Содержание к диссертации
Введение
1. Сорные растения, способы их уничтожения, цель и задачи исследования 12
1.1 Сорные растения и необходимость борьбы с ними 12
1.2 Существующие способы борьбы с сорными растениями 15
1.3 Уничтожение сорняков с помощью электрической энергии 18
1.4 Цель и задачи исследования 23
2. Биологические и электрофизические свойства и параметры сорных растений как объектов электрического воздействия 24
2.1 Электропроводные свойства и параметры сорных растений 24
2.1.1 Реакция растительной ткани на ступенчатое электрическое воздействие 24
2.1.2 Электрическая схема замещения растительной ткани 27
2.1.3 Оценка значений сопротивлений протоплазмы, межклетника и мембраны 34
2.1.4 Оценка емкостных свойств растительной ткани 40
2.1.5 Динамика изменения электропроводных свойств растительной ткани при повреждении электрическим током 45
2.2 Методы оценки эффективности электрического повреждения сорных растений 55
2.2.1 Оценка электрического повреждения по частоїным характеристикам растительной ткани 57
2.2.2 Оценка электрического повреждения растительной ткани по параметрам схемы замещения 63
2.2.3 Степень повреждения растительной ткани в различных стрессовых состояниях 64
2.2.4 Оценка электрического повреждения во время электрической обработки 69
2.2.4.1 Оценка электрического повреждения по коэффициенту поляризации 70
2.2.5.1 Оценка электрического повреждения по совпадению формы импульса тока и напряжения 72
Выводы 74
3 Приёмы повышения эффективности электрического уничтожения сорняков 76
3.1 Секционирование электродной системы электропрополыцика 76
3.1.1 Общие требования, предъявляемые к электродной системе электропропольщиков 76
3.1.2 Возможные варианты подведения электрической энергии к сорным растениям 77
3.1.3 Переходное сопротивление электрод - стебель 79
3.1.4 Секционирование рабочих электродов 88
3.1.5 Вероятность контактирования сорняков с электродной системой 89
3.1.6 Математическая модель расположения стеблевой части растения в предэлектродной зоне 91
3.1.7 Определение длины секции электродной системы 95
3.2 Системы контроля состояния растительной ткани и распределения электрической энергии 100
3.2.1 Функциональная схема электропрополыцика с системой контроля состояния растительной ткани 101
3.2.2 Функциональная схема электропрополыцика с системами контроля состояния растительной ткани и распределения электрической энергии 103
3.2.3 Система контроля состояния растительной ткани 106
Выводы 112
4 Методика экспериментальных исследований 114
4.1 Схема проведения исследований 114
4.2 Методика исследований биометрических показателей сорняков 115
4.3 Методика исследований электропроводных свойств сорняков 122
4.3.1 Экспериментальная установка 122
4.3.1 Измерение и обработка осциллограмм тока и напряжения 126
4.4 Математическое моделирование процесса электрической прополки 132
5 Технико-экономическое обоснование разработанных приёмов повышения эффективности электрической прополки 134
5.1 Оценка снижения потерь урожая и экономии топлива от использования приёмов повышения эффективности электропрополки 134
5.2 Годовая прибыль от внедрения приёмов повышения эффективности электропрополыциков 141
5.3 Технико-экономические показатели от использования приёмов повышения эффективности электропрополки 143
5.3.1 Норма прибыли 144
5.3.2 Срок окупаемости и восстановление инвестированных средств 145
5.3.3 Внутренняя норма доходности 146 Выводы 148
Общие выводы 149
Библиографический список литературы
- Существующие способы борьбы с сорными растениями
- Реакция растительной ткани на ступенчатое электрическое воздействие
- Общие требования, предъявляемые к электродной системе электропропольщиков
- Методика исследований биометрических показателей сорняков
Введение к работе
Проблемы современного земледелия в основном заключаются в недостаточной эффективности используемых приёмов, направленных на получение хорошего урожая при заданных внешних экономических и экологических условиях. В связи с эволюционным развитием появляются новые виды сорняков, которые в конкурентной борьбе с культурными растениями создают все условия для существования только своего вида за счёт биологического подавления других. За всю свою многовековую историю человек, применяя к сорнякам истребительные меры, развивал и продолжает развивать их живучесть и сопротивляемость ко многим угнетающим факторам. В связи с этим появились новые виды сорняков, устойчивые даже к сильным ядам и гербицидам. Свидетельством увеличения сопротивляемости сорных растений является появление целой классификации сорняков по виду резистивности. Натиск эволюционного развития сорных растений соизмерим с темпами совершенствования технологий по их уничтожению, а в некоторых случаях -превосходит их. Некоторые виды сорняков вообще являются трудноискоренимыми.
Используемые механические способы борьбы с сорной растительностью -являются "самыми" энергоёмкими, "так ~как" за—счёт~ высокого -тягового -сопротивления сельскохозяйственных орудий они имеют самый большой расход топлива. Многократное использование операций лущения или вспашки приводит к уплотнению почвы и снижению урожая.
Использование химических способов способствует развитию гербицидной резистивности сорняков, загрязняет почву и грунтовые воды, приводит к увеличению концентрации ядов в продукции растениеводства, а следовательно — в организме животных и людей.
Одним из самых перспективных направлений по уничтожению сорной и нежелательной растительности является использование для этих целей электрической энергии. Во многих зарубежных странах и в России эти технологии используют для уничтожения сорняков с помощью мобильных и стационарных агрегатов. Экологическая чистота использования электрического
5 способа очевидна, так как химическое загрязнение почвы, воздуха и грунтовых
вод исключено. Существующие установки позволяют уничтожить на поверхности
поля с низким уровнем засорённости до 98% всех сорняков, что соизмеримо с
традиционными способами борьбы. Однако при использовании
электропропольщиков на полях с плотностью произрастания сорняков более пяти
экземпляров на квадратный метр их эффективность уменьшается, возникает
необходимость в многократном повторении прополки, источник энергии часто
перегружается и выходит из строя. Существующие электропрополыцики имеют
мощность генераторов 40..Л20 кВт и многократное выполнение прополки
приводит к уплотнению почвы, к чрезмерным энергозатратам, определяющимся
расходом топлива, и к увеличению выброса выхлопных газов в атмосферу, к
износу техники, и росту отчислений на её восстановление и т.д. Дальнейшее
увеличение мощности существующих установок экономически не целесообразно
в связи с необходимостью приобретения и эксплуатации более мощных
тракторов. Внедрение систем автоматического управления процессом прополки с
целью экономии энергоресурсов невозможно в связи с недостаточной
изученностью электропроводных свойств растительной ткани сорняков и
техническими затруднениями при оценке жизнеспособности каждого из
1)7щбврёмённо" обрабатываемых растений.
Повышение эффективности существующих электропропольщиков возможно за счёт использования оптимальной формы рабочего напряжения, разработки приёмов уменьшения числа одновременно обрабатываемых сорняков без ущерба для производительности и использования систем автоматического контроля состояния растительной ткани. Отсутствие сведений о возможной эффективности использования таких приёмов в отдельности или комплексно явилось причиной теоретических и экспериментальных исследований, результаты которых изложены в этой работе.
Объект и предмет исследования. Объектом исследований являлась эффективность электрического уничтожения сорняков.
Предметом исследования было воздействие на сорные растения электрической энергией при разных формах рабочего напряжения от секционированного навесного электрода.
Вместе с этим непосредственно исследовались:
а) в лабораторных условиях — отдельные элементы (корень и стебель)
сорных растений; электродные системы для подведения энергии к сорнякам;
б) в полевых условиях - сорные растения и их повреждение
синусоидальным, постоянным и импульсным напряжением выше 1000 В.
Представленные в работе материалы многолетних исследований автора, выполнены индивидуально и совместно с другими исследователями по региональной программе: "Система ведения агропромышленного производства Волгоградской области" на 1996...2010 гг.
Методики исследования. Для достижения поставленной цели и решения
сформулированных задач использован подход, в котором растительная ткань
сорняков, электродная системы электропрополыцика, генераторное оборудование
и электрические преобразователи рассматривались как элементы одной системы.
На её вход поступает энергия от вала отбора мощности трактора (или от
источника неограниченной мощности), а на выходе регистрируется динамика
— электрической—проводимости -растительной- ткани.- По—результатам - анализа—
выходных данных делался вывод об эффективности электрической прополки. На
основе известных представлений о процессе изменения электрической
проводимости растительной ткани сначала выдвигалась гипотеза о характере её
динамических характеристик и тока нагрузки электропрополыцика для различных
конфигураций электродной системы и силовых схем. По результатам пробных
экспериментов эта гипотеза либо отвергалась, либо принималась альтернативная,
проводился поиск основных зависимостей экспериментальным путём с
использованием статистических методов анализа, разрабатывалась теория расчёта
ожидаемого вероятного результата электрической прополки, которая проверялась
экспериментально с численной оценкой уровня значимости.
В экспериментальных исследованиях распределения плотности произрастания сорняков на поверхности почвы использовались простейшие
7 средства для измерения расстояния и фотоаппаратура. С помощью
измерительных средств на фотоснимках фиксировались координаты размещения
сорняков на поверхности почвы относительно начала координат (для уменьшения
числа координатных преобразований, при использовании ЭВМ, в качестве этой
точки принимался верхний левый угол каждого рассматриваемого квадратного
метра поверхности почвы).
Поперечное сечение стебля, толщина эпидермиса и эквивалентный диаметр
сердцевины сорняков определялись с помощью системы технического зрения,
которая состояла из веб-камеры и программных средства для статистического
анализа изображений.
Исследование электропроводных свойств живой и повреждённой
растительной ткани сорняков, а также динамики её проводимости выполнялось с
помощью измерительных приборов (амперметры, вольтметры и осциллограф),
преобразователей (шунты и добавочные сопротивления), системы сбора данных
PCI-1711 и программного измерительного комплекса, реализованного на языке
C++.
Результаты экспериментальных исследований подвергались численному
анализу преимущественно с помощью математических систем Maple, MathCad и
—дополнительных программных средств, разработанных-автором.— - —
С помощью полученных экспериментальных зависимостей уточнялись
имеющиеся сведения об электропроводных свойствах сорняков и их реакции на
внешнее воздействие высоким напряжением различной формы.
Теоретические исследования заключались в разработке математических
моделей электропроводных свойств сорняков, аппроксимирующих полученные
экспериментальные данные и в использовании численных методов расчёта
переходных процессов в схеме замещения растительной ткани. На основании
сравнения полученных расчётных осциллограмм токов и напряжений с
экспериментальными делался вывод о достоверности математических моделей.
После моделирования переходных процессов в растительной ткани
сорняков определялись доза энергии, необходимая для гибели растительной ткани
сорняков и теоретическая эффективность электрической прополки, как отношение
8 числа погибших после прополки сорных растений к общему их числу за один
проход электропрополыцика.
Научная новизна работы состоит в следующем:
выявлены причины недостаточной эффективности используемых
электропрополыциков;
исследована динамика электрической проводимости сорных растений при обработке постоянным, синусоидальным, выпрямленным и импульсным напряжениями;
обоснованы дозы электрической энергии и время обработки растительной ткани сорняков при заданной напряженности поля до состояния патологического стресса сорняка;
разработана математическая модель электропроводных свойств растительной ткани сорняков: конопля сорная, марь городская, щирица запрокинутая, осот полевой;
исследован характер изменения параметров схемы замещения растительной ткани сорняков и их соотношение в процессе гибели;
предложены принципы и критерии оценки повреждения сорняков при электропрополке;
разработана математическая "модель" пространственного-расположения
надземной части сорняков в предэлектродной зоне;
- обоснована необходимость секционирования электродной системы
используемых электропрополыциков на полях с высокой засорённостью;
- выявлена необходимость использования системы контроля состояния
растительной ткани сорняков во время электрической прополки для
предотвращения перерасхода энергии и дизельного топлива;
представлена функциональная схема электропрополыцика с использованием разработанных приёмов повышения эффективности электрической прополки.
Практическую ценность работы составляют:
- методика расчёта числа секций электродной системы на один погонный
метр её ширины захвата;
- зависимости длительности обработки сорняков, достаточной для их
гибели, от напряжённости поля при различных формах напряжения;
- функциональная схема контроля состояния растительной ткани сорняков в
процессе электрической прополки.
Реализация результатов исследований. Результаты разработки приёмов повышения эффективности существующих электропрополыциков внедрены в учебный процесс по дисциплине "Электротехнология" в Азово-черноморской государственной агроинженерной академии и в Кубанском государственном агроинженерном университете.
Способ уничтожения сорняков и устройство, включающее систему контроля состояния растительной ткани, защищен патентом на изобретение.
Программный измерительный комплекс "Анализ двухполюсников", используемый для исследования электропроводных свойств растительной ткани сорняков, зарегистрирован в ОФАП и получил государственный регистрационный номер.
Работа по исследованию повреждения растительной ткани переменным током низкого напряжения получила первое место на VIII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области по направлению "Механизация, электрификация, мелиорация и управление с.-х. производством".
На защиту выносятся следующие основные положения работы:
Результаты исследования электропроводных свойств растительной ткани сорняков, динамики её электрической проводимости при внешнем воздействии высоким напряжением и уточненная методика расчёта параметров схемы замещения растительной ткани; экспериментальные данные о значении переходного сопротивления "рабочий электрод - стебель сорняка" при стационарной обработке и с перемещением электрода; математическая модель для его определения.
Результаты исследования плотности распределения сорняков по поверхности почвы и высоты их надземной части; модель пространственного расположения сорняка в предэлектродном пространстве; методика расчёта числа секций электродной системы пропольщиков.
3. Функциональная схема контроля состояния растительной ткани
сорняков в процессе электрической обработки и пример её реализации для
электроимпульсного электропрополыцика; функциональная схема
электропрополыцика, использующего разработанные приёмы повышения эффективности прополки.
Зависимости длительности обработки растительной ткани исследованных видов сорняков и необходимой дозы энергии от напряжённости электрического поля для надёжной гибели.
Технико-экономическое обоснование внедрения разработанных приёмов повышения эффективности электрического уничтожения сорняков на примере используемых электропропольщиков.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме работы доложены, обсуждены и одобрены на:
международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения заслуженного мелиоратора Р.Ф. д.с.н., профессора М.Н.Багровав2001 г.;
ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской государственной сельхозакадемии по итогам научно-исслёдоватёльскбиработьГв 2001т.:2003гг. —
региональной студенческой научно-технической конференции "Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники" в 2003 г.;
региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области 2001...2003 гг.
международной научно-практической конференции "Проблемы АПК", посвященной 60-летию Победы под Сталинградом в 2003 г.
международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию образования Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии в 2004 г.;
Научно-методическими основами настоящего исследования послужили труды отечественных и зарубежных учёных, выполнявших и выполняющих свои исследования в электротехнологии и в биофизике: Аксёнова СИ., Антонова В.Ф.,
Армянова Н.К., Арнольда А.Э., Артюхова В.Г., Баева В.И., Баздырева Г.И., Бана А.Г., Басова A.M., Беженарь Г.С., Березина И.В., Бородина И.Ф., Булычева А.А., Варфоломеева С.Д., Верещагина А.И., Веселовой Т.В., Владимирова Ю.А., Волобуева А.Н., Волькенштейна М.В., Воробьёва В.А., Вяземского Т.И., Гулидова A.M., Давыдова А.С., Дипрозе М.Ф., Дудкина И.В., Живописцева Е.Н., Иваницкого Г.Р., Изакова Ф.Я., Исмаилова М.И., Казимира А.П., Кентон Р., Кларксона Д., Климова А.А., Коваленко Н.И., Кожевникова Н.Н., Кол К.С, Колье О.Р., Кудряшова Ю.Б., Кучеренко Г.С., Лотовой Л.И., Лунева М.И., Ляпина В.Г., Медведева С.С, Мелыценко С.Н., Мешкова А.А., Москаленко Р.А., Мухаммадиева А., Недялкова Н.А., Полова И.И., Попова В.М., Ревина В.В., Рубина А.Б., Рысс А.А., Савчука В.Н., Селье Г., Синюхина A.M., Слесарева В.Н., Спирина А.А., Стативкина Е.В., Сысенкова И.М., Тарусова Б.Н., Татура Т.А., Тверитина А.В., Трофимовой, Н.Б., Усаковского В.М., Фахрутдинова, Э.Н., Шогенова Ю.Х., Юдаева И.В. и др.
Место выполнения. Работа выполнена в Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии. Лабораторные экспериментальные исследования проведены на кафедре "Электротехнология в сельском хозяйстве". Полевые исследования были выполнены на экспериментальных полях НИИ "Орошаемого земледелия", на-южной окраине города Волгограда и-на севере-Волгоградской области - в Нехаевском районе.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 публикациях (в том числе - одна в журнале, рекомендованном ВАК), в одном патенте и в одном свидетельстве об отраслевой регистрации разработки.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Она изложена на 169 страницах основного текста, включает 66 рисунков, 8 таблиц, список использованной литературы из 162. наименований и 6 приложений.
Существующие способы борьбы с сорными растениями
Эффективность борьбы с сорняками зависит от их видового состава, биологических особенностей и засорённости поверхности почвы. В соответствии с тем, что разные сорняки наиболее чувствительны к разным видам угнетающего воздействия, для обоснования необходимого способа борьбы их разделяют по отдельным типам засорённости: - малолетний, когда преобладают однолетние и двулетние сорняки; - корнеотпрысковый, когда преобладают многолетние сорняки - бодяк полевой, вьюнок полевой, горчак ползучий и др.; - корневищный, когда преобладают многолетние сорняки - гумай, кострец, пырей ползучий и др. - смешанный - сочетание первых трёх типов.
Ко всем этим типам засорённости применяются истребительные меры. В первую очередь это механическая обработка, применение гербицидов и биологических средств [10, 29, 53, 62,103,105,123,152].
В зависимости от типа засорённости принимают различные способы борьбы, общий обзор которых приведён в приложении А.
В настоящее время наиболее широко распространённым являются механический и химический способы борьбы. Несмотря на сложность технологии по применению химического способа и высокую стоимость, он используется практически во всех аграрных хозяйствах из-за своей эффективности. Часто этот метод используется совместно с механической обработкой почвы (при перемешивании поверхностного слоя с гербицидами).
Степень эффективности использования гербицидов зависит от организации технологического процесса и правильного использования препаратов [10,152]. -Применение-почвенно-корневых-и почвенно-ростковых-гербицидов-требует-особо— тщательное перемешивание их с почвой, что усложняет технологию обработки и увеличивает трудозатраты. Применение любых видов химикатов требует знания морфологических и анатомических особенностей растений в зависимости от фазы их развития. Так, например, проницаемость кожицы многих растений уменьшается с их возрастом, что обуславливает применение гербицидов для их уничтожения в ранней фазе вегетации. Следует также учитывать специфические свойства растений, связанные со способностью противостоять многим видам препаратов. Эти свойства обуславливаются строением растений и их постепенным эволюционным развитием. Так, например, на волосках опушения стеблей и листьев капли химикатов повисают, что препятствует их проникновению в ткани, а использование одних и тех же гербицидов для районов с определённым видовым составом сорняков увеличивает резистивность последних. Следует отметить, что "привыкание" сорняков к одному виду ядохимикатов может вызвать такое же "привыкание" и к другим ядам - это явление определяет кросрезистивность сорняков [123]. Механические способы борьбы с сорной растительностью основаны на разрушении надземной и корневой частей растений. Принцип борьбы по удалению сорняков так же, как и химический, зависят от существующего типа засорённости. Следует отметить сложность борьбы механическим способом с корнеотпрысковыми группами сорняков. Это связано с тем, что многолетние корнеотпрысковые сорняки обладают свойством восстановления. После раздробления корневой системы возможно появление всходов из отдельных фрагментов корней, на которых имеются почки. В связи с этим механическая борьба с такими сорняками, как горчак, бодяк щетинистый, молокан и др. малоэффективна. Кроме химического и механического уничтожения нежелательной растительности имеется множество других способов борьбы, которые используются реже, например, такие, как выжигание, затапливание, вымораживание, подавление травостоем, воздействие электрической энергией и т.д. Каждый-из-этих-методов обладает-своими достоинствами-и-недостатками. Так, например, глубокая вспашка позволяет запахать семена сорняков на такую глубину, с которой они не прорастают, и в то же время осуществляет переворот верхнего полезного слоя почвы, что способствует увеличению интенсивности испарения содержащейся в ней влаги. Такие крайние меры, как вымораживание и затопление эффективны для истребления карантинных корнеотпрысковых сорняков, но после их применения на месте обработки в течение нескольких лет возделывание сельскохозяйственных культур практически невозможно. Интенсивное использование агротехники приводит к уплотнению почвы, а, следовательно - к снижению урожая. Использование ядохимикатов не проходит безболезненно для другой растительности, почвы, грунтовых вод и водоёмов, что наносит серьёзный ущерб не только флоре и фауне, но и человеку. Использование электрической энергии для уничтожения сорняков является более экологически чистым методом [26,119,160], но в то же время он ещё мало исследован и поэтому, с точки зрения удельных энергетических затрат и технологических условий, для него пока не выработано единых рекомендаций по применению.
Таки образом, многие традиционные способы борьбы [29,30] с сорняками обладают рядом недостатков: - механический способ борьбы: его невозможно применять для прополки сорняков в рядах с.х. культур; многократное использование операций лущения и вспашки — уплотняют почву, что снижает урожайность; нарушение целостности верхнего слоя почвы приводит к потере влаги; в связи с высоким тяговым сопротивлением с.х. орудий расход дизельного топлива для этого способа самый большой [63], а производительность - самая низкая. - химический способ борьбы: сложность и дороговизна применения; способствует развитию резистивности сорняков ко многим ядам; загрязнение грунтовых вод и почвы [85]; негативное воздействие на местную флору и фауну; большой удельный расход топлива при авиационном опрыскивании; повышенная доза гербицидов в с.х. продукции [52]. Способ уничтожения сорняков с помощью электрической энергии не имеет большинства перечисленных недостатков, т.к. единственный экологический ущерб от его— применения " - это "загрязнение— почвы—горюче-смазочными материалами и её уплотнение при прохождении с.х. техники. Но объём этого загрязнения не превышает объёма от использования механического способа. Использование навесной системы электродов, позволяет избавиться от дополнительного тягового сопротивления со стороны с.х. машины, что определяет экономию топлива и использование менее мощных, а значит - более лёгких тракторов. Этот способ борьбы не вызывает привыкания растительной ткани к действию электрической энергии, а следовательно - не стимулирует резистивность сорняков.
Реакция растительной ткани на ступенчатое электрическое воздействие
Реакция объекта на типовое ступенчатое воздействие называется переходной характеристикой. Для экспериментального получения такой характеристики растительной ткани достаточно снять осциллограмму тока, протекающего через неё при подведении постоянного напряжения. Для того, чтобы исключить возможное повреждение растительной ткани от протекающего по ней измерительного тока и нелинейное изменение её сопротивления, подводимое напряжение должно быть как можно меньше [26,160,136,119, 32] (см.прил. В.1). По результатам исследований [26,160,136,119] все снятые характеристики имеют вид, близкий к экспоненциальной зависимости.
Нормированные переходные характеристики для разных образцов растительной ткани конопли сорной Исходя из волокнистого строения растительной ткани, было сделано предположение, что суммарный ток, протекающий вдоль стебля растения в соответствии с первым законом Кирхгофа равен сумме токов, протекающих по отдельным параллельным волокнам, как проводникам, от места контакта с электродом до самой поверхности почвы (если второй электрод заземлён). В связи с численным различием электрической проводимости отдельных волокон ткани, результирующая зависимость тока от времени при ступенчатом электрическом воздействии может быть аппроксимирована выражением.
Практическое использование выражения (2.2) затруднительно из-за сложности исследования отдельных волокон растительной ткани даже в лабораторных условиях. На основании проведённых расчётов среднеквадратического отклонения аппроксимации (2.3) от результатов измерений, был сделан вывод о том, что переходная характеристика растительной ткани с достаточно большой доверительной вероятностью (р 0,997) соответствует экспоненциальному закону изменения [26,160,119], и может описываться выражением (2.3).
Полученная переходная характеристика растительной ткани является основой для расчёта любых её характеристик - как временных, так и частотных. По изменению этих характеристик можно судить о текущем состоянии сорняка. Определить и проанализировать все эти характеристики можно с помощью дифференциального уравнения, описывающего зависимость закона изменения тока протекающего через сорняк во времени, от приложенного напряжения. В связи с тем, что форма воздействующего напряжения может быть произвольной, то для определения вида искомых характеристик можно воспользоваться общей методикой на основе представления искомого дифференциального уравнения в виде отношения зависимой переменной (тока) к независимой (приложенного напряжения) в операторной форме. Такое отношение при нулевых начальных условиях принято называть передаточной функцией: где W{p) - передаточная функция; 1(р) изображение тока в операторной форме, протекающего через ткань. /(/ ) изображение напряжения, приложенного от внешнего источника; У(р) изображение электрической проводимости растительной ткани. Вывод передаточной функции растительной ткани по каналу рабочее напряжение - сила тока и анализ полученных с её помощью частотных характеристик представлены в приложениях В.2-В.З. В соответствии с представленным в этих приложениях материалом электрическая проводимость растительной ткани в операторной форме имеет вид.
На основе имеющихся представлений и экспериментально полученных результатов можно сделать вывод о том, что в целом растительная ткань является активно-емкостным двухполюсником со сложной частотной характеристикой, динамически изменяющая своё полное сопротивление в течение всего времени жизни. В биофизике существует множество схем замещения растительной ткани в виде последовательного, параллельного и смешанного соединения активных сопротивлений и емкостей [26,160,136,119,112,42]. Конфигурация этих схем зависит от вида моделируемой характеристики и должна соответствовать физической сущности объекта. Из полученной в приложении В.З формулы электрической проводимости растительной ткани (2.5) можно получить её любые временные и частотные характеристики. Поэтому для более детального анализа влияния электрической энергии на состояние растительной ткани необходимо использовать схему замещения, входная проводимость которой в операторной форме будет описываться зависимостью, аналогичной (2.5).
Общие требования, предъявляемые к электродной системе электропропольщиков
Эффективность применения электрической энергии для уничтожения сорной и нежелательной растительности во многом зависит от параметров импульсного напряжения, таких как амплитуда, крутизна фронта, и частота. Кроме того, следует учесть, что органом передачи электрической энергии от источника питания к обрабатываемым сорнякам является электродная система. В зависимости от конструкции рабочих электродов и способа подведения электрической энергии можно достичь различных результатов электрической прополки - от хорошего до очень плохого [1]. При обосновании конструкции электродов и способа подведения энергии необходимо стремиться обеспечивать выполнение следующие требований: 1. Для обеспечения условий безопасного проведения работ необходимо исключить возможность случайного и тем более умышленного соприкосновения оператора с высоковольтной частью установки; 2. Обеспечить простоту технического обслуживания и ремонта; 3. Переходное сопротивление между электродом и обрабатываемым растением должно быть как можно меньшим; потери напряжения должны быть минимальными при передаче электрической энергии от её источника к растениям; 4. Желательно предусмотреть возможность регулировки времени контакта рабочего электрода с каждым сорняком; 5. Предусмотреть в конструкции электродной системы возможность предотвращения её забивания растительностью; 6. Для повышения эффективности обработки обеспечить минимальное количество одновременно контактирующих растений с одним электродом; К сожалению при изготовлении электродной системы невозможно удовлетворить всем перечисленным требованиям. Поэтому возникает вопрос о поиске такого компромиссного решения, на основе которого можно было бы изготовить наиболее безопасную и эффективную электродную систему. Исходя из особенностей внешнего строения растений, к ним можно подводить электрическую энергию четырьмя различными способами [20].
Сравнительный анализ каждого из возможных способов подведения электрической энергии показал, что протекание тока одновременно через стебель растения и его корневую систему возможен лишь в первых двух вариантах. А для остальных, ток через стеблевую (рис.3.1.в) либо через корневую (рис.3.1.г) части растения вообще не протекает. Причём вследствие стекания тока с корневой системы, глубина его проникновения не слишком велика и по данным различных исследователей в зависимости от удельного сопротивления почвы составляет 15...30 см [160,112,55]. Так например после внесения в почву минеральных удобрений, удельное сопротивление почвы уменьшается в следствие увеличения содержания минеральных солей и глубина проникновения тока может уменьшится. Такой же эффект наблюдается при увлажнении почвы. Очевидно, что чем меньше удельное сопротивление почвы, тем меньше глубина проникновения электрического тока в корневую систему растения, и следовательно - тем хуже результат обработки. Этот недостаток является общим для всех видов подведения электрической энергии.
Для второго способа (рис.3.1.6) ток проводимости протекает через два растения одновременно. При этом из-за практически двойного увеличения длины и объёма обрабатываемого материала необходимо увеличивать амплитуду рабочего напряжения, что усложняет и удорожает установку, осложняет обеспечение безопасной работы оператора и увеличивает вероятность появления потерь энергии на коронирование рабочих электродов. Кроме того, для условия возникновения тока проводимости в замкнутой цепи необходимо, чтобы с фазным и нулевым электродами—одновременно—контактировал и хотя бы — по — одному —сорняку г Вследствие случайного распределения плотности произрастания сорняков и при малых засорённостях (до 15 сорняков на квадратный метр) это условие выполняется с вероятностью менее 0,68 и эффективность обработки в этом случае будет неудовлетворительной.
Третий вариант подведения электрической энергии заключается в том, что при заглублённых в почву электродах через стеблевую часть растений ток вообще не протекает. Основной целью поражения здесь является корневая система сорняков [145]. С одной стороны это могло бы позволить добиться некоторой экономии электрической энергии, но вследствие отражения электромагнитной волны на разделе двух сред почва-корень и более высокого значения удельного сопротивления растительной ткани получается, что большая часть электрической энергии уходит на нагрев почвы в межэлектродном пространстве. Кроме того, при таком способе подведения электрической энергии источник высокого напряжения работает в режиме замыкания на землю. Четвёртый вариант подведения электрической энергии предусматривает обработку только стеблевой части. При использовании двухуровневой системы напряжений [3] такая система электродов является очень эффективной в сочетании с общим заземляющим электродом, т.к. обладает избирательностью - более высокие сорняки обрабатываются верхним электродом с большим напряжением, а низкорослые - нижним с меньшим напряжением,.но схема,источника питания при этом усложняется. И основное, при уничтожении надземной части, корни сорняков; остаются неповреждёнными, более того — растительнаяіткань сорняков переходит в особое состояние физиологического стресса, в котором усиливается метаболизм растений [46] (это провоцирует прорастание новых отростков у корнеотпрысковых сорняков).
Таким образом, из сказанного следует, что наименьшим числом недостатков среди рассмотренных способов подведения электрической энергии является первый вариант с одним рабочим и заземляющим электродом- [113]. Основными недостатками этого способа являются: небольшая; глубина проникновения тока в корневую систему сорняков и возникновение -дополнительного— сопротивления" -перемещению—установки при—заглублении заземляющего электрода, и, следовательно; дополнительных расходов энергии.
Методика исследований биометрических показателей сорняков
Целью изучения биометрии сорняков являлось установление основных закономерностей, позволяющих получить недостающие данные для расчёта численных показателей предстоящей электрической прополки без выполнения дополнительных исследований и измерений. К таким показателям относятся: высота надземной части сорняков, площадь поперечного сечения сердцевины, эквивалентная площадь поперечного сечения внешнего огрубевшего слоя растительной ткани (корки), распределение сорняков по поверхности почвы, их пространственное расположение в предэлектродной зоне, плотность распределения высоты надземной части. Зная все перечисленные параметры можно выполнить расчёт конструктивных показателей электродной системы, при которых вероятность обработки всех сорняков на пути электропрополыцика и его эффективность будут наибольшими.
Вследствие того, что поперечное сечение стебля в большинстве случаев имеет сложную форму, а толщина наружного слоя растительной ткани является не постоянной, для определения поперечного сечения стебля и корня использовалась простейшая система технического зрения, состоящая из цифровой камеры (воспринимающая часть цифрового микроскопа со снятым окуляром), компьютера и соответствующего программного обеспечения. Принцип распознавания сердцевины и внешнего огрубевшего слоя растительной ткани основан на распознавании цветовых оттенков, каждый из которых имеет уникальный 24-разрядный код.
Дополнительная цифровая обработка исходного фотоснимка поперечного сечения осуществлялась с помощью программ статистической обработки изображений. Расчёт отношений сечений по подготовленным контрастным моделям производился по формулам 4.1, а фактические значения в именованных единицах определялись с помощью масштабных коэффициентов, определяемых по мерным миллиметровым делениям (см.рис. 4.2).
Для некоторых растений, имеющих в основном круглое поперечное сечение стебля и корня, определялись диаметры сердцевины и самого стебля с помощью той же самой системы технического зрения при использовании алгоритма распознавания образов. Сам алгоритм реализован программным путём с помощью инструментов математической системы MathCad 13. Используемый алгоритм распознавания основан на предварительной цифровой фильтрации исходного изображения и обладает различной чувствительностью в зависимости от ширины полосы пропускания кодов базовых цветов. Схема алгоритма представлена в приложении Е. 1. Путём перебора множества сочетаний левой и правой границ полосы пропускания используемого цифрового фильтра удалось визуально определить, что при установке левой границы фильтруемых кодов меньше десяти (тёмный оттенок зелёного, красного и синего цветов, практически не отличаемый от чёрного цвета) в отфильтрованном изображении появляются помехи в виде тёмных пигментов, из-за загрязнённости поверхности стебля и наличия мелких волосков. Это является причиной завышенного значения поперечного сечения стебля по сравнению с фактическим. Установка нижней границы фильтра более 10 приводит к потере информации о цвете (исчезают наиболее тёмные оттенки), что является причиной уменьшения величины расчётного диаметра.
Изменение правой границы цифрового фильтра в меньшую сторону также приводит к потере информации о цвете за счёт исчезновения наиболее ярких пигментов. На рисунке 4.3 представлено сравнение цифровой фильтрации исходного изображения сечения стебля при различной ширине полосы пропускания. scan(R,l,254),scan(G, 1,234),scan(B,l,2:54) sc m(R, 100,200) ,scsn(G,100,200) ,scan(B,100,200) Рисунок 4.3 - Снимок поперечного среза стебля щирицы запрокинутой с различной шириной полосы пропускания цифрового фильтра: а) фильтрация пигментов с кодом 1...254; б) фильтрация пигментов с кодом 100...200.
Из представленного рисунка видно, что при увеличении ширины полосы пропускания цифрового фильтра, в расчёт количества точек изображения, принадлежащего сечению стебля, входят точки тёмных пигментов, которые находятся за пределами самого сечения. При уменьшении полосы пропускания (см.рис.4.3 - образец справа) происходит потеря части информации о цвете, т.к. в расчёте не учитываются наиболее тёмные и наиболее светлые пигменты составляющих цветов. Поэтому уменьшение ширины полосы пропускания цифрового фильтра приводит к заниженной оценке фактического сечения, а её увеличение - к завышенной. Следует также отметить, что точность определения эквивалентного диаметра стебля зависит не только от полосы пропускания фильтра, но и от составляющей цвета, по которой выполняется фильтрация (красный, зелёный или синий).
Из представленного рисунка видно, что при установке нижней границы полосы пропускания цифрового фильтра в интервале 8...32 результат измерений будет однозначным при измерении по любой составляющей цвета. При установке границы полосы пропускания левее указанного диапазона значение эквивалентного диаметра будет завышенным, а правее - сильно заниженным. Из рис.4.5 видно, что при уменьшении верхней границы на одну единицу с 255 до 254 результат измерений уменьшается на 0,5 мм при максимальном линейном размере образца 3,5 мм. Такая высокая чувствительность вызвана наличием на поверхности исследуемого сечения бликовых пятен и ярко-освещённых пигментов, которые при снижении верхней границы полосы пропускания фильтра уже не участвуют в расчёте эквивалентного диаметра.
Для изучения электропроводных свойств растительной ткани, выявления параметров электрического напряжения, и доз электрической энергии, оказывающих наибольшее влияние на её состояние, проводились экспериментальные исследования, при которых на разные виды сорняков подавались различные электрические воздействия. По принятой схеме исследований (см.рис.4.1) были проведены эксперименты по изучению электрического воздействия на такие сорные растения, как щирица запрокинутая, конопля сорная, осот полевой и марь городская.
