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

Специальность: 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Краснодар 2008

учреждении высшего профессионального образования

«Кубанский государственный аграрный университет»

(ФГОУ ВПО КубГАУ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Оськин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Загинайлов Владимир Ильич
доктор технических наук, профессор

Пахомов Виктор Иванович

Никитенко Геннадий Владимирович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Челябинский государственный

агроиженерный университет»
Защита состоится 27 ноября 2008 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д220.038.08 при ФГОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан 27 октября 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор С.В. Оськин
Общая характеристика работы
Актуальность темы. За годы реформирования, в ходе которых осуществлялся переход на рыночные механизмы хозяйствования, аграрный сектор оказался в кризисном состоянии: объемы капитальных вложений в АПК (в сопоставимых ценах) уменьшились в 20 раз; парк основных видов сельскохозяйственных машин сократился на 40 – 50%; посевные площади уменьшились на 32,3 млн. гектаров, или почти на треть. Применение органических удобрений снизилось в 6 раз, а минеральных в 7 раз. Поголовье крупного рогатого скота и свиней уменьшилось на 51%, овец и коз – на 75%, птицы – на 48%. Производство зерна сократилось в 1,8 раза, сахарной свеклы – в 2,2, молока – в 1,7, мяса – в 2,2, яиц – в 1,4, шерсти – в 5,6 раза. Общий объем валовой продукции сельского хозяйства во всех категориях хозяйств снизился на 37%, а доля отрасли в валовом внутреннем продукте страны сократилась с 16,5 до 7,1%.

Создание эффективного, конкурентоспособного агропромышленного производства, обеспечивающего продовольственную безопасность страны, наращивание экспорта отдельных видов сельскохозяйственной продукции – важнейшие стратегические цели агропродовольственной политики государства сегодня. В перечень перспективных технологий включены направления, связанные с нанонаукой. Использование энергии электромагнитного поля различной частоты существенно дополняет возможности электротехнологии в сельском хозяйстве. Широкое применение аппаратов электромагнитного воздействия на биосистемы в сельскохозяйственном производстве перспективно с точки зрения затратного механизма при проектировании, изготовлении и эксплуатации подобных устройств. Экспериментальные данные отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о повышении биологической активности при использовании электромагнитных полей (ЭМП) во всех частотных диапазонах. Механизмы действия неинтенсивных полей (электромагнитного излучения естественного поля Земли, современной электронной и электротехнической аппаратуры) изучены не в полной мере, а в то же время большинство биологических объектов проявляют достаточно высокую чувствительность к ним. При наличии большого многообразия индивидуальных особенностей клеточных организмов, подвергаемых воздействию электромагнитных волн искусственного происхождения в сельскохозяйственном производстве, недостаточно разработана методическая и теоретическая концепции, позволяющие проектировать аппараты для электротехнологической обработки биосистем с целью стимулирования процессов жизнедеятельности.

Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках научно-исследовательских работ в соответствии с госбюджетной темой ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ» на 2000-2005гг. (№ГР01200113477 и на 2006-2010гг. (№ГР01200606851).

Рабочая гипотеза. Характер перемещения электронов по квазипериодическим молекулярным системам и его изменение при внешних электромагнитных воздействиях можно оценить с помощью аппаратно-программных продуктов, основанных на использовании высокоскоростной обработки сигналов и построении графиков интегральных оценок энергетических процессов в биологических системах.

Целью диссертационной работы является разработка метода экспресс-анализа электротехнологических показателей и выбор параметров установок для стимуляции жизнедеятельности объектов сельскохозяйственного производства при электрофизическом воздействии с его метрологической оценкой.

Объект исследования – биологические объекты сельскохозяйственного производства, подвергающиеся электромагнитному воздействию как естественного, так и искусственного излучения, и опытные образцы разрабатываемых для современных электротехнологий технических устройств и средств диагностики.

Предмет исследования – электрофизические методы определения количественных показателей, воздействующих на параметры сельскохозяйственной продукции с математических моделированием динамических процессов объектов.

Методологическая база и методы исследования. В основу конструирования аппаратов и устройств электрофизического воздействия и средств экспресс-анализа результатов обработки сельскохозяйственных объектов, положен методологический прием, в рамках которого сами объекты и технология их обработки рассмотрены как сложные нелинейные системы, в которых происходят скоротечные по времени изменения параметров жизнедеятельности, определяющие в итоге энергетические и экономические показатели производства конечной продукции.

Поставленные задачи решались с использованием методов схемотехники, теории исследования биологических систем животного происхождения, теории вероятности и математической статистики, теории корреляционного и регрессионного анализов, методов активного планирования эксперимента.

- предложен новый метод экпресс-анализа результатов воздействий электромагнитных полей на биологические системы с использованием методов исследования твердого тела и применением аппаратно-программных изделий, основанных на высокоскоростной обработке сигналов в оценке энергетических процессов в исследуемых системах;

- с помощью полной системы уравнений Максвелла определены пределы применения квазистатического приближения по оценке характера электромагнитных полей с учетом нелинейности, проявляющейся на мембране клетки, что существенно упростило решение электромагнитной задачи;

- получены математические модели на основе дискретного и быстрого преобразований Фурье, которые положены в основу при проектировании прибора цифровой оценки сигналов биоэнергетической природы;

- предложена инструментальная оценка спектральных составляющих электромагнитных полей разрабатываемых устройств электрофизического воздействия на биологический материал на основе современных быстродействующих микроконтроллеров в составе аппаратно-программного изделия;

- обоснована методика электромагнитной обработки объектов биологического происхождения с определенными параметрами, влияющей на рост их активности в процессе жизнедеятельности.

1. Разработаны технические конструкции аппаратов магнитной обработки биосистем, использующие пульсирующее электромагнитное поле, вращающееся с заданной частотой и амплитудой, которые используются в сельскохозяйственном производстве ряда предприятий Южного федерального округа.

2. Создан цифровой прибор метрологической оценки электромагнитных составляющих полей с пакетом прикладных программ, обеспечивающих автоматизацию математических расчетов различных параметров проектируемых устройств.

3. Экспериментально получена конфигурация пространственной структуры с семейством составляющих электромагнитного поля активной части индуктора предпосевной установки, что позволяет использовать эти характеристики в целях оптимизации параметров подобных аппаратов в зависимости от их назначения.

4. Математически доказана возможность машинного проектирования отдельных технических узлов без их реального изготовления с целью ускорения самого процесса проектирования и снижения затрат.

5. Изучены вопросы использования индукторов с различными источниками питания и, как наиболее приемлемый вариант предложен источник промышленной частоты с изменяющимся электромагнитным полем в зависимости от требований биотехнологии.

6. Установлены общие закономерности обрабатываемых биологических сред по оптимальным зонам с учетом практического внедрения на предприятиях АПК края, включая вопросы генетики.

7. Представлено несколько оригинальных конструктивных решений аппаратов и устройств, предназначенных для воздействия электромагнитными полями различной интенсивности на семена растений, животных, эмбрионы птиц, растворы и жидкости, новизна которых подтверждена 16 патентами на изобретение.

8. Подготовлены для сельскохозяйственных предприятий рекомендации по применению и инструкции по эксплуатации разработанных в лаборатории университета аппаратов и устройств, использующих энергию электромагнитных полей.

Реализация и внедрение результатов работы.

В Департамент сельского хозяйства администрации Краснодарского края переданы результаты научных исследований по данной тематике, разработаны и утверждены рекомендации по применению и инструкции по эксплуатации комплекса устройств электрофизического воздействия на животных в сельскохозяйственных предприятиях АПК.

В конструкторское бюро производственного объединения «Протон» (г. Харьков) передана техническая документация и налажено промышленное производство приборов «Стимул-2» и «Стимул-3», используемых в системе мероприятий по борьбе с маститами в хозяйствах края.

Разработаны, изготовлены и более 9 лет успешно эксплуатируются аппараты магнитной обработки спермы быков-производителей, эмбрионов яиц птицы, семян растений, спиртовых растворов и воды на государственном племенном предприятии «Гулькевичское» Гулькевичского района, на птицефабриках Выселковского, Кореновского и Динского районов Краснодарского края, на ОАО «Биохимзавод «Кавказский» и ОАО «Ладожское» Усть-Лабинского района.

Материалы результатов научно-исследовательской работы используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ» при изучении дисциплины: «Электротехнология». Издана монография «Методология проектирования устройств и оценка электрофизического воздействия на биологические объекты сельскохозяйственного производства», предназначенная для научных и инженерно-технических работников, студентов, аспирантов и преподавателей высших учебных заведений.

На защиту выносятся:

- концепция проектирования аппаратов, работающих на принципе высокоскоростной обработке сигналов биоэнергетической природы с применением микропроцессорной техники;

- метод экспресс-анализа результатов электрофизического воздействия на биологические системы с использованием современных микроконтроллеров в составе аппаратно-программного изделия;

- математические модели статических и динамических процессов, протекающих в электромагнитных аппаратах, исследованные на основе дискретного и быстрого преобразования Фурье и позволившие применить предложенную теорию конструирования устройств;

- функциональные зависимости спектральных составляющих и параметры электромагнитных полей индукторов, полученные по предложенной методике, подтвержденные экспериментальными исследованиями;

- новые конструкции электромагнитных аппаратов для биосистем различного назначения, у которых на стадии проектирования определены оптимальные воздействующие параметры;

- результаты экономической эффективности используемых аппаратов и устройств электрофизического воздействия на объекты сельскохозяйственного назначения АПК.

Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

– на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО КубГАУ по энергосберегающим технологиям (г. Краснодар, КубГАУ, 1998…2007 гг.);

– на международном симпозиуме по электротехнологии (г. Кишинев, 1998г.);

– на 1-й и 2-й Российской научно-практической конференциях «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» (г. Ставрополь, 2001г., 2003г.);

– на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы оптимизации затрат при передачи и распределении электрической энергии» (с. Дивноморское, 2003г.);

– на Всероссийских научных конференциях «Разработка новых южнороссийских технологий и технической базы для возделывания зерновых в зоне засушливого земледелия» (г. Зерноград, 2004 - 2005гг.);

– на международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования» (г. Волгоград, 2006г.);

- на IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций (ВВЦ, г. Москва, 2004) получена золотая медаль.

В разное время изучению процессов электромагнитного влияния на системы биологического происхождения и математическому моделированию конструкций электромагнитных устройств посвятили свои работы зарубежные и отечественные ученые В.И.Классен, О.Зенкевич, Е.Шуман, Т.Веймайр, И.Ф. Бородин, В.И.Загинайлов, В.И. Пахомов, В.Г.Никитенко, М.Г.Ковалев, В.Н.Гурницкий, Е.Ф.Теребихин, А.Н.Куценко, А.В.Карнаухов, М.Н.Жадин, Б.М.Владимирский, Н.А.Тимурьянц, Ф.А.Мамедов, М.Г.Барышев и многие другие.

Накопленные экспериментальные данные в области магнитобиологии убедительно доказали, что биологические системы обладают избирательной восприимчивостью к действию электромагнитных полей в зависимости от их напряженности, времени воздействия и частоты. Влияние электромагнитного поля на биологические организмы, которыми могут быть яйцо, яйцеклетка, сперматозоиды, семена растений и другие объекты, в конечном итоге спускается на уровень отдельной клетки, в которой протекают различные физические и химические процессы, в общей совокупности представляющие основу жизнедеятельности организма.

В соответствии с современными представлениями, структурную основу живого организма составляют микромолекулы, прежде всего важнейшие биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты. Специфика полимерных молекул в отличие от малых молекул определяется большим числом однотипных звеньев (мономеров), связанных в линейную цепь. Тепловое движение входящих в полимерную цепь атомов и атомных групп, повороты и вращения их вокруг единичных связей обусловливают большое число внутренних степеней свободы макромолекулы. Это заставляет рассматривать макромолекулы как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров, как размеры, форма, степень свернутости макромолекулы. Вместе с тем существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций макромолекул. Изменение конформации биополимеров, происходящие в процессах клеточного метаболизма и трансформации энергии, также носят вполне определенный характер и отражают внутриклеточную динамическую организацию биополимеров. Таким образом, своеобразие биологической макромолекулы как физического объекта заключается в тесном сочетании статистических и детерминистских (механических) особенностей ее поведения: с одной стороны, большое число взаимодействующих атомов и внутримолекулярных степеней свободы и, как следствие, возможность осуществления огромного числа разных конформаций, с другой – определенный химический характер и конформационные изменения при функционировании биополимеров.

В макромолекулах происходят сложные процессы трансформации энергии, включающие миграцию энергии электронного возбуждения и транспорт электронов.

Для бесконечного малого изменения состояния системы уравнение первого начала термодинамики примет вид:

где du – изменение внутренней энергии; dA – сумма всех элементарных работ, pdV- работа преодоления внешнего давления; d^/ - работа против действия электрических, магнитных и прочих сил, либо полезная работа над системой внешних сил.

Принято считать, что с помощью энтропии можно количественно охарактеризовать ту направленность изменений, происходящих в природе при протекании необратимых процессов, которой следует из второго начала термодинамики. Максимально полезная работа d^/_max следующим образом связана с термодинамическими функциями свободной энергии F и полного термодинамического потенциала G.

При T = const и V = const:

а при Т = const и р = const:

Знак «» соответствует необратимым процессам. При отсутствии полезной работы (dF)_T,P  0, (dG)_T,P  0,т.е. величины F и G убывают при неравновесных процессах, а при равновесии остаются постоянными и достигают при этом минимальных значений.

В большинстве случаев изменение объема и давления в биохимических превращениях незначительно, поэтому величины

dF = – SdT – pdV; и dG = – SdT + Vdp = dF + pdV + Vdp; (4)

практически совпадают, то есть: dF  dG

В термодинамическом отношении открытые (биологические) системы в процессе своего изменения проходят через ряд неравновесных состояний, что, в свою очередь, также сопровождается соответствующими термодинамическими переменными.

В целом поддержание неравновесных состояний в открытых системах возможно лишь за счет создания в них соответствующих потоков вещества и энергии. Таким образом, открытым системам присущи неравновесные состояния, параметры и свойства которых, вообще говоря, есть функции времени. Для термодинамического потенциала G и свободной энергии F это означает

Решение термодинамических задач сводится к нахождению характеристических функций состояния и изопроцессов, при которых один или два термодинамических параметра (p,V,T) постоянны, причем во всех случаях «полезная» работа dA^/ принимается равной нулю.

Таким образом, в отличие от общепринятых понятий работы расширения (pdV), которая не считается полезной, введено понятие “полезной” работы dA^/, под которой понимается работа электрического тока, магнитного поля или других физических полей. Воздействие электромагнитного поля на биологические объекты приводит к некоторому увеличению температуры биологической системы и, как следствие, к повышению скорости химических и биохимических реакций и возможным фазовым переходам, что отражается в повышенной активности биохимических процессов в этих объектах на начальной фазе формирования животного и растительного организма. Этим можно объяснить многочисленные экспериментальные результаты ученых и практиков, занимающихся стимулированием сельскохозяйственных культур в процессе предпосевных обработок.

Анализ существующих электромагнитных аппаратов для воздействия на сельскохозяйственные объекты как выпускаемых серийно, так и лабораторных разработок ученых и практиков показал что, не смотря на разнообразные конструкции они не решают проблему быстрой оценки получаемых результатов в процессе проектирования новых изделий и не позволяют определить оптимальные параметры облучения исходного материала. В то же время сегодня имеется большое количество микропроцессорных разработок, новейших датчиков, которые могут позволить производить ускоренные вычисления и фиксацию малоинтенсивных сигналов.

Исходя из сделанных выводов и в соответствии с целью работы, поставлены следующие задачи исследования:

1. Найти решение электромагнитной задачи построения магнитных полей в исследуемых системах с учетом нелинейности, проявляющейся на мембране клетки.

2. Разработать математические модели магнитных полей в нейронных цепях с использованием дискретных и быстрых преобразований Фурье, которые будут положены в основу прибора экспресс-анализа и оценки сигналов биоэнергетической природы.

3. Обосновать систему инструментальной оценки и метод экпресс-анализа спектральных составляющих электромагнитных полей для установления характера микробиологических сигналов и их изменения в условиях воздействия внешних электромагнитных полей.

5. Разработать и изготовить прибор для экспресс-анализа сигналов биоэнергетической природы и от индукторов, воздействующих на биологические объекты.

6. Выявить особенности проектирования устройств с определенными оптимальными параметрами, предназначенных для воздействия электромагнитными полями на биологические системы на примере создания аппаратов для ферм КРС и инкубаторов птицеферм.

6. Экспериментально получить функциональные зависимости спектральных составляющих и параметры электромагнитных полей от индукторов и биологических объектов. Изготовить и внедрить электрофизические установки в сельскохозяйственное производство и убедиться в их эффективности.

7. Провести технико-экономическую оценку результатов исследования.