Метод экспресс-анализа электротехнологических показателей и выбор параметров установок электрофизического воздействия на объекты сельскохозяйственного производства

Вид функции, стоящей в квадратных скобках в уравнениях (30,31), и анализ графических исследований, позволяет сделать вывод, что, пренебрегая z₂ по сравнению с z₁, мы вносим ошибку не более одного процента.

Уравнение (32) сводится к виду:

, (36)

где r_s = r₁ + r₂  r₁. Это одно из двух искомых уравнений в частных производных. Другое нелинейное уравнение связывает пространственную производную тока с напряжением на мембране. Оно получается из выражений (23), если учесть, что (Н)_ пропорционально току i и значение (Е)_r при r = а дает нормальную к мембране компоненту плотности тока, которая введена в уравнение (6) плоских волн. Следовательно,

Часто бывает полезно объединить уравнения (36, 37) и записать их в виде уравнения второго порядка, содержащего только напряжение на мембране:

В уравнении (38) выражение N() представляет сложную нелинейную функцию. Если же принять – проводимость на единицу площади мембраны, то тогда при изменении постоянной времени мембраны

где для характерных значений параметров правая часть уравнения равна примерно 10^-4/n. Следовательно, можно ожидать, что для однородного цилиндрического тела зависимостью поля от угла можно пренебречь за время, очень короткое по сравнению с временным масштабом решения этого уравнения.

Широкое использование метода искусственного осеменения в скотоводстве во многом определяется эффективностью длительного хранения спермы быков-производителей в жидком азоте при температуре –196С. Известно, что существующие технологии криоконсервации спермы быков приводят к гибели 50-70% спермиев на клеточном уровне, что значительно снижает качественные показатели размороженной спермы по сравнению со спермой, разбавленной непосредственно перед осеменением. Под действием магнитных силовых полей на разбавленную сперму межмолекулярные пространства в разбавителе заполняются ионами, молекулами или другими микрочастицам, и это, в свою очередь, способствует исчезновению объемов, которые в неразбавленных растворах были заняты микрокристаллами. Исчезновение последних, как центров кристаллизации, приводит к изменению характера кристаллизации разбавленной спермы, обработанной магнитным полем в процессе замерзания. Необработанная в магнитном поле разбавленная сперма при замораживании представляет собой массу мелких игольчатых кристаллов, которые повреждают жизненно важные функции спермиев. Таким образом, исследование и разработка способов и устройств увеличения переживаемости и повышения оплодотворяемости спермы с использованием электрофизических методов является актуальной задачей в процессе воспроизводства КРС.

Если связь между спинами электрона и орбитальным моментом вращательного движения всей молекулы больше, чем связь между спинами и моментом вращательного движения всей молекулы, то энергию магнитного поля можно представить в виде:

(40)

Энергия, линейно зависящая от напряженности магнитного поля, соответствует ориентации молекулы по полю:

где - магнитон Бора для молекулы; - масса электрона; - число электронов в молекуле;- характеризует полный момент количества движения; - зависит от природы вещества.

Квадратичный член магнитной энергии состоит из поляризационной и прецессионной частей:

. (42)

Первый член соответствует процессу своеобразной магнитной деформационной поляризации молекулы под действием поля ; -разность энергий между нормальным и соседним возбужденным состоянием;

Второй член отражает эффект прецессии молекулы в магнитном поле, так как линейные размеры малы. Отсюда можно заключить, что чем асимметричнее молекула, тем больше должен быть первый член, выражающий поляризационный парамагнетизм. При этом поляризационный магнитный момент ориентирован перпендикулярно к главной оси молекулы.

Из уравнений (41) и (42) можно определить магнитную восприимчивость. Для определения энергии необходимо знать напряженность магнитного поля, образующегося у спермия и его скорость. Тогда, по известным формулам магнитной гидродинамики, можно определить все необходимые величины. Приняв допущение, что спермий – цилиндр с радиусом основания – а, магнитное поле внутри цилиндра можно выразить следующими уравнениями

(43)

где ; ; - плотность; - масса спермия;  - объем дозы.

Сперму быка разбавляют лактозо-глицерино-желточной средой (ЛГЖ), состоящей из дистиллированной воды (100 мл), лактозы (11,5 г), глицерина (5 мл), желтка (20мл), спермосана (50 тыс. ед.). Интервал допустимого разбавления спермы ЛГЖ от 2 до 11раз, оптимум 35 раз.

Давление внутри спермия постоянно, и его связь с потоком разбавителя может быть представлена в виде:

Таким образом, найдя внутри спермия, можно пересчитать этот параметр на один диполь и, следовательно, учесть магнитную поляризацию.

Из постоянства р_ц.вн следует, что grad(р_ц.вн) = 0, но grad(р_ц.вн)=, значит j_п=0, т.е. j_п – ток, возникающий при изменении магнитного поля отсутствует, следовательно, спермии оказываются электрически изолированными.

Равенство j_п = 0 вытекает из следующих уравнений магнитной гидродинамики:

где – скорость жидкости.

Из последнего выражения следует, что в системе координат связанной с движущимися жидкими частицами не происходит возникновение электрического поля. Из уравнения магнитной гидродинамики для вектора следует:

, (45)

где - магнитная вязкость; ; n- число зарядов;

где и - число круговых движений, которые проходит спермий за время между двумя столкновениями. Так как х = , что соответствует равновероятному количеству столкновений спермиев, то .

Сила, действующая на физически бесконечно малый объем среды:
, (47)

где V_а – скорость спермия.

Вектор силы F параллелен и перпендикулярен и , причем он не может производить работу при воздействии магнитного поля, поскольку . Так как бесконечно мал, то и . Тогда, представив , получаем, что составляющая силы перпендикулярна полю, а – и поэтому работы не производит. Отсюда =const и, следовательно, =const, а так как , то конечное движение будет равномерным по окружности. Тогда из равенства и , где - центростремительная сила, следует зависимость, описывающая характер движения элементарной массы заряда по окружности радиуса .

Таким образом, предположение о дипольном строении спермия оказывается справедливым. Следовательно, при воздействии магнитного поля этот диполь ориентируется по силовым линиям поля, отчего и возникает сила и изменяется радиус движения спермиев и их скорость.

Для расчета влияния магнитного поля на спермии можно предложить следующую смоделированную схему расчета, изображенную на рисунке 5. Магнитное поле нормально к плоскости движения спермиев. Выбираем систему координат так, чтобы плоскость Z = 0 была равноудалена от полюсов.

магнитного поля на спермий

Тогда граничные условия можно записать следующим образом:

u = 0; H_x = 0; H_z = H_o; u₁ = u₂ = 0, при z = .

С учетом граничных условий, опуская промежуточные преобразования, получено окончательное решение в виде:

где Н_х – составляющая магнитного поля; - вязкость.

Способность к движению является характерной особенностью спермиев. Нормальным является только прямолинейно-поступательное движение. Спермии быка в окружающей их жидкости движутся со скоростью 5-6 мм в минуту. Манежное движение по кругу присуще ослабленным спермиям. Колебательное движение (вправо и влево) наблюдается так же у ослабленных спермиев. Воздействие электромагнитного поля повышает активность спермиев и их переживаемость, а, зная необходимые интервалы облучения, можно рассчитать параметры проектируемого устройства для любого биологического объекта.

С учетом нелинейного характера внешнего воздействия электромагнитных полей небольшой интенсивности и жестких требований стандартов к обрабатываемому материалу, требуется оценить не только параметры индуктора, но и в динамике контролировать сам технологический процесс. Это возможно осуществить только с помощью специального прибора цифровой оценки сигналов биоэнергетической природы, основанного на высокоскоростной обработке характеристик электромагнитных полей искусственного и естественного происхождения с использованием пакетов Simulink и Power Sistem Blockset MATLAB.

Моделирование процессов инкубации эмбрионов яиц, обработки спермы быков-производителей для искусственного осеменения коров и телок связано с рядом технологических трудностей. Поэтому все расчеты индукторов-излучателей ведутся с учетом геометрии объекта и его биологических особенностей. В каждом конкретном случае расчеты ведутся с целью определения не только оптимальных параметров устройства облучения, но и физические величины доз и времени воздействия для увеличения количественных и улучшения качественных показателей производимой сельскохозяйственной продукции. При реализации режима параметрического управления для диагностики обработка информации строится на формировании конечно-разностных оценок на основе двумерного дискретного прямого преобразования Фурье. Применение двумерного преобразования Фурье для сигналов на основе 512 точек и построение графика спектральной плотности позволяет выделить частоты, на которых амплитуда спектра максимальна. Применение цифровых фильтров при фильтрации сигналов позволяет, имея пакет программ, вычислить все величины требуемых компонентов схемы фильтра, его амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, изменять отдельные требования теоретически без реального этапа конструирования. Прямое преобразование Фурье переводит описание сигнала из временной области в частотную область, а обратное преобразование Фурье переводит описание сигнала из частотной области во временную. На этом основаны многочисленные методы фильтрации сигналов. В применяемых программах реализуется особый метод быстрого преобразования Фурье-Fast Fourier Transform (FFT или БПФ). Из существующих множества разнообразных способов уменьшения сложности наиболее распространен алгоритм по основанию 2. Простая структура БПФ способна быстро выполнить преобразование на кристалле цифрового процессора обработки сигналов, а поскольку алгоритмы реализуются аппаратно, то такие кристаллы успешно выполняют БПФ. С помощью алгоритмов БПФ современные процессоры вычисление 1024-точечного ДПФ производят менее чем за 5 мс. Стандартный поток ввода информации представляет собой массивы непрерывно измеряемых спектральных составляющих бегущего и осциллирующих электромагнитных полей. Стандартный поток вывода обработанной информации представляет собой отображение на экране дисплея значений амплитуд спектральных составляющих, фазовых соотношений, корреляционных оценок и т.д. Общефизическая проблема представления результата с требуемой точностью прояснила задачу необходимости учета эффекта Гиббса. Стандартные спектральный анализ и синтез применимы для любого числа отсчетов функции, но не свободны от сильного проявления эффекта Гиббса. Для ослабления или подавления этого эффекта применима коррекция амплитуды гармоник с помощью корректирующего множителя, постепенно ослабляющего высшие гармоники спектра.

В четвертой главе рассматриваются вопросы цифровой оценки результатов электромагнитного воздействия на объекты биологического происхождения.

Поставленная задача программирования для решения проблемы оценки электромагнитного влияния на объекты сельскохозяйственного назначения решается с помощью специальных программ, где реализуется особый метод быстрого преобразования Фурье-Fast Fourier Transform (FFT или БПФ).

Обобщенный алгоритм работы прибора цифровой оценки сигналов приведен на рисунке 6. В качестве датчиков для оценки магнитной составляющей используются индуктивности, а для контроля отклика биологического объекта применяются датчики контактного типа (иглы, пластины и другие элементы). В данном цифровом приборе оценки сигналов (ЦПОС) электромагнитного воздействия на биологические объекты использованы цифровые процессоры как аналогового, так и цифрового источников. АЦП работает как с внешним, так и с внутренним источником образцового напряжения. Математический аппарат ПЦОС, такой как ДПФ и БПФ позволяет не только значительно сократить время обработки сигналов возмущающего (в нашем случае электромагнитного) воздействия, но и в динамике контролировать отклик биологического объекта растительного или животного происхождения. Программное обеспечение дает возможность теоретически рассчитывать любые технические параметры проектируемых устройств.

Начало работы по заданной программе

Ввод данных с датчиков 1 и 2

Обработка спектральных характеристик сигналов с датчиков 1 и 2

Вычисление амплитудно-фазовых соотношений полученных сигналов

Сравнение вычисленных значений с требуемыми параметрами при обработке или проектировании

Перевод цифровых данных в аналоговую форму

Вывод результатов вычислений (амплитуда, частота, напряженность ЭМП)

Рисунок 6 – Обобщенный алгоритм работы прибора цифровой оценки сигналов.

Внешний вид прибора оценки электромагнитных воздействий представлен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Внешний вид прибора оценки электромагнитных воздействий

После обработки экспериментальных данных, связанных с определением влияния электромагнитных воздействий на выводимость яиц и подвижность спермиев и в результате расчета коэффициентов регрессии были получены соответствующие математические модели. На основании этих моделей получены необходимые данные проектируемого индуктора.

Государственное управление ветеринарии Краснодарского края утвердило рекомендации по применению и инструкцию по эксплуатации комплекса устройств, используемых в системе мероприятий по борьбе с маститами. В хозяйствах Гулькевичского и Выселковского районах применение данных устройств показало их высокую эффективность и надежность. Так, молочная железа у первотелок развивалась лучше у тех животных, на которых воздействовали электростимуляцией. Увеличился также обхват вымени, возросли продуктивность и интенсивность молокоотдачи.

С помощью устройства для электромагнитной обработки спермы быков-производителей на Гулькевичском государственном унитарном племенном предприятии с 1988 года обработано и отправлено на животноводческие фермы девяти районов Краснодарского края более трех млн. спермодоз. По данным племенного предприятия, оплодотворяемость коров возросла на 19%, снижены затраты на осеменение животных на 25,8%.

Значительный положительный эффект достигнут с применением электромагнитной обработки инкубационных яиц. Повышение выводимости цыплят на 3,4% против контрольных групп позволило заметно снизить эксплуатационные затраты более чем 3600 рублей на 1000 голов полученных цыплят.

Улучшение посевных кондиций семян сельскохозяйственных культур до 10-22% также наблюдается практически во всех фиксированных случаях применения подобных электромагнитных конструкций.

Предлагаемые учеными университета и уже внедренные в сельскохозяйственное производство комплексы устройств электрофизического воздействия на конкретные биологические организмы не исключают дальнейших проработок и исследований в области электронанотехнологии с учетом современной тенденции совершенствования микропроцессорной техники. Накопленный в лабораториях Кубанского ГАУ теоретический и экспериментальный опыт позволяет продолжить исследования в этих перспективных отраслях в рамках национального проекта поддержки сельскохозяйственного товаропроизводителя.