ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА

Піротті Олексій Євгенович

УДК 621.928.13

Обгрунтвання та реалізація методів і пристроїв електромагнітної технології для передпосівної обробки насіння на вкрай високих частотах

05.09.16 – Електротехнології та електрообладнання в агропромисловому комплексі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Черенков Олександр Данилович,

Харківський національний технічний університет

сільського господарства імені Петра Василенка,

професор кафедри загальної електротехніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Скрипник Микола Микитович,

Українська академія зовнішної торгівлі,

професор кафедриміжнародної економіки;

кандидат технічних наук, доцент

Лоєнко Василь Васильович,

Полтавська державна аграрна академія,

доцент кафедри "Ремонт машин та технології конструкційних матеріалів".

Провідна установа: Таврійська державна агротехнічна академія Міністерсва аграрної політики України

кафедра сільськогосподарського машинобудування,

м. Мелітополь.

Захист відбудеться 08.06.2006 р. о 14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

Автореферат розісланий 03.05.2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01

докт. техн. наук, професор О.Д. Черенков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розробка низькоенергетичної електротехнології для передпосівної обробки насіння зернових культур електромагнітним випромінюванням (ЕМВ) вкрай високих частот (КВЧ) дозволить підвищити їхню врожайність, якісні характеристики й на цій основі стабілізувати економіку України.

З огляду на те, що з 1992 року в сільськогосподарському виробництві в 4,5 рази зменшилося застосування мінеральних добрив, в 1,5 - 2 рази способів захисту рослин, у результаті чого середня врожайність по Україні знизилася на 20 %, головним напрямком по подальшому збільшенню виробництва зерна є розробка нових технологій на основі застосування електромагнітних випромінювань.

Головним достоїнством електротехнології з обробки насіння низькоенергетичним випромінюванням полягає в можливості поліпшення їхнього росту й розвитку за рахунок мобілізації внутрішніх резервів самого насіння без хімічної обробки або методів генної інженерії.

Слід зазначити, що стимуляція життєдіяльності насіння й рослин низькоенергетичним електромагнітним полем (ЕМП) носить інформаційний характер і залежить від частотних і модуляційно-часових параметрів цього випромінювання.

Визначення біотропних параметрів ЕМП, що стимулюють насіння, вимагає проведення теоретичних й експериментальних досліджень як по взаємодії зовнішніх ЕМП із насінням зернових культур, так і по розробці джерел КВЧ випромінювань із низькою нестабільністю частоти.

Актуальність теми. Економічна стабільність і незалежність України пов'язана з розширенням виробництва зерна високої якості, що дозволить створити значний експортний потенціал сільськогосподарської продукції на суму 2 - 3 млрд. доларів США. У зв'язку із цим підвищення врожайності зернових культур, у тому числі й культур фуражного зерна, варто розглядати як стратегічний напрямок сільськогосподарського виробництва України, спираючись на який, можна вивести всю економіку із кризи.

Зараз кількість фуражного зерна не задовольняє потреби тваринництва, обмежує збільшення виробництва м'яса, молока й іншої продукції. У цьому зв'язку важливою проблемою для сільськогосподарського виробництва є підвищення якості й урожайності кукурудзи.

У світовому землеробстві кукурудза – одна з основних зернофуражних культур. Широка генетична мінливість і здатність до адаптації в різноманітних умовах навколишнього середовища, більш висока врожайність у порівнянні з іншими зерновими культурами, а також концентрація в кукурудзяному зерні необхідних компонентів для живого організму (вуглеводи, білки, амінокислоти, олія, вітаміни, амілаза й ін.) робить цю культуру незамінною для виробництва фуражного зерна на Україні.

Традиційні шляхи інтенсифікації виробництва зерна пов'язані із застосуванням високої агротехніки, використанням добрив, зрошення, хімічних і біологічних засобів захисту рослин, досягнень генетики й біотехнології. Реалізувати повною мірою перераховані способи для підвищення врожайності й схоронності зернових ресурсів у цей час в Україні не представляється можливим внаслідок їхньої трудомісткості й енергоємності, складності застосування, екологічної безпеки.

Тому актуальним завданням є розробка нових економічних, ефективних й екологічно безпечних технологій, спрямованих на підвищення якості й врожайності зернових культур.

Численні дослідження із впливу електромагнітних випромінювань різних частот на насіння рослин і тварин показують, що одним із шляхів розв’язання цього питання є використання низькоенергетичних ЕМП КВЧ діапазону. Дія низькоенергетичних електромагнітних полів пов'язана не з енергетичним, а інформаційним впливом на процеси життєдіяльності насіння й рослин. Інформаційний вплив низькоенергетичних ЕМП на метаболічні процеси в біологічних об'єктах, що перебувають під їхнім впливом, відбувається тільки при певному поєднанні біотропних параметрів (частота, потужність, модуляція, експозиція, поляризація, нестабільність частоти джерел випромінювання).

Визначення біотропних параметрів пов'язане з істотними труднощами через відсутність як теоретичних робіт, що досліджують процес взаємодії низькоенергетичних ЕМП із біологічними об'єктами з врахуванням їхньої морфологічної будови, електрофізичних властивостей, внутрішніх ЕМП, так і джерел КВЧ із вихідною потужністю 40 - 50 мВт і нестабільністю частоти 10 -8 - 10 -10.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана із загальними Українськими науковими програмами: науково-технічною програмою на 1991 - 1995 роки "Розвиток досліджень і використання НВЧ енергії в АПК України"; державною науково-технічною програмою ДНТП-12 "Енерго- та ресурсозберігаючі технології в сільськогосподарському виробництві"; постановою Кабінету Міністрів України від 24.12.2001 р. № 1716 "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі на 2002 - 2006 рр."

За планами НДР та ДКР ХДТУСГ були виконані наступні науково-дослідні роботи, які мають безпосереднє відношення до теми дисертаційної роботи: науково-дослідна робота "Урожай", № 52823; "Дослідження із впливу НВЧ енергії на біологічні об'єкти", № 3492; "Технологія підвищення врожайності сільськогосподарських культур і продуктивності тварин", № В92/2051; "Розробка методів і пристроїв контролю впливу фізичних факторів на біологічні об'єкти", шифр "Контроль", № ДО9/92; "Аналіз проблем, пов'язаних з побудовою електротехнологій для обробки насіння на основі ЕМП НВЧ діапазону", номер Державної реєстрації 0104U003720; "Результати експериментальних досліджень із впливу ЕМП КВЧ діапазону на біологічний об'єкт у сільському господарстві", номер Державної реєстрації 0104U003721.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є розробка низькоенергетичної електромагнітної технології й технічних пристроїв для передпосівної обробки насіння кукурудзи електромагнітним випромінюванням КВЧ діапазону.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- розробити математичну модель взаємодії електромагнітного випромінювання КВЧ діапазону з насінням кукурудзи й на основі даної моделі визначити біотропні параметри ЕМП, що ведуть до стимулювання росту й підвищенню врожайності кукурудзи;

- теоретично розглянути питання створення високостабільних джерел, що перебудовуються по частоті, КВЧ діапазону на основі фазового автопідстроювання частоти;

- обґрунтувати структурні схеми множно - підсилювальних пристроїв у двокільцевій системі ФАПЧ із урахуванням ступеня придушення побічних гармонік на виході множників і мінімуму потужності фазових шумів вихідного сигналу;

- провести експериментальну перевірку теоретичних результатів із дослідження впливу низькоенергетичних ЕМП КВЧ діапазону на насіння кукурудзи з метою визначення їхньої вірогідності.

Об'єкт дослідження. Процес взаємодії низькоенергетичних ЕМП КВЧ діапазону з насінням зернових культур.

Предмет дослідження. Технічні системи й елементи електротехнології для передпосівної обробки насіння зернових культур на вкрай високих частотах.

Методи дослідження ґрунтуються на способах розв’язання диференціальних, інтегральних й алгебраїчних рівнянь різного типу; рівняннях електродинаміки; підходах біофізики для опису фізичних процесів, що відбуваються в насінні зернових культур; принципах схемотехнічних розробок пристроїв КВЧ діапазону; статистичній теорії обробки результатів експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що в даній роботі:

- теоретично досліджений процес взаємодії низькоенергетичного випромінювання КВЧ діапазону з насінням зернових культур з урахуванням деформації його форми;

- теоретично обґрунтовано на клітинному рівні вплив низькоенергетичних ЕМП КВЧ діапазону на мембранний потенціал насіння кукурудзи;

- теоретично обґрунтовані кількісні значення параметрів ЕМП для передпосівної обробки насіння зернових культур, з метою стимулювання їх росту й підвищення врожайності;

- одержали подальший розвиток теоретичні дослідження з розробки високостабільних пристроїв, що перебудовуються за частотою, КВЧ діапазону для передпосівної обробки насіння зернових культур.

Практичне значення отриманих результатів полягає в проведенні теоретичних й експериментальних досліджень, які дозволили створити електротехнологію, що базується на пристроях КВЧ діапазону з перебудовою у діапазоні частот 40 - 45 ГГц, нестабільністю частоти 10 -7 і вихідною потужністю 70 мВт, для передпосівної обробки насіння зернових культур.

Застосування низькоенергетичних ЕМП КВЧ діапазону для передпосівної обробки насіння кукурудзи з параметрами: частота 42,2 ГГц, щільність потоку потужності 10 мкВт/см 2, експозиція 10 хв., нестабільність частоти 10 -7 дозволило збільшити проростання на 16 - 20 %, енергію росту – на 13 - 15 %, вміст азоту в зеленій масі кукурудзи – на 2,3 %, фосфору – майже на 0,1 %, урожайність – на 16 - 20 % у порівнянні з контролем.

Результати досліджень впроваджені в господарствах кооперативу "Мрія" Вовчанського району Харківської області. З результатів польових експериментів випливає, що врожайність кукурудзи збільшилася в порівнянні з контролем в 2001 р. на 9,1 ц/га, в 2002 р. - на 18,7 ц/га, а в 2003 р. - на 7,6 ц/га. Розрахунки показують, що застосування низькоенергетичних ЕМП КВЧ діапазону для передпосівної обробки насіння кукурудзи дозволить одержати прибуток у розмірі 55631 грн. на 100 га посівів кукурудзи.

Особистий внесок здобувача в наукові праці, написані у співавторстві, полягає в наступному:

- у роботах [1 - 4] авторові належить розробка математичних моделей з урахуванням електрофізичних параметрів біологічних об'єктів; запропоновані методи розв’язання диференціальних рівнянь, що описують розподіл ЕМП усередині неоднорідних біооб'єктів довільної форми;

- у роботі [5] автором розроблена структурна схема генератора для передпосівної обробки насіння на основі двокільцевого фазового автопідстроювання вихідного генератора, що стабілізується, проведений аналіз флуктуаційних характеристик генератора;

- у роботі [6] автором проведене опромінення насіння кукурудзи низькоенергетичним електромагнітним випромінюванням і проведена статистична обробка отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи заслухувалися й обговорювалися на міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми енергозабезпечення в АПК України" (Харків, ХДТУСГ, 2002 - 2004 рр.); на міжнародних науково-технічних конференціях "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я (Харків, НТУ "ХПІ", 2002 - 2004 р.); міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми електрифікації та автоматизації сільського господарства (Київ, НУУ, 2002 р.); на науково-технічних конференціях в УНДІМЕСГ і ТДАТА (2001 - 2003 рр.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 6 статтях у науково-технічних збірниках.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і трьох додатків. Повний обсяг дисертації складає 157 сторінок, ілюстрації на 20 стор., таблиці на 3 стор., додатки на 10 стор., 129 найменувань використаних літературних джерел на 12 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика дисертації; обґрунтована актуальність теми; розкрита новизна отриманих результатів і їх практичне значення; показаний зв'язок роботи з програмами, планами і темами НДР і ДКР ХНТУСГ; сформульовані мета і задачі досліджень; приведений особистий внесок здобувача в наукових публікаціях; дана інформація щодо апробації результатів дослідження.

Перший розділ пов'язаний з аналізом застосування електромагнітного випромінювання в технологічних процесах сільськогосподарського виробництва.

Головними напрямками в проведених дослідженнях можна вважати передпосівну обробку насіння з метою одержання продукції із запланованими властивостями, стимулювання зростання, підвищення врожайності та стійкості до хвороб; боротьбу зі шкідливими комахами, бур'янами; лікування сільськогосподарських тварин.

Аналіз залежності схожості насіння, енергії проростання, якості й кількості врожаю від параметрів зовнішнього ЕМП показує, що поряд з енергетичною існує й інформаційна взаємодія ЕМП із біосистемами. Досліди, проведені як з рослинами, так і із тваринами, показують, що характер реакцій організмів на електромагнітне випромінювання залежить не тільки від величини електромагнітної енергії, а й від модуляційно-часових параметрів ЕМП.

Застосування низькоенергетичних випромінювань у технологічних процесах рослинництва й тваринництва пов'язане з найменшими витратами енергії при найвищому впливі на інформаційні процеси життєдіяльності біооб'єктів, оскільки основою життя є обмін речовин, енергії, інформації при асиметричній спіральній структурі цих об'єктів на молекулярному рівні.

Як наукові передумови для аналізу обмінних процесів у насінні рослин, що перебувають під впливом зовнішніх ЕМП, використовуються наступні основні положення:

- насіння є складною біокібернетичною системою, різноманіття його станів повинне відповідати різноманіттю зовнішнього середовища;

- досліджуваний об'єкт (насіння) є гнучкою системою, пристосованою до змін зовнішнього середовища.

Для аналізу особливостей впливу зовнішніх ЕМП на насіння рослин варто використати загальні принципи:

- принцип системно-структурної організації об'єкта;

- принцип зворотного зв'язку;

- принципи сенситизації й передачі інформації;

- принцип кодування, зчитування й передачі генної інформації;

- принцип специфічності реакцій організму на різні зовнішні впливи та їхні сполучення.

Особливістю живих організмів як біокібернетичних систем є їхня здатність змінювати тактику й стратегію управління таким чином, щоб оптимально використати сприятливі умови розвитку.

У ряді робіт обговорені механізми впливу ЕМП на біологічні об'єкти. До них варто віднести також припущення щодо синхронізації коливань клітинних структур зовнішнім ЕМП. Синхронізація випромінюванням веде до появи внутрішніх інформаційних сигналів, що впливають на регуляторні системи біооб'єкта. Цей вплив ЕМП носить резонансний характер.

З літературного аналізу витікає, що за взаємодію біооб'єктів з ЕМП відповідає ДНК хромосоми. Це пов'язане з тим, що через вплив ЕМП молекулярні взаємодії не можуть бути абсолютно надійними. Ці помилки відіграють важливу роль при синтезі ДНК, тому що послідовність основ ДНК містить генетичну інформацію клітини. Здатність азотистих основ молекул нуклеїнових кислот "пізнавати" одна одну шляхом не ковалентної взаємодії лежить в основі механізмів спадковості й мутації. Аналіз біофізичної дії ЕМП показує, що для інформаційного впливу на метаболічні процеси в біооб'єктах варто застосовувати електромагнітні випромінювання вкрай високих частот з енергією, що перевищує рівень і нестабільністю частоти джерел КВЧ випромінювання в межах . Проте слід зазначити, що ефективне використання низькоенергетичних ЕМП неможливе без розробки фізико-математичних моделей, що враховують параметри ЕМП та електрофізичні характеристики біооб'єктів, а також без створення високостабільних джерел випромінювання КВЧ діапазону з перебудовою за частотою.

Другий розділ присвячено створенню математичної моделі, метою якої є теоретичне визначення біотропних параметрів низькоенергетичних електромагнітних випромінювань КВЧ діапазону, які стимулюють біоенергетичні процеси, що відбуваються на клітинному рівні.

Для детального дослідження названих процесів необхідне знання характеру розподілу амплітуд електромагнітних полів усередині розглянутих біологічних об'єктів, що саме по собі є досить складним завданням. У тих випадках, коли відмінність біооб'єкту від правильної форми мала, можливе створення математичної моделі, що досить точно описує розподіл у ньому внутрішніх електромагнітних полів.

Розглянуто розв’язання скалярного хвильового рівняння, що описує внутрішні електромагнітні поля в біологічному об'єкті, який дещо відрізняється від правильної форми. У випадку об'єкта, поперечний переріз якого близький до кругового, але має деяку деформацію, можна обмежитися розглядом двовимірної моделі.

Базуючись на виразі (2), вирішена задача розсіювання плоскої електромагнітної хвилі з амплітудою й круговою частотою на зернах кукурудзи. При цьому взята нульова гармоніка падаючого ЕМП і перші три гармоніки поля усередині досліджуваного біологічного об'єкта:

На підставі співвідношень (3) були проведені розрахунки, що дозволили визначити оптимальне значення частоти падаючого електромагнітного поля з погляду його максимального позитивного впливу на проростання насіння кукурудзи, енергію його росту й урожайність.

Результати розрахунків представлені на рис. 1, звідки витікає, що максимальні значення амплітуд електричної складової внутрішнього електромагнітного поля для всіх розглянутих розмірів насіння лежать у діапазоні 41...44 ГГц. Отримані чисельні результати свідчать про те, що рівень впливу зовнішнього електромагнітного поля на насіння кукурудзи з існуючими лінійними розмірами приблизно однаковий у розглянутому частотному діапазоні й може бути прийнятий як орієнтир при проведенні експериментальних досліджень.

На підставі отриманих результатів були проведені теоретичні дослідження біотропних параметрів (потужність і час опромінення) з погляду максимального стимулюючого впливу ЕМП на первинні процеси метаболізму клітин зерен кукурудзи. Із цією метою розглянута задача про дифузію речовини у внутрішню область клітин через їх мембрану.

Ґрунтуючись на тім, що мембрана дуже тонка, процес проникнення речовини через неї описується рівнянням:

Розв'язок рівняння (4) одержано за умови, що насіння кукурудзи перебуває у зовнішньому електромагнітному полі . У цьому випадку вплив електричного поля еквівалентно дії на мембрану деякого еквівалентного заряду. Значний інтерес у даному явищі представляє зміна об’єму клітин і потенціалу на їх мембрані, що стимулює протікання всіх процесів усередині клітини. Зокрема, зміна потенціалу в часі описується наступним виразом:

Отримані формули дозволяють чисельно оцінювати реакцію клітин насіння кукурудзи на вплив зовнішніх електромагнітних полів залежно від їх частоти, амплітуди й часу впливу. Вони дозволяють знаходити як зміну об’єму клітин, що пов'язана з більш активним переносом живильних речовин у їхню середину (рис. 2), так і зміну мембранного потенціалу (рис. 3), що характеризує, з одного боку, активізацію життєвих процесів, а з іншого дає можливість оцінити максимальні значення напруженості електричного поля, що не спричиняють пробій клітини.

У результаті порівняння проведених чисельних розрахунків для різних параметрів, що характеризують поводження клітин зерен кукурудзи під впливом зовнішніх електромагнітних випромінювань, був зроблений висновок про краще використання для їхнього опромінення електромагнітних полів із частотою порядку 42 ГГц і щільністю потоку потужності 8 - 12 . Час опромінення повинен бути порядку 10 - 15 хв.

У третьому розділі розглянуто розробку спеціалізованих джерел КВЧ випромінювання з метою впливу на біологічні об’єкти.

Теоретичні дослідження взаємодії низькоенергетичних ЕМП із насінням кукурудзи показали, що для практичних цілей, пов'язаних з передпосівною обробкою насіння, необхідні джерела з перебудовою у діапазоні частот 40…45 ГГц із нестабільністю частоти й вихідною потужністю до 70 мВт.

Розробка широкодіапазонних джерел КВЧ коливань з високою стабільністю вихідної частоти можлива на основі фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) вихідного автогенератора за частотою високостабільного генератора.

Система ФАПЧ дозволяє сформувати коливання з перебудовою за частотою, з високою стабільністю частоти й поліпшеними спектрально-флуктуаційними характеристиками у порівнянні із прямим множенням частоти.

Математичне розв'язання зазначеної задачі зводиться до визначення оптимальної структурної схеми синхронізованого генератора (СГ) та алгоритмів функціонування окремих його частот, що забезпечують найкраще відношення сигнал/шум на виході системи при заданому значенні дисперсії фази вихідного сигналу, що визначається виразом:

На рис. 4 наведена структурна схема генератора з одним кільцем ФАПЧ.

Тоді, у відповідності до (7), енергетичний спектр генератора, що синхронізується, буде мати вигляд:

Математичний аналіз структурної схеми дозволив визначити оптимальні параметри ; ; ; ; ; коефіцієнт множення множника . Розрахунки показали, що нестабільність СГ для даних параметрів складає для часу виміру с, а відношення потужності сигналу до потужності шумів дорівнює 0,635 ( дБ).

Така схема не може бути використана при створенні стабільного генератора у КВЧ діапазоні при заданому коефіцієнті множення частоти. Тому була розглянута двокільцева система ФАПЧ, функціональна схема якої наведена на рис. 5.

Для структурної схеми (рис. 5) вираз для спектральної потужності фазових флуктуацій генератора КВЧ діапазону (40...45 ГГц) буде визначатися співвідношенням:

, (10)

де – спектральна потужність фазових флуктуацій вихідного генератора; – передавальна функція розімкнутого другого кільця системи ФАПЧ; – спектральна потужність фазових флуктуацій першого кільця ФАПЧ, обумовлена виразом (2); – спектральна потужність фазових флуктуацій множника частоти другого кільця ФАПЧ; – коефіцієнт множення частоти в другому кільці ФАПЧ.

Нестабільність частоти генератора була визначена виразом:

(11)

й оптимізована за коефіцієнтами множення та .

Результати оптимізації представлені в таблиці 1, а залежність нестабільності частоти генератора від часу виміру для джерел у КВЧ діапазоні (40...45 ГГц) на рис. 6.

Залежність нестабільності частоти генератора від часу виміру (рис. 6) отримана для параметрів: с; с; с; с; ; ; рад.

У четвертому розділі наведені параметри розробленого КВЧ пристрою для опромінення біооб'єктів та результати експериментальних досліджень з насінням кукурудзи в лабораторних та виробничих умовах. Відповідно до мети поставленої задачі для джерела НВЧ коливань був розроблений і виготовлений множник частоти з параметрами:

- вхідна частота – 10 Мгц;

- вихідна частота – 100 Мгц;

- коефіцієнт множення – 10; - вхідна напруга на навантаженні 75 Ом – 0,7 В;

- придушення побічних гармонік на виході - 60 дБ;

- потужність вихідного сигналу - 500 мВт.

Для підсилення сигналів у діапазоні частот 3,3...3,8 ГГц був розроблений підсилювач балансового типу. Конструктивно підсилювач складається з двох НВЧ плат, між якими встановлені транзистори

Вхідна плата містить направлені відгалужувачі на гребінчастих мікросмужкових лініях з проміжним екраном та вхідні погоджуючі ланцюги. Вихідна плата містить ланцюги узгодження з навантаженням та направлені відгалужувачі, які підсумовують потужності транзисторів на виході. При (одне плече модуля) на частоті 3,5 ГГц підсилювальний каскад має ; ; к.к.д. = 35 %.

На рис. 7 наведена структурна схема джерела КВЧ коливань.

Генератор працює в діапазоні частот 40...45 ГГц із точністю перебудови . Графік вимірів нестабільності частоти генератора поданий на рис. 8.

З одержаних результатів витікає, що генератор КВЧ коливань забезпечує короткочасну нестабільність частоти не більше , вихідну потужність 70 мВт, нерівномірність амплітудної характеристики складає не більше 2 дБ. Генератор може працювати як від автономного джерела живлення, так і від мережі змінного струму напругою . Споживана потужність генератора 200 Вт.

У дослідженнях з насінням кукурудзи ставилося завдання по вивченню дії ЕМП КВЧ діапазону на первинні процеси метаболізму клітини й цілого організму (схожість, хромосомні аберації, макро- і мікроелементи) з метою уточнення біотропних параметрів ЕМП для впливу на насіння кукурудзи, отриманих теоретичним шляхом.

У досліді повітряно-сухі насіння кукурудзи оброблялися низькоенергетичним КВЧ випромінюванням у діапазоні частот 40...45 ГГц з експозицією 5 хв., 10 хв., 15 хв., щільністю потоку потужності 10 мкВт/см 2, 15 мкВт/см 2, 20 мкВт/см 2 і нестабільністю частоти генератора , .

Як витікає з експериментальних результатів (рис. 9) на частоті 42,2 ГГц відсоток хромосомних перебудов насіння кукурудзи становить 10,7 % за умови нестабільності частоти генератора і був вище результатів при використанні генератора з нестабільністю частоти на 4,2 %.

За умови зміни частоти генератора з нестабільністю частоти на 5 % від оптимальної (42,2 ГГц) було отримане зменшення хромосомних перебудов на 5 % на частоті 41,2 ГГц і на 3,7 % на частоті 43,2 ГГц. Зі зменшенням нестабільності частоти генератора з до збільшення хромосомних перебудов на частоті 41,2 ГГц й 43,2 ГГц було незначним і склало всього 1% у порівнянні з контролем.

При вивченні схожості насіння кукурудзи, що досліджувалася на учбово-дослідній ділянці Харківського національного сільськогосподарського університету кафедрою генетики й селекції, їхню обробку перед посівом проводили ЕМВ в діапазоні частот 41,2...43,2 ГГц. Усього було вивчено 72 варіанта. У кожному варіанті було оброблено по 100 - 150 одиниць насіння.

Польові досліди показали, що обробка насіння кукурудзи КВЧ випромінюванням на частоті 42,2 ГГц із нестабільністю частоти спричиняє збільшення схожості в порівнянні з контролем на 7 % для експозиції 15 хв.; на 6 % для експозиції 10 хв.; на 2 % для експозиції 5 хв. Схожість насіння, обробленого КВЧ випромінюванням на частоті 42,2 ГГц із нестабільністю частоти , вище схожості насіння, обробленого КВЧ випромінюванням з нестабільністю на 17%. Зменшення або збільшення частоти опромінення насіння кукурудзи від частоти 42,2 ГГц спричиняє збільшення схожості відносно контролю всього на 1 % для частоти 41,2 ГГц та 1,8 % на частоті 43,2 ГГц.

На рис. 10 представлені результати дослідження вмісту хлорофілу "а" у листях кукурудзи.

З отриманих даних витікає, що зміст хлорофілу "а" у листях кукурудзи при обробці її насіння КВЧ випромінюванням на частоті 42,2 ГГц із нестабільністю частоти збільшився в порівнянні з контролем на 0,9 мг/г при експозиції 15 хв. і щільністю потоку потужності 15 мкВт/см 2.

При вивченні впливу ЕМВ на вміст азоту й фосфору в проростках кукурудзи було встановлено, що оптимальними параметрами ЕМП для передпосівної обробки насіння кукурудзи являються: частота – 42,2 ГГц, експозиція 10 - 15 хв., щільність потоку потужності 10 мкВт/см 2, нестабільність частоти .

Передпосівна обробка насіння кукурудзи ЕМВ із зазначеними параметрами спричиняє збільшення кількості азоту на 1,9 - 2,1 %, а фосфору – майже на

0,1 % у порівнянні з контролем.

Польові досліди проводилися протягом трьох років з 2002 по 2003 р. у господарстві "Мрія" Вовчанського району Харківської області. З отриманих результатів витікає, що врожайність кукурудзи збільшилася в порівнянні з контролем в 2001 р. на 9,1 ц/га, в 2002 р. – на 18,7 ц/га, в 2003 р. – на 7,6 ц/га. Збільшення врожаю відбулося за рахунок збільшення довжини й діаметра качана та кількості зерен у ряді.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена теоретична й експериментальна задача по обґрунтуванню й розробці низькоенергетичної електромагнітної технології та пристроїв для передпосівної обробки насіння кукурудзи.

Головними підсумками виконаної роботи являються наступні результати.

1. На підставі узагальнення фактичного матеріалу вітчизняних і закордонних наукових публікацій слід зробити висновок, що для підвищення врожайності і якості зернових культур їхнє насіння необхідно обробляти низькоенергетичними (інформаційними) ЕМП, які дозволяють створити ефективну енергозберігаючу й екологічно чисту электротехнологию.

2. Для інформаційного впливу на метаболічні процеси у біооб'єктах необхідно застосовувати високостабільні за частотою ( ) електромагнітні випромінювання вкрай високих частот з енергією, що перевищує рівень .

3. Для встановлення діапазону змін біотропних параметрів ЕМП (частота, щільність потоку потужності та ін.), що використовуються для передпосівної обробки насіння, необхідно спиратись на теоретичні дослідження, пов'язані із процесом взаємодії низькоенергетичних ЕМП КВЧ діапазону з насінням зернових культур на клітинному рівні.

4. Теоретичні дослідження показали, що для передпосівної обробки насіння необхідно використовувати біотропні параметри ЕМП, які лежать у наступних діапазонах: частота – 40...45 ГГц; щільність потоку потужності – 8...12 мкВт/см 2; експозиція – 10...15 хв.

5. Для розробки джерел КВЧ коливань з частотною перебудовою та нестабільністю частоти варто використовувати двокільцеву систему фазового автопідстроювання частоти потужного стабілізованого генератора за еталонним, який працює на частоті 5…10 МГц.

6. Для передпосівної обробки насіння кукурудзи варто застосовувати генератори КВЧ з частотною перебудовою та наступними параметрами: частотний діапазон перебудови 40…45 ГГц; короткочасна нестабільність частоти ( с) – 10 -7; вихідна потужність – 70 мВт.

7. Встановлено, що для стимуляції життєдіяльності насіння кукурудзи їхню передпосівну обробку варто проводити електромагнітним випромінюванням з параметрами: частота – 42,2 ГГц; щільність потоку потужності – ; нестабільність частоти – 10 -7; експозиція 10 хв.

8. Передпосівна обробка насіння низькоенергетичним ЕМВ КВЧ діапазону дозволить збільшити проростання на 16 - 20 %; енергію росту – на 13 - 15 %; врожайність – на 16 - 20 % у порівнянні з контролем.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пиротти А.Е, Черепнев А.С. Решение волновых уравнений для деформированных областей // Питання електрифікації сільського господарства. - Харків: ХДТУСГ. - 1999. - С. 44 - 46.

Проведено розв’язання хвильових рівнянь для біооб’єктів з деформованими ділянками.

2. Пиротти А.Е., Черенков А.Д. Моделирование распределения внутренних электромагнитных полей в деформированных биологических объектах // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - Вып. 99. - С. 130-133.

Розроблена модель деформованого біологічного об’єкта та розглянуто розподіл ЕМП усередині цього об’єкта.

3. Пиротти А.Е., Свергун Ю.Ф. Розподіл електромагнітних полів у деформованих біологічних об'єктах // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2001. - Вип. 1, Т. 19. - С. 11-15.

Розглянута багатошарова модель біологічного об’єкта з деформованою формою та способи аналізу взаємодії ЕМП з такими об’єктами.

4. Пиротти А.Е., Черепнев А.С., Черепнев И.А. Воздействие электромагнитных полей на биологические объекты с размерами меньше длины волны // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства "Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України". - Харків: ХДТУСГ. - 2001. - Вип.. 6. - С. 310 - 314.

Розглянуто процес взаємодії ЕМП з біооб’єктами з метою визначення біотропних параметрів ЕМП для впливу на насіння зернових культур.

5. Пиротти А.Е., Черенков А.Д. Анализ флуктуационных характеристик двухкольцевой системы фазовой автоподстройки частоты стабилизируемого генератора // Електротехніка і Електромеханіка. - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2004. - № 4. - С. 67 - 69.

Проведено аналіз флуктуаційних характеристик генератора КВЧ діапазону, що призначений для передпосівної обробки насіння зернових культур.

6. Пиротти А.Е., Черенков А.Д. Влияние низкоэнергетических электромагнитных полей КВЧ диапазона на содержание азота и фосфора в кукурузе // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства "Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України". - Харків: ХДТУСГ. - 2004. - Вип.. 27. - Т. 1. - С. 204 - 209.

З метою уточнення біотропних параметрів для передпосівної обробки насіння кукурудзи ЕМП проведені польові досліди по вмісту в листях кукурудзи азоту та фосфору.

АНОТАЦІЇ

Піротті О.Є. Обґрунтування та реалізація методів і пристроїв електромагнітної технології для передпосівної обробки насіння на вкрай високих частотах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.16 - електротехнології та електрообладнання в агропромисловому комплексі. - Харківський національний технічний університет сільського господарства ім.. П. Василенка, Харків, 2006.

Дисертація присвячена розв’язанню задачі одержання нових науково обґрунтованих теоретичних та експериментальних результатів, що є істотним для розвитку електромагнітних методів для передпосівної обробки насіння зернових культур. Одним з перспективних напрямків розв’язання цієї задачі є використання низькоенергетичних електромагнітних полів КВЧ діапазону. У результаті розв’язання електродинамічної задачі, пов’язаної із взаємодією ЕМП КВЧ діапазону з насінням зернових культур, були визначені параметри електромагнітних полів для передпосівної обробки насіння кукурудзи: діапазон частот 40 - 45 ГГц; щільність потоку потужності 8 - 12 мкВт/см 2; експозиція 10 - 15 хв. Теоретичні й експериментальні дослідження дозволили створити електротехнологію та джерела КВЧ коливань з перебудовою у діапазоні частот 40 - 45 ГГц та короткочасовою нестабільністю частоти у межах - . Застосування низькоенергетичних ЕМП КВЧ діапазону для передпосівної обробки насіння кукурудзи з параметрами: частота 42,2 ГГц, щільність потоку потужності 10 мкВт/ см 2, експозиція 10 хв., нестабільність частоти генератора дозволило збільшити проростання насіння на 16 - 20 %, енергію росту – на 13 - 15%, вміст азоту у зеленій масі кукурудзи – на 2,1 %, фосфору – на 0,1 %, врожайність на 16 - 20 % у порівнянні з контролем.

Ключові слова: низькоенергетичні електромагнітні поля, біотропні параметри, частота, потужність, експозиція, диференціальні рівняння, насіння кукурудзи.

Пиротти А.Е. Обоснование и реализация методов и устройств электромагнитной технологии для предпосевной обработки семян на крайне высоких частотах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.16 - электротехнологии и электрооборудование в агропромышленном комплексе. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена решению задачи получения новых научно-обоснованных теоретических и экспериментальных результатов, которые являются существенными для развития электромагнитных методов для предпосевной обработки зерновых культур. Разработка низкоэнергетической электротехнологии для предпосевной обработки семян зерновых культур электромагнитным излучением крайне высоких частот позволит повысить их урожайность, качественные характеристики и на этой основе стабилизировать экономик Украины. Учитывая, что с 1992 г. в сельскохозяйственном производстве в 4,5 раза уменьшилось применение минеральных удобрений, в 1,5 - 2 раза способов защиты растений, в результате чего средняя урожайность по Украине снизилась на 20 %, главным направлением по дальнейшему увеличению производства зерна является разработка новых технологий на основе применения электромагнитных излучений. Главным достоинством электротехнологии по обработке семян низкоэнергетическим излучением заключается в возможности улучшения их роста и развития за счет мобилизации внутренних резервов самих семян без химической обработки или методов генной инженерии. Следует отметить, что стимуляция жизнедеятельности семян и растений низкоэнергетическим электромагнитным полем носит информационный характер и зависит от частотных и модуляционно-временных параметров этого излучения. Определение стимулирующих семена биотропных параметров ЭМП требует проведения теоретических и экспериментальных исследований как по взаимодействию внешних ЭМП с семенами зерновых культур, так и по разработке источников КВЧ излучений с низкой нестабильностью частоты. Для определения биотропных параметров ЭМП, которые влияют на качество и количество урожая кукурузы, была разработана математическая модель взаимодействия низкоэнергетических ЭМП КВЧ диапазона с семенами кукурузы. В результате решения электродинамической задачи впервые был определен диапазон параметров ЭМП для предпосевной обработки семян кукурузы: диапазон частот – 40 - 45 ГГц; плотность потока мощности – 8 - 12 мкВт/см 2; экспозиция 10 - 15 мин. Теоретический анализ предложенной модели позволил обосновать параметры, необходимые для разработки высокостабильного и перестраиваемого по частоте КВЧ устройства для предпосевной обработки семян. В процессе исследований было изготовлено КВЧ устройство для предпосевной обработки семян с параметрами: нестабильность частоты – , диапазон перестройки по частоте – 40 - 45 ГГц, выходная мощность – 79 мВт, неравномерность амплитудной характеристики не более 2 дБ, точность перестройки частоты – МГц. Применение низкоэнергетических ЭМП КВЧ диапазона для предпосевной обработки семян кукурузы с параметрами: частота – 42,2 ГГц, плотность потока мощности – 10 мкВт/см 2, экспозиция – 10 мин., нестабильность частоты генератора позволило увеличить прорастание семян на 16 - 20 %, энергию роста на 13 - 15 %, содержание азота в зеленой массе кукурузы – на 2,1 %, фосфора – на 0,1 %, урожайность на 16 - 20 % по сравнению с контролем. Увеличение урожая связано с увеличением длины и диаметра початка кукурузы. Трехгодичные испытания по предпосевной обработке семян кукурузы низкоэнергетическим ЭМП показывают, что прибыль на 100 га посевов может составить до 55631 грн.

Ключевые слова: низкоэнергетические электромагнитные поля, биотропные параметры, частота, мощность, экспозиция, дифференциальные уравнения, семена кукурузы.

Pirotti O.Е. A justification and realization of methods and devices of electromagnetic know-how for preplant treating of grains on extremely high frequencies. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.09.16 - electro know-how and electrical equipment in agriculture. - Kharkiv national engineering university of agriculture by P. Vasilenko, Kharkiv, 2006.

Thesis is dedicated to solution of a problem of new scientifically justified theoretical and experimental results deriving, which one are essential for progressing of electromagnetic methods for preplant treating of grains. One of perspective directions of a solution of this problem is usage of low-energy electromagnetic fields of extremely high frequencies. As a result of a solution of an electrodynamics problem, concerned with interaction of extremely high frequency electromagnetic fields with grains, was determined parameters of electromagnetic fields for preplant treating of corn: a frequency range – 40 - 45 GHz; a power flux density – 8 - 12 mcW/cm 2; an exposure 10 - 15 minutes. Theoretical and experimental researches have allowed to construct electro know-how and sources of an extremely high frequency oscillation with modification in a frequency range of 40 - 45 GHz and short-lived frequency instability in limits - . Usage of low-energy electromagnetic fields of extremely high frequencies for preplant treating of corn with parameters: the frequency – 42,2 GHz, power flux density – 10 mcW/cm 2, exposure – 10 minutes, frequency instability of the oscillator has allowed to increase a germination of corn on 16 - 20 %, energy of growth – on 13 - 15 %, contents of nitrogen in green mass of corn – on 2,1 %, phosphorus – on 0,1 %, productivity – on 16 - 20 % in matching with the control.

Keywords: low-energy electromagnetic fields, biotropic parameters, frequency, power, exposure, differential equations, grain of corn.