Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 13
1.1.Посевные качества семян и урожайность растений 13
1.2.Существующие традиционные способы предпосевной обработки семян 18
1.3. Обработка семян различными физическими факторами, как экологически чистые средства борьбы болезнями и повышения посевных качеств 24
1 АМногослойная зерновая смесь в электростатическом поле 27
1.5. Зарядка зерна в электростатическом поле и распределение
его по поверхности 30
Выводы и задачи научных исследований 35
2. Обоснование процесса обработки семян при многослойном их размещении в электростатическом поле 37
2.1 .Модель зернового слоя в межэлектродном пространстве
электростатического поля 37
2.2. Нарушение электрической прочности воздуха вокруг сориентрированной частицы и расчет тока положительной короны 42
2.3.Электрическое поле в зерновом слое 51
2.4.Вольт-амперная характеристика межэлектродного пространства при наличии в нем зернового слоя 53
Выводы 58
3. Методики проведения экспериментальных исследований 60
3.1.Общие вопросы методики исследований 60
3.2.Определение объема единичных семян 61
3.3. Определение некоторых физических свойства зерновых частиц 62
3.3.1. Геометрические размеры зерновых частиц 62
3.3.2.Относительная диэлектрическая проницаемость семян 64
3.3.3.Радиусы закругления разновытянутых зерновых частиц 66
3.4.Определение вольт-амперной характеристики положительного коронного разряда электродной системы «игла-плоскость» 67
3.5.Определения вольт-амперной характеристики межэлектродного пространства, частично заполненного зерновой
массой 69
З.б.Определение концентрации отрицательных ионов 71
3.7. Определение посевных качеств семян и заболеваемости их проростков 72
3.8.0пределение оптимальных параметров электрообработки 75
Выводы 76
4. Результаты экспериментальных исследований 77
4.1.Определение объема единичных семян 77
4.2.Радиус закругления разновытянутых зерновых частиц 78
4.3. Вольт-амперная характеристика коронного разряда системы электродов «игла-плоскость» 79
4.4.Вольт-амперная характеристика электростатического биостимулятора семян 86
4.5.Концентрация отрицательных ионов при положительном
коронном разряде системы электродов «игла-плоскость» 89
4.6. Результаты лабораторных исследований обработки семян ячменя «Торос» потоком ионов в электростатическом поле 92
4.7. Результаты полевого опыта по выявлению влияния электростатического поля на посевные качества и урожайность 98
4.8. Номограмма для определения технологических параметров
обработки семян в электростатическом поле 101
Выводы 104
5. Экономическая эффективность обработки семян в электростатическом поле 106
Заключение 113
Литература
- Обработка семян различными физическими факторами, как экологически чистые средства борьбы болезнями и повышения посевных качеств
- Нарушение электрической прочности воздуха вокруг сориентрированной частицы и расчет тока положительной короны
- Геометрические размеры зерновых частиц
- Вольт-амперная характеристика коронного разряда системы электродов «игла-плоскость»
Введение к работе
Увеличение количества и качества продукции растениеводства является главной задачей в развитии сельскохозяйственного комплекса. Центральным звеном в решении этой проблемы является семеноводство. Семена, носители биологических свойств, в решающей степени определяют качество и количество получаемого урожая. Ученые и специалисты сельского хозяйства постоянно совершенствуют и разрабатывают новые агроприемы и технические средства для предпосевной стимуляции семян с целью улучшения их посевных качеств.
Прорастание семян - один из наиболее важных и сложных процессов, влияющих на прохождение всех последующих этапов развития организмов при вегетации растений. Оно характеризуется интенсивным обменом, запасенные питательные вещества претерпевают значительные изменения, превращаясь в жизненно необходимые для организма соединения, которые обеспечивают нормальный рост и развитие зародыша. В продуктивности растений важную роль играют процессы, протекающие в начале развития, обуславливающие подготовку и переход к генеративному периоду.
Естественные условия не всегда благоприятны для нормального развития зародыша, особенно в начальный период, поэтому невольно большое количество семян, жизнеспособных, но не обладающих жизненной активностью, приходится просто (впустую) выбрасывать в землю. Поэтому необходимо готовить посевной материал, чтобы все жизнеспособные семена всходили и давали урожай. В связи с этим в сельскохозяйственной практике применяют комплекс мероприятий, направленных на повышение продуктивности растений. Особенно необходимы такие средства воздействия, которые могут активизировать прорастание семян и усиливать жизнедеятельность зародыша на начальном этапе. При благоприятных условиях начинается интенсивный рост и развитие зародыша.
Посевные качества и урожайность зерновых в значительной степени зависят и от успешной защиты семян от болезней. В Удмуртской Республике широкое распространение получили корневые гнили. В отдельных хозяйствах зараженность ими посевного материала достигает 60%, что приводит к увеличению некондиционных по всхожести семян.
Многолетние теоретические и экспериментальные исследования, опытная проверка Госсортсети в различных регионах России и странах СНГ, показали, что зародыш можно вывести из состояния биологического покоя, воздействуя на семена перед посевом различными по своей природе факторами.
Известно много химических, физических и биологических методов предпосевной обработки семян в целях повышения их посевных качеств и продуктивности будущих растений.
Одним из эффективных способов повышения качества посевного материала является воздействие на семена физическими факторами. Для этого в сельскохозяйственной практике используют разнообразные приемы предпосевной обработки семян - обогрев, воздействие токами промышленной и высокой частоты, обработка электрическими и магнитными полями, облучение ультрафиолетовыми и инфракрасными лучами и т.п.
Основным показателем качества семян является всхожесть. У кондиционных семян зерновых культур она составляет 60-70% от лабораторной. Следовательно, большую экономическую пользу может принести предпосевная подготовка семян с целью стимулирования всхожести и повышения урожайности. Однако надо отметить, что стимуляция жизненных процессов посредством предпосевного воздействия на семена различными факторами до настоящего времени теоретически недостаточно обосновано.
Еще в начале прошлого века были начаты исследования по выявлению эффективности различных энергетических воздействий на рост растений.
Исследованиями ведущих ученых страны Артемьева Н.А., Евреинова М.Г., Азина Л.А., Басова А.М., Изакова Ф.Я., Шмигеля В.Н., Бородина И.Ф., Тарушкина В.И., Батыгина Н.Ф., Яснова Г.А., Блонской А.П. , и других
доказано положительное влияние электрического поля на посевные и урожайные качества семян зерновых культур. Исследования по интенсификации жизнедеятельности растений с помощью электрических полей, проведенные в Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (ЧГАУ), показали, что предпосевная обработка семян может стать существенным фактором повышения урожайности растений. Обработку семян проводили электрическим полем постоянного тока (коронного разряда и электростатическим), а также электрическим полем промышленной и высокой частоты.
За последние пятьдесят лет количество разработанных агроприемов и устройств резко увеличилось. Среди современных методов предпосевной обработки семян особое место необходимо уделить тем, которые способствуют увеличению продуктивности растений, обладают лучшими технологическими и техническими аспектами использования фактора воздействия в современном сельскохозяйственном производстве.
Как указывают исследования, проведенные Азиным Л.А., Басовым А.М., Изаковым Ф.Я., Шмигелем В.Н. и др., среди всех изученных физических факторов, влияющих на семена ячменя, наиболее стабильный положительный эффект оказывает действие электрического поля постоянного тока высокого напряжения. Обработка семян в электрическом поле приводит к ускорению роста и развития растений и повышению их продуктивности. Усиление процессов жизнедеятельности связано с ускорением биохимических процессов обмена веществ.
При обработке семян происходит наложение электрического поля на живую клетку, обладающую биопотенциалом, и ведет к его изменению. Клеточные мембраны, управляющие многочисленными функциями клетки, несут заряд. Изменение биопотенциала клетки приводит к возбуждению, которое всегда способствует усилению обмена веществ.
Электрическое поле способствует сближению молекул азота и зерна благодаря силам притяжения, которые способствуют тесному
соприкосновению двух молекул и переносу электрона с орбиты одной молекулы на другую, что вызывает возбуждение клетки. Возбуждение клетки всегда приводит к усилению биохимических превращений, ферментативной деятельности и к повышению обмена веществ.
При действии электрического поля постоянного тока семена поглощают воды больше и набухают, причем этот процесс протекает более интенсивно, чем у необработанных семян. Более интенсивное превращение запасенных питательных веществ сохраняется не только в начале прорастания, но и в последующие дни. В течение всего срока прорастания в семенах содержится больше моносахаров, чем у необработанных. Это способствует более интенсивному прохождению синтетических процессов, связанных с ростом клеток, синтезом белка, построением клеточных стенок.
Применение электрического поля высокого напряжения в значительной степени помогает защищать семена от болезнетворных микроорганизмов почти без ядохимикатов. Это значительно улучшает санитарные условия работы по защите семян от болезней, снижает концентрацию ядохимикатов в почве, что, в конечном счете, приводит к улучшению качества продукции растениеводства и улучшению экологии.
Проведенные В.Ф. Фирсовым исследования показывают, что при обработке посевного материала в поле коронного разряда в оптимальных режимах метаболическая активность возбудителей заболеваний возросла на 10-15%, однако устойчивость растений к токсинам гриба повысилась в 3-4 раза. Рост мицелия возбудителя в первые 2-3 дня усиливался, но затем он ослабевал и к моменту появления ростков патоген утрачивал способность проникать в проростки.
Большое распространение получила электрообрабатывающая машина транспортерного типа с электрическим полем коронного разряда, разработанная в ЧИМЭСХ. Она может быть вмонтирована в зерноочистительный агрегат, сортирует и оказывает стимулирующее действие
на семена. Однако сдерживающим фактором ее широкого распространения является низкая производительность машины, которая не превышает 5 т/ч.
Применение электростатического поля позволяет существенно повысить производительность машин для предпосевной обработки семян, оказывая при этом положительное влияние на рост и развитие растений.
В этой связи исследование и выявление эффективных режимов предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур в электростатическом поле и разработка высокопроизводительной технологической установки является актуальной проблемой.
Для достижения поставленной проблемы необходимо решить следующие задачи:
разработать модель ионизации воздушного промежутка межэлектродного пространства электростатического поля, частично заполненного слоем воздушно-зерновой смеси и дать ее основные положения;
экспериментально определить возможность повышения посевных качеств семян зерновых культур в электростатическом поле;
разработать экспериментально-производственную установку для предпосевной электростимуляции семян;
провести лабораторные и производственные испытания на основе которых можно оптимизировать режимно-конструкторские параметры установки.
При решении перечисленных задач были применены следующие методы исследований:
использование некоторых элементов теории электромагнитного поля;
основы математического и физического моделирования с использованием измерительной и вычислительной техники;
основы теории активного планирования эксперимента;
методы статистической обработки экспериментальных данных;
методы определения показателей качества семян.
Исследование процессов, протекающих в межэлектродном пространстве, выявило, что вследствие высокой напряженности электростатического поля в воздушном промежутке зерновые частицы, находящиеся на верху зерновой массы, ориентируются длинной осью вдоль силовых линий электростатического поля. Сориентированные разновытянутые частицы можно представить как систему игольчатых электродов. Поскольку зерновая масса располагается на заземленном электроде, а к верхнему электроду подведен отрицательный потенциал, то в этом случае между вершинами сориентированных зерновых частиц и потенциальным электродом создаются условия для возникновения положительного коронного разряда.
В этой связи для исследования положительного коронного разряда системы электродов игла-плоскость необходимо:
получить аналитическое выражение для расчета вольт-амперной характеристики;
определить характер и величину тока, протекающего в межэлектродном пространстве электростатического поля, при многослойном размещении семян и влияние на него высоты зернового слоя, влажности и количества сориентированных зерновых частиц.
При свободной засыпке в технологический промежуток электростатического поля зерновая масса представляет собой воздушно-зерновую смесь, которая имеет между отдельными зерновыми частицами воздушные включения. Анализ распределения напряженности поля в зерновом слое показывает, что в отдельных воздушных включениях напряженность поля достаточна для возникновения ионизационных процессов.
Исследования влияния электростатического поля на посевные качества и урожайность растений показали, что предпосевная обработка семян зависит от ряда факторов, поэтому необходимо:
- определить их влияние и выявить значимые факторы, влияющие на
результативный признак;
исследовать влияние электростатического поля на посевные качества семян и урожайность растений;
на основании лабораторного и полевого исследования установить зависимость между действующими факторами и результативным признаком, выражающимся уравнением регрессии.
На основании проведенных исследований разработана физическая модель обработки семян при многослойном их размещении в электростатическом поле и разработано высокопроизводительное устройство для подготовки семян к посеву.
Научную ценность представляют:
разработанная физическая модель процесса высокопроизводительной обработки семян в электростатическом поле;
аналитические зависимости тока и начального напряжения положительного униполярного коронного разряда, возникающего в воздушном промежутке электростатического поля между вершинами сориентированных зерновых частиц и отрицательным потенциальным электродом;
математическая модель процесса обработки многослойной воздушно-зерновой смеси в электростатическом поле, устанавливающая связь основных технологических параметров устройства с зараженностью, всхожестью семян и урожайностью растений.
Практическая ценность работы заключается в:
разработке способа для подготовки семян зерновых культур к посеву;
методике расчета тока и начального напряжения положительной униполярной короны системы электродов «игла-плоскость»;
методике определения технологических параметров обработки семян в электростатическом поле:
снижении зараженности посевного материала, ведущего к снижению норм применения ядохимикатов:
повышении урожайности ячменя.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается применением математического анализа и современных методик выполнения измерений и приборов.
Достоверность теоретических положений работы подтверждена экспериментальной проверкой в лабораторных и производственных условиях, а также результатами исследований, проведенных в Удмуртской Республиканской станции защиты растений.
Материалы исследований явились основой разработки высокопроизводительных устройств для предпосевной обработки семян зерновых культур в электростатическом поле, используемых в ряде хозяйств Удмуртской Республике.
Основные положения диссертационной работы подтверждены экспериментальными исследованиями в лабораторных и полевых условиях.
Разработанное технологическое устройство внедрено в хозяйства Удмуртской Республики.
По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ.
Обработка семян различными физическими факторами, как экологически чистые средства борьбы болезнями и повышения посевных качеств
Применение с целью обеззараживания семян ядохимикатов наносит большой вред окружающей среде. При внесении в почву обработанных фунгицидами семян ядохимикаты под воздействием ветра и дождей выносятся в водоемы, разносятся на обширные пространства, что загрязняет окружающую среду и наносит вред природе.
Поэтому наиболее перспективным представляется использование различных физических факторов для борьбы с болезнями и повышения посевных качеств семян. Сейчас известно много способов предпосевной обработки семян, повышающих посевные качества семян (воздушно-тепловой обогрев, облучение инфракрасными и гамма лучами, обработка лазером и ультразвуком, высокочастотный нагрев, применение электрических и магнитных полей и др.) [1, 3,4,10, 30, 88].
Воздушно-тепловой обогрев семян перед посевом значительно повышает их всхожесть и энергию прорастания, однако, он очень трудоемкий.
Наиболее простой из физических способов это облучение инфракрасными лучами. Однако малая глубина их проникновения затрудняет применение этого метода.
Предпосевное облучение семян рентгеновскими лучами также улучшает их посевные качества и повышает урожайность. Однако результаты такой обработки зависят от жесткости рентгеновских лучей, дозы облучения, влажности зерна и его физиологической зрелости. Поэтому этот метод имеет ограниченный круг использования.
Применение средств электронно-ионной технологии позволяет повысить посевные качества семян и в значительной степени помогает защищать их от болезнетворных микроорганизмов. Многочисленные исследования указывают, что среди всех изученных физических факторов, влияющих на семена ячменя, наиболее стабильный положительный эффект оказывает действие электрического поля постоянного тока (коронного разряда и электростатическим).
Обработка семян в электрическом поле приводит к ускорению роста и развития растений и повышению их продуктивности. Усиление процессов жизнедеятельности связано с ускорением биохимических процессов обмена веществ [1,10,11,26,46,47,61,68, 76, 82, 89,94,96].
При действии электрического поля постоянного тока семена набухают и поглощают воды больше, причем этот процесс протекает более интенсивно, чем у необработанных семян [46, 47]. Более интенсивное превращение запасенных питательных веществ сохраняется не только в начале прорастания, но и в последующие дни. В течение всего срока прорастания в семенах содержится больше моносахаров, чем в контроле. Это способствует более интенсивному прохождению синтетических процессов, связанных с ростом клеток, синтезом белка, построением клеточных стенок [88].
Применение электрического поля высокого напряжения в значительной степени помогает защищать семена от болезнетворных микроорганизмов почти без ядохимикатов. Это значительно улучшает санитарные условия работы по защите семян от болезней, снижает концентрацию ядохимикатов в почве, что, в конечном счете, приводит к улучшению качества продукции растениеводства и улучшению экологии [61,74,109].
Проведенные В.Ф. Фирсовым исследования показывают, что обработка посевного материала в поле коронного разряда при оптимальных режимах метаболическая активность возбудителей заболеваний возросла на 10-15%, однако устойчивость растений к токсинам гриба повысилась в 3-4 раза. Рост мицелия возбудителя в первые 2-3 дня усиливался, но затем он ослабевал и к моменту появления ростков патоген утрачивал способность проникать в проростки [65,66].
Таким образом, обработка семян в электрическом поле позволяет направлению изменять весь ход физиолого-биохимических процессов растений в сторону мобилизации защитного механизма.
По данным В.Ф. Фирсова электрообработка семян перед посевом усиливает развитие площади листовой поверхности растений и снижает поражение их мучнистой росой, бурой ржавчиной и твердой головней в 1,3-1,7 раза.
Интересным представляются исследования, проведенные А.И. Бутом. Давно известно, что ионы, особенно отрицательные, в достаточных концентрациях могут выступать как фактор, сдерживающий распространение грибов и уничтожающий микроорганизмы. Под действием отрицательных ионов снижается обмен веществ в растительных клетках, замедляется окислительно-восстановительный процесс. Таким образом, применение отрицательно заряженных ионов позволяет бороться с заболеваниями и улучшает сохранность собранной продукции [18].
Используя обеззараживающее действие ионов, В.Н. Шмигелем и В.Г. Рахманиным были проведены исследования по влиянию ионизированного воздуха на посевные качества семян. В результате проведенных исследований был предложен способ протягивания ионизированного воздуха через слой зерна в электростатическом поле [79], который показал, что даже при высоких посевных качествах семян протягивание ионизированного воздуха позволяет повысить всхожесть и энергию прорастания. При этом происходят два процесса [63]. Первый процесс вызван наложением электрического поля на живую клетку, обладающую определенным биопотенциалом, который ведет к его изменению. Второй процесс связан с возникновением в электрическом поле комплекса с переносом заряда, вызывающего возбуждение клетки, которое приводит к усилению биохимических превращений, ферментативной деятельности и к повышению обмена веществ.
Применение средств электронно-ионной технологии является экологически чистым агроприёмом - не загрязняет окружающую среду ядохимикатами, сохраняет здоровье людей, а также фауну от вымирания [104] и рекомендованы к внедрению в производство.
Исследования, проведенные этими авторами, позволяют заключить, что положительные результаты получены при положительной и отрицательной полярности коронирующего электрода. Среди статических полей хорошо себя зарекомендовали варианты с воздушным зазором между семенами и вторым электродом [1, 88,109,76,95].
Среди всех изученных физических факторов, влияющих на семена ячменя наиболее стабильный положительный эффект оказывает действие электрического поля постоянного тока [1, 88, 109, ПО]. Исследования, проведенные этими авторами, позволяют заключить, что лучшие результаты получены при обработке семян в поле коронного разряда при положительной полярности коронирующего электрода и в электростатическом поле с воздушным промежутком.
Нарушение электрической прочности воздуха вокруг сориентрированной частицы и расчет тока положительной короны
Одной из важных характеристик коронного разряда является вольт-амперная зависимость I=f(U). Она определяет мощность, потребляемую коронным разрядом, и позволяет судить о степени эффективности системы электродов.
Теоретическое решение задачи о вольт-амперной зависимости при коронном разряде связано с расчетом напряженности поля и плотности объемного заряда в межэлектродном промежутке [19].
Получение аналитической зависимости тока короны представляет значительную сложность, и не всегда возможно, на что указывают многие исследователи [19, 51, 84].
Наиболее успешно задача решена в работах академика В. И. Попкова, который получил уравнение, численное решение которого дает вольтамперную характеристику отрицательной униполярной короны [70, 71] I=kG(U-U0)U, (2.5) где к - подвижность ионов; G - коэффициент, определяемый геометрией системы электродов; Uo - начальное напряжение коронного разряда; U- текущее значение напряжения. Для расчета коронного разряда системы электродов игла-плоскость с отрицательной полярностью на основании обобщения экспериментальных данных получена зависимость вольт-амперной характеристики [22] I = k0 U(U-U0), (2.6) п 1,5(1 + 0,042 -) где ,=- h (l-l,5102rj h - расстояние между электродами; г3 - радиус закругления иглы; к - подвижность ионов. Зависимость (2.6) соответствует формуле Попкова (2.5), если обозначить величины, зависящие от геометрических параметров, напряжения и тока, через G G OT- С2-7) h Таким образом, коэффициент, отражающий зависимость от геометрических параметров ,, в формуле (2.6) имеет другое значение, чем G в формуле (2.5) Кроме того, поле системы электродов игла-плоскость является осесимметричным, а зависимость (2.5) позволяет рассчитывать только плоскопараллельные поля [22]. На основе экспериментальных исследований для отрицательной короны И. М. Имянитовым [38] получена зависимость тока с острия от напряженности поля 1оапР=а{Епостр-Еякр\ (2.8) где а, п - постоянные коэффициенты, зависящие от формы и полярности острия; Еостр - напряженность поля у острия; Ец, - критическая напряженность поля, при которой начинается коронный разряд.
Поскольку при размещении в электростатическом поле толстый зерновой слой находится на заземленном положительном электроде, а к верхнему электроду подведен отрицательный потенциал, то между кончиками сориентированных зерновых частиц и верхним электродом возникает коронный разряд положительной полярности.
Надо отметить, что приведенные выше вольт-амперные характеристики получены только для отрицательной короны и в исследованной нами литературе совершенно нет зависимостей для расчета поля коронного разряда положительной полярности.
В связи с этим рассмотрим положительный униполярный коронный разряд, который возникает при обработке толстого слоя семян в электростатическом поле между сориентированными частицами и отрицательно заряженным электродом. Подход к решению данного вопроса аналогичен электродной зарядке волокон в электростатическом поле, исследованием которой занимались академик В.И. Попков и А. Т. Наги-Заде [59]. В волокне, находящемся на электроде и частично ориентированном по направлению поля, происходит разделение зарядов (рис. 2.4). Установлено [58] что, заряд q вытянутого тела, находящегося на электроде, растет экспоненциально и приближается к некоторому предельному значению. Реально достижимая величина заряда ограничивается диэлектрическими свойствами среды, то есть выполнялись необходимые условия для ионизации. SL + + + I ++Я, + + -9, + 1+ _-& J-9, Ф Рис. 2.4. К вопросу о зарядке волокон в электростатическом поле Для исследования условия возникновения ионизации у кончика волокна ими была использована методика определения потенциала зажигания коронного разряда по появлению тока в разрядной цепи. Для расчета процесса воспользуемся известными формулами для определения критической напряженности положительного униполярного коронного разряда, а также начального напряжения коронного разряда для системы игла-плоскость [42,49] , 0.0242 1 + / 0 =33,7-105 -8 4дг з J (2-9) U0=-E0r3\n—9 (2.10) гз где h - расстояние от иглы до плоскости, м; 8- относительная плотность воздуха; г - радиус закругления электрода, м.
Формула (2.10) известна как формула Лёба для начального напряжения системы электродов игла-плоскость [49].
Рассмотрим механизм развития разряда положительной полярности для системы электродов игла-плоскость. В зависимости от природы разрядных процессов в газах электрические разряды в газах разделяются на несамостоятельные и самостоятельные [85]. Как указывают авторы [42, 85], несамостоятельные разряды обусловлены действием внешних поверхностных (термоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия) ионизирующих факторов. Самостоятельные разряды обусловлены действием исключительно ионизирующих факторов при отсутствии внешних и ионизирующих факторов. При этом самостоятельные разряды подразделяются на допробойные и пробойные [51].
К числу допробойных самостоятельных разрядов относятся разные виды тлеющего разряда, темный самостоятельный разряд, коронный разряд. В резко неоднородном поле (игла-плоскость) напряженность поля у электрода с малым радиусом кривизны (игла) обычно оказывается для начала ионизации даже при напряжении, значительно меньше напряжения начала коронного разряда (несамостоятельный разряд). Образующиеся в результате предварительной ионизации у иглы объемные заряды будут оказывать влияние на развитие разряда [84].
Геометрические размеры зерновых частиц
Измерение объема семян сельскохозяйственных культур необходимы для косвенного определения их удельного веса (плотности), который является одним из критериев оценки урожайности семян.
Для определения объема единичных семян исследователи применяли способ, основанный на знании основных геометрических размеров семени, т.е. обычным расчетом, принимая зерновую частицу за эллипсоид вращения [6] V = -a3K2, (3.1) 6 v где а - большая ось эллипсоида; К- коэффициент сферичности эллипсоида.
Однако, определение объема семян расчетным методом не вполне правомерно, так как семена зерновых культур в действительности отличаются не только от эллипсоидов вращения, но и от трехосных эллипсоидов и имеют разную степень вытянутости. Поэтому один из путей избежать ошибок, связанных с принятыми допущениями, является определение плотности семян по экспериментально определенным массе и объему семян, что и было предложено нами [101].
Поставленная цель достигается тем, что поверхность исследуемого семени предварительно смачивается, и его помещают в воду, емкость приемника соизмеримую по диаметру с капиллярной мерной трубкой. В ней при погружении семени в емкость приемника уровень заполнения изменится на величину объема семени, что отмечается на шкале капиллярной трубки, градуированной в единицах объема (рис. 3.1).
Для определения объема единичных семян методом случайного отбора выбирались 100 штук семян. Каждое семя, после определения индивидуальной массы и измерения длины, ширины, толщины, закладывалось в отдельную пронумерованную ячейку. Все данные записывались в графу соответствующей номеру семени.
Изучение основных геометрических размеров и относительной диэлектрической проницаемости зерновых частиц вызвано необходимостью экспериментальной проверки теоретических исследований, проведенных в предыдущей главе. Все измерения проводились на семенах ячменя сорта «Торос».
Методом случайного отбора отбиралось 100 штук семян и закладывалось в отдельную пронумерованную ячейку как указывалось выше. Известно много методов определения массы и размеров семян [52,107].
Учитывая, что метод, предложенный В.Н. Шмигелем [107] менее трудоемок, определение размеров проводилось оптико-микрометрическим способом с использованием инструментального микроскопа (рис. 3.2). Вследствие малости массы отдельных зерен, она определялась на торсионных весах.
Поскольку зерновые частицы не являются эллипсоидами вращения и вследствие их неоднородности строения то геометрический центр и центр тяжести не совпадают, что было обнаружено В.Н. Шмигелем [99]. Зерно - живой организм, строение которого определяет его электрические свойства. Для определения относительной диэлектрической проницаемости отдельно взятого зерна с помощью вращающего момента поля был использован способ, предложенный В.Н. Шмигелем [78].
На основании закона распределения (в момент включения) электростатического поля в двухслойном диэлектрике напряженность однородного электростатического поля в воздушном зазоре определяется F U Ев = и (3.2) Таким образом, в воздушном зазоре образуется напряженность поля, позволяющая создать при у 0 вращающий момент поля Мэ, способный повернуть частицу и установить ее длинной осью перпендикулярно плоскости электрода (рис. 3.4) Мэ = Е2УЭФ2 smly /(8л-), (3.3) где э - объем эллипсоидальной частицы; Ф2 - функция, отражающая влияние формы и диэлектрической проницаемости частицы на вращающий момент поля. Повороту частицы на плоскости противодействует момент силы тяжести (3.4) (l-k2)sin2y (l-p)cosy Мс = mga 4-yjk2cos2r + sm2r 2(l + P) где p - коэффициент симметрии центра тяжести; т - масса частицы. Частица может поворачиваться при условии МЭ МС. (3.5) Запишем условие ориентировки частицы, используя выражения (3.2), (3.3), (3.1) и (3.4). После упрощений получим Ф2 гт2 2 2 КР (36) I2mg{ha + heea)2 ся U2sia: где Кр - функция, отражающая взаимное влияние относительных величин к и р на исходное для анализа значение Фг, КР= Г1 1- (3-7) Р к2(1+р) Между тем известно [64], что ф\ -Ф1 і/( -1) + Ф [і/ -1) + ф] ф2 =7 Тг о (3.8) где Фі и Ф] - коэффициенты осевой деполяризации вдоль малой и большой осей эллипсоида, зависящие только от коэффициента сферичности и
Вольт-амперная характеристика коронного разряда системы электродов «игла-плоскость»
Радиус закругления концов зерновых частиц является одним из основных параметров, который определяет поверхностную плотность заряда и условия начала возникновения коронного разряда сориентированных зерновых частиц в электростатическом поле. Согласно разработанной методике радиус закругления зерновых частиц определялся оптическим методом в проходящем свете. Результаты определения радиуса закругления концов разновытянутых зерновых частиц представлены кривыми распределения (рис. 4.2) на примере семян ячменя и в Приложении 3.
Средние значения радиуса закругления зерновых частиц определенные для более вытянутой и менее вытянутой частей составляют 0,378-10"3 м и 0,562-10"3 м соответственно.
Таким образом, знание радиуса закругления позволит определить критическую напряженность поля и начальное напряжение коронного разряда системы электродов «игла-плоскость». Вольт-амперная характеристика межэлектродного пространства является одной из важнейших характеристик коронного разряда, которая позволяет судить об эффективности системы электродов.
Как сказано выше при ориентации зерновых частиц, которые расположена поверх зернового слоя в межэлектродном пространстве электростатического поля образованного двумя плоскими электродами один из которых заземлен, а ко второму подведен отрицательный потенциал, возникает коронный разряд. При этом к верхнему плоскому электроду подведен отрицательный потенциал.
Таким образом, в воздушном промежутке при достаточной напряженности поля между кончиками сориентированных зерновых частиц и верхним потенциальным электродом возникает коронный разряд положительной полярности.
Для расчета коронного разряда системы электродов «игла-плоскость» известна зависимость (2.6), однако она справедлива только в случае, когда коронируюший электрод имеет отрицательный потенциал.
Определим вольт-амперную характеристику в случае положительного потенциала коронирующего электрода согласно разработанной методике.
Различие зависимостей для расчета начальных напряженностей для положительной и отрицательной полярностей состоит в отличии постоянных коэффициентов, полученных в результате экспериментальных исследований.
На рис 4.3 представлены результаты определения начального напряжения коронного разряда по формуле Лёба и экспериментальные данные (Приложение 4). Согласно методике начальное напряжение определялось для игл с разными радиусами закруглений г3 (таблица 2.1) и расстоянием между электродами h (вершиной иглы и плоским электродом).
На графике изображены зависимости для трех игл определенные по формуле Лёба (2.10) (сплошные линии), результаты эксперимента в виде точек и кривые аппроксимирующие опытные данные (штриховые линии).
Анализ рис. 4.3 показывает, что расчетные кривые имеют малую сходимость с результатами эксперимента см. Приложение 5. Таким образом, определение начального напряжения для положительного коронного разряда по формуле (2.10) дает значительную погрешность.
Чтобы погрешность определения начального напряжения свести к минимуму введем поправочный коэффициент, который учитывал выявленные расхождения.
