Исследование электропреобразователей при работе на имитатор нагрузки в виде каскадной схемы растительного объекта

Автор: Гафиев Алмаз Эдуардович, Ляпин Виктор Григорьевич

Журнал: Агротехника и энергообеспечение @agrotech-orel

Рубрика: Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Статья в выпуске: 4 (33), 2021 года.

Бесплатный доступ

Целью статьи является представление биологического объекта в виде каскадной электрической схемы и исследование ее характеристик в прикладной программе ElectronicsWorkbench. Анализ процессов, протекающих в тканях сорняков при электроимпульсном воздействии, приводящем к повреждению внутренней структуры и последующей гибели растения, невозможно провести, располагая информацией лишь о эквивалентной электрической схемы замещения растительной ткани. Поэтому необходимо также иметь представление о количественных показателях электрических компонентов этой схемы и их изменении в процессе электроимпульсного повреждения. Существующие подходы к математическому описанию процессов электрического повреждения растительности, измерения параметров электродов электротехнологических установок и растительных объектов с известными геометрическими характеристиками позволяют определить проводимость, магнитную и диэлектрическую проницаемости всей электродной системы, нагрузки источника электропитания, эквивалентное сопротивление можно рассматривать как пассивный элемент электрической схемы.

Еще

Силовая электроника, растительный объект, электрическое повреждение, электроды, электропреобразователь, напряжение, ток

Короткий адрес: https://sciup.org/147235496

IDR: 147235496

Текст научной статьи Исследование электропреобразователей при работе на имитатор нагрузки в виде каскадной схемы растительного объекта

Применение этих показателей разрабатывается в качестве диагностического метода повреждения растительных объектов. При этом каждый элементарный участок ткани характеризуется величиной комплексного сопротивления полученной исходя из формы, линейных размеров и относительного положения в совокупности других проводников.

Каскадные схемы позволяют объяснить, что резкие и длительные воздействия электромагнитного поля приводят к распространению повреждения вглубь корневой системы растения, травмирует их органоиды и нарушает активность связанных с ними ферментных систем. Вследствие этого интенсивность клеточного дыхания снижается, активируются клеточные протеазы, что приводит к накоплению кислых продуктов протеолиза и снижению рН клеточной среды.

Обладая диэлектрическими свойствами и малой толщиной, клеточные (бислойные липидные) мембраны характеризуются высокой удельной емкостью. Большая емкость мембран, следовательно, и емкостные свойства РО обусловлены поляризационной способностью мембран, зависящей от ее относительной диэлектрической проницаемости. В области низких частот импеданс РО определяется в основном их резистивными свойствами

(проводящие ткани), средних – и резистивными и емкостными свойствами (паренхиматозные ткани), высоких – емкостным характером (мембраны, липиды). На высоких частотах выключаются механизмы поляризации с замедлением времени релаксации, поэтому с повышением частоты емкость РО должна уменьшаться, как и при повышении диэлектрической проницаемости. Замедленные механизмы поляризации в этой области частот могут приводить к значительным диэлектрическим потерям в тканях – нагреванию. Это является доказательством того, что живой РО, в т.ч. и клетку можно представить в виде контура R С , причем С (мембрана) определяется свободно радикальными реакциями и системой антиоксидантной защиты, а R – ферментативным окислением [1…7,8].

Материалы и методы исследования. Вместо двухполюсника при численном моделировании в качестве РО можно ввести элементы RC каскадной (цепной, транспортной) схемы замещения растительной ткани (рис. 1). В аналитическом обзоре отмечено, что пассивные электрические свойства РО характеризуются полным сопротивлением Z или комплексной проводимостью Y . Применение этих показателей разрабатывается в качестве диагностического метода повреждения РО. Моделирование плотности распределения тока по сечению РО проводится путём разбиения биоткани на их совокупное множество, связанных между собой ёмкостными составляющими. При этом каждый элементарный участок ткани характеризуется величиной комплексного сопротивления, полученной исходя из формы, линейных размеров и относительного положения в совокупности других проводников [2…5,8].

R„ См

Рисунок 1 - Каскадная схема замещения ткани РО в ЭМП: R 0 …R n и C 0 …C n – активные и ёмкостные составляющие; i 0 …i n – токи участков при разбиении ткани на локальные зоны; i - ток, протекающий через ткань; О - направление ёмкостных токов в локальных зонах.

Данная схема, представленная на рис.1 является не совсем корректной. При использовании этой схемы замещения расчёты будут приближенными и не точными. В ней не учитываются все составляющие растительного объекта, которые вытекают из его биологического строения.

Для более точных расчётов при численном исследовании растительного объекта следует использовать схему замещения, которая вытекает из ее клеточного строения. Эта модель представляет собой принципиальную электрическую схему, включающую в себя параллельное соединение резистора R2, соответствующего активному сопротивлению межклетника, и ветви, содержащей последовательное соединение активного сопротивления протоплазмы R3 со сложным соединением электрических компонентов мембраны – параллельно включенными емкостью С и активным сопротивлением R1. Такая схема замещения представлена на рис.2. Одним из наиболее часто применяемых и считающихся достоверными способов определения параметров элементов схемы замещения (R1, R2, R3, С) является метод анализа и расчета переходного процесса, протекающего в схеме замещения растительной ткани при подаче сигнала напряжения прямоугольной формы [2,3,5].

Рисунок 2 - Каскадная схема замещения ткани РО в ЭМП: R 1 , R 2 , R 3 - активное сопротивления протоплазмы, межклетника, мембраны и C 1 …C n – ёмкостные составляющие мембраны.

Результаты и их анализ . В учебно-исследовательской практике экспериментальные работы по исследованию параметров РО и почвы выполняются на учебных лабораторных установках и сопровождаются численными исследованиями путём математического моделирования с использованием различных программ, включая EWB.

При численном моделировании в пакете EWB:

-измерительная схема включает двухлучевой осциллограф, вольтметр, амперметр, двухполюсник (растительная ткань) (рис.3);

- исследование РО и почвы проводится по методике исследования электродной системы с РО и почвой при численном моделировании в пакете EWB [2,8].

Рисунок 3 - Расчётная схема замещения при численном моделировании в пакете EWB.

Так как полное сопротивление растительной ткани носит активно-емкостный характер, то форма сигнала измерительного тока на осциллограмме будет отражать собой процесс зарядки-разрядки емкости клеточной мембраны при подаче на растительный образец однополярных импульсов напряжения прямоугольной формы.

Для поврежденной растительной ткани стебля размером 1 см3 значения параметров схемы замещения принимаем: R 1=89,3кОм; R2=16,9кОм; R3=1,7кОм; Сm=270 пФ. Стебель разделен на N количество участков, равное 5. Зависимость напряжения и тока от числа закороченных каскадов схемы замещения растительного объекта представлена в табл.1

Таблица 1. Зависимость напряжения и тока от числа закороченных каскадов

Число закороченных каскадов

0

1

2

3

4

5

U,В

992,3

785,6

574,4

393,7

224,5

126,4

I,мА

246,0

357,3

387,6

403,2

411,2

409,5

При повреждении мембраны около электрода импульсом высокого напряжения емкость мембраны С и сопротивление мембраны R3 уменьшаются, вследствие чего высокий потенциал переходит на следующий участок растительной ткани. При изменении сопротивления мембран изменяется и полное сопротивление участка растительной ткани. Напряжение на участке постепенно уменьшается, а ток возрастает. В момент подачи напряжения на растительную ткань, повреждается та её часть, которая находится ближе к электродной системе. Мембраны разрушаются, уменьшая полный импеданс участка. Данный процесс можно смоделировать в программе Electronics Workbench, закорачивая ёмкость и сопротивление мембраны каждого каскада растительного объекта [2,8,9,10].

Исходя из соединения элементов каждого участка представляем Z в виде:

1 = 1        1

^ = ^ R^^t R1-jXC где R 1-активное сопротивление протоплазмы, кОм;

R 2-активное сопротивление межклетника, кОм;

R 3-активное сопротивление мембраны, кОм;

X c -реактивное сопротивление мембраны, кОм;

Реактивное сопротивление мембраны определяем по формуле:

Хс =

2nfCm   2*3,14*50*270,6*10 —12

= 11763,1 кОм

Где f- частота сети, Гц

C m - емкость, Ф

Подставив наши значения в формулу (1) получаем:

R3(R2 +

Z =------

R i (-jxc ) . R i -jxc )

16.9(1.7 +

89.3(-;11763.1)

R3 + R2 +

R i (-jxc ) R i -jxc

1.7 + 16.9 +

Значение импеданса для участка размером в 1 см 3 равно:

Z = VRTx2 = V14.252 + 0.01662 = 14.25 кОм

89.3 -/11763.1        _   .

89.3(-;11763.1) = 14,25 —V"0-0166

89.3 -;11763.1

Для оценки степени повреждения растительной ткани, мы предлагаем ввести

безразмерную величину Sро (степень повреждения растительного объекта). Эту величину можно определить как отношение полного импеданса растительной ткани после повреждения Zпк значению импеданса до выражение имеет вид [2,8]:

повреждения воздействием ЭМП Z д . Данное

S ро

пк zg;

Значение полного импеданса растительной ткани до и после повреждения Z пк

Zд = 14.25 кОм , Zпк = 3,14 кОм

Тогда

S ро

Z пк    3,14

Z д

14,25

= 0,22

Если это значение равно 1, то никакого негативного воздействия ЭМП на растительность оказано не было. Если же значение S ро меньше 1, то растение находится в фазе разрушения. Чем меньше значение Spo, тем сильнее воздействие ЭМП на БО [2,8].

Таким образом, можно сделать вывод о том, что используя компьютерную программу и численный метод расчета можно смоделировать воздействие электрического тока, на растительный объект и проследить характеристику изменения электрических величин.

Вывод: Сравнивая две каскадные схемы, изображенные на рис.1 и рис.2 можно сказать, что вторая является более полноценной и расширенной, несет больше информации в исследовательский процесс изучаемого. В ней учитываются все составляющие растительного объекта, которые вытекают из его биологического строения. В связи с этим, при исследованиях биологического объекта, как двухполюсника и использовании численных методов расчета, результаты будут максимально приближенными к реальным (экспериментальным) значениям, а также отклонения в полученных величинах будут незначительными по сравнению с первой схемой замещения.

Москва, ул. Тимирязевская, 49.

Список литературы Исследование электропреобразователей при работе на имитатор нагрузки в виде каскадной схемы растительного объекта

  • Гафиев, А.Э. Электронизация мобильных электротехнологических машин и установок электрического повреждения нежелательной растительности/А.Э. Гафиев, В.Г. Ляпин, М.М. Прокофьев, В.К. Куликов//Биотехнические, медицинские и экологические системы, измерительные устройства и робототехнические комплексы - Биомедсистемы-2020 [текст]: сб. тр. XXXIII Всерос. науч.-техн. конф. студ., мол. ученых и спец., 9-11 декабря 2020 г. / под общ. ред. В.И. Жулева. - Рязань: ИП Коняхин А.В. (Book Jet), 2020. - С. 51-55.
  • Ляпин, В.Г. Оборудование и энергосберегающая электротехнология борьбы с нежелательной растительностью/В.Г. Ляпин; Новосиб. гос. аграр. ун-т. - 2-е изд. перераб. и доп. - Новосибирск, 2012. - 366 с.
  • Ляпин, В.Г. Определение электрических параметров растительных и почвенных объектов как активно-емкостных двухполюсников/В.Г. Ляпин, М.В. Самохвалов//Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. Т. 67. N4(41). - С. 125-136.
  • Ляпин, В.Г. Принципы проектирования электропреобразователей мобильных электротехнологических машин/В.Г. Ляпин, М.М. Мартынов//Доклады ТСХА: Сборник статей. Вып. 290. Ч. II. - М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2018. - С. 189-191.
  • Ляпин, В.Г. Принципы проектирования электродных систем и электропреобразователей мобильных электротехнологических машин/В.Г. Ляпин, М.М. Мартынов, Д.В. Морокин//Инновации в сельском хозяйстве, 2018, №2. - С. 84-90.
  • Ляпин, В.Г. Развитие средств моделирования источников электропитания для инфокоммуникаций и электротехнологий/В.Г. Ляпин, И.И. Зотов//Предупреждение. Спасение. Помощь. Сб. материалов XXVII Междунар. науч.-практ. конф., 16 марта 2017 г. Секция 18. Направления развития инфокоммуникационных технологий и систем оповещения РСЧС и ГО. - Химки: ФГБВОУ ВО АГЗ МЧС России, 2017. - С. 43-46.
  • Ляпин, В.Г. Современные проблемы электроэнергетики: методические указания / В.Г. Ляпин. -М.: ООО "Реарт", 2018. -85 с.
  • Соболев, А.В. Основы теории электрических цепей (учебное пособие) / А.В. Соболев, Е.Д. Григорьева, В.Г. Ляпин - Химки: ФГБОУ ВО АГЗ МЧС России, 2016 -176 с.
  • Топорков, В.Н. Электроимпульсная установка для борьбы с сорняками/В.Н. Топорков, В.А. Королев. - М.: ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2017. - 132 с.
  • Юдаев, И.В. Электроимпульсный пропольщик: обоснование проектного конструкторского решения: монография/Ю.В. Юдаев. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - 224 с.
Еще
Статья научная