполне логично считать индуктивность биологических тканей близкой к нулю и при составлении расчетных моделей её не учитывать. В тоже время, биологические мембраны, выполняя барьерную функцию, обладают способностью накапливать и удерживать заряды на своей поверхности, создавая тем самым разность потенциалов на поверхности, а также избирательно пропускать и разделять жизненно важные для клетки потоки ионов, что характеризует тем самым полупроницаемые, емкостные, с точки зрения теории электричества, свойства [43, 47, 76, 77, 126, 137, 138, 248, 249, 284]. Компоненты схемы замещения с активной проводимостью моделируют собой наличие внутри и снаружи клетки органических сред, которые по своим электропроводным свойствам близки к электролитам [103, 248, 249, 284]. Источники ЭДС, включаемые в полную схему замещения, определяют способность клеток обмениваться, между собой и с межклеточным пространством, питательными веществами, в виде не связанных подвижных полярных молекул и ионов, растворенных в воде, а так же отражают наличие на клеточной мембране растения разности потенциалов, в пределах 100...300 мВ, называемой потенциалом покоя [126, 192, 221, 249]. При электрическом воздействии на растительную ткань, как например, в случае уничтожения сорняков, внешнее подводимое напряжение обработки составляет десятки киловольт, что во много раз превышает значение всех суммарных ЭДС клеток. Поэтому, на наш взгляд, каким либо влиянием этих ЭДС в растительных тканях на протекающие внутриклеточные процессы при высоковольтной обработке сорняков можно пренебречь и в конечном варианте электрической схемы замещения (при изучении электропроводных свойств) названные источники можно не учитывать.
Предлагаемые варианты построения схем замещения живых клеток, по заключению учёных-исследователей, не только достаточно качественно отражают их внутреннюю структуру, но и достоверно описывают реакцию клеток на внешние воздействия и последующий за этим отклик, характеризующийся изменением протекающих внутриклеточных процессов. Проанализировав структурные построения таких электрических моделей, можно заключить, что схема замещения не может быть представлена в виде простого последовательного или параллельного соединения суммарного активного сопротивления всех компонентов клетки и ёмкости мембраны [22, 196, 248, 268, 284]. Её электрический аналог должен быть выполнен в виде сложного соединения активных и емкостных элементов, которое с высокой степенью правдоподобности описывает протекающие в неповреждённой клетке биоэлектрохимические процессы (см. рис. 3.1). Наиболее признанной в настоящее время считается эквивалентная электрическая схема замещения (рис. 3.1, а), которая состоит из параллельного соединения активного сопротивления межклеточника (R2) и ветви, содержащей последовательное соединение активного сопротивления протоплазмы (Rj) со сложным сопротивлением мембраны, представляющим собой параллельно включённые ёмкость (См) и активное сопротивление (R3) [22, 43, 89, 99, 131, 137, 138, 151, 220, 230, 248, 268, 284, 329, 330, 331, 339].
Анатомическое и морфологическое строение клетки с одновременным анализом её, уже найденных, электропроводных свойств позволяет исследователям оценить и количественные значения параметров элементов принимаемой эквивалентной электрической схемы замещения. Ранее подчёркнуто, что внутриклеточное и межклеточное пространство заполнено хорошо проводящим электрический ток «раствором». Учёные-цитологи доказали, что у высших растений структура протоплазмы (внутриклеточного содержимого) содержит большое количество водных включений органических соединений, таких как, например, вакуолярный сок. Межклеточное же пространство организовано большим числом макромолекулярных образований, солей и их растворов [92, 149, 157, 236, 243, 328]. С точки зрения теории электропроводности, применительно к описанной структуре клетки, выходит, что сопротивление межклеточника (R2) больше сопротивления внутриклеточного «раствора» (/?/). Устройство биологических мембран характеризуется наличием компонентов со значительными диэлектрическими свойствами, которые не позволяют свободно проводить через себя электрический ток ионов кроме как через предназначенные для этого специальные поры или «ионные ворота». Экспериментально доказано, что основные элементы конструкции мембран - липиды и белки, имеют очень низкую проводимость ионному току, то есть выступают в роли хорошего диэлектрика [47, 76, 77, 126, 248, 249]. Из сказанного напрашивается вывод, что мембраны имеют электрическое сопротивление (R3) много большее, чем сопротивление межклеточника (R2) и протоплазмы (Rj). Исследования разных авторов по биофизике, электрофизиологии и электротехнологии позволили сделать заключение, что активные компоненты схемы замещения животной и растительной клетки количественно отличаются друг от друга почти на порядок, то естьR3»R2»Rj [43, 131, 137, 138, 196,329,339].
При продольной обработке стеблей и корней растений, как в случае уничтожения сорняков, в электрическую цепь оказывается включённой не одна отдельная неповреждённая клетка, а какое-то их некоторое количество, попадающееся на пути протекания тока обработки. Следовательно, для получения полных данных об электрической нагрузке разрядного контура электропрополыцика необходимо знать электропроводные свойства именно той части растения, которая подвергается электрическому воздействию. Рассмотрев морфологическую структуру растительной ткани, можно заметить, что клетки по пути протекания тока обработки образуют сложное, смешанное электрическое последовательно-параллельное соединение с включением в него как небольших по размеру поверхностных клеток, так и более массивных -внутренних [22, 331, 338, 339]. Получается, что эквивалентная схема замещения ткани, состоящая из пассивных электрических элементов, имеет, на первый взгляд, достаточно сложный и громоздкий вид (рис. 3.2.), что в какой-то мере затрудняет возможность сделать достоверную количественную оценку нагрузки контура и определить реакцию (чувствительность) ткани на электроимпульсное воздействие. Для выполнения теоретических расчётов и анализа нужна более компактная электрическая модель.
