Обоснование параметров аппарата для магнитно-импульсной обработки растений

Введение. В последнее время учёные большое внимание уделяют альтернативным методам стимулирования роста и развития растений, среди которых можно отметить применение высокочастотных постоянных и низкочастотных переменных магнитных полей. Многочисленными экспериментальными исследованиями доказано, что низкочастотное магнитное поле с магнитной индукцией, не превышающей несколько десятков миллитесла, оказывает биологическое воздействие на живой организм.

Целью представляемой работы является изучение механизма биологического воздействия на растения низкочастотными магнитными импульсами и лабораторное исследование распределения импульсного магнитного поля, генерируемого блоком управления, разработанным в агроинженерном центре ВИМ.

Результаты и их обсуждение. На основании многолетних опытов доказано, что скорость химических реакций в растениях зависит от солнечной активности, температуры окружающего воздуха, содержания двуокиси углерода, а также от геомагнитного поля земли. Биологические объекты особенно чётко реагируют на относительно слабые магнитные поля, обладающие определенными параметрами (частотой, градиентом, напряжённостью), в связи с чем предполагаемая напряжённость в зоне обработки должна составлять ориентировочно 0,3-5 мТл. При выборе частотного диапазона воздействия принимаются во внимание многочисленные данные, полученные опытным путём на биологических объектах, и теоретические наработки по исследованию основных частотных ритмов, присутствующих в биосфере Земли (например, Шумановский резонанс с частотой 8-16 Гц), и различных циклических, колебательных процессах, происходящих внутри живой материи [1].

В литературе накоплено большое количество материалов по исследованию влияния слабых магнитных полей на жизнедеятельность различных организмов. Исследования по применению магнитных полей продолжаются и в настоящее время. На рисунке 1 представлена классификация электромагнитных полей.

Наибольшей эффективностью, согласно различным источникам, обладают импульсные магнитные поля с напряженностью близкой к геомагнитному полю земли [2, 3]. Одним из критериев нормирования магнитных полей может служить положение статьи 25 Федерального закона «Об охране окружающей природной среды». Отклонение магнитного поля от естественного уровня в большую либо меньшую сторону от диапазона устойчивости оказывает стресс на живой организм (рисунок 2).

В связи с этим появилась актуальная задача в установлении параметров и разработки специальных технических средств МИО растений, позволяющих увеличить объем производства и качество продукции.

Рисунок 1 - Классификация электромагнитных полей

Рисунок 2 - Условная кривая изменений показателей жизнедеятельности организма от интенсивности воздействующего электромагнитного поля

Для решения этих задач во ФНАЦ ВИМ был разработан аппарат магнитно-импульсной обработки растений, который состоит из блока управления, световых излучателей и магнитных индукторов. Предназначен для стимуляции жизненных и ростовых процессов посадочного материала, овощных культур, садовых растений периодической последовательностью импульсов магнитной индукции в низкочастотном диапазоне в нескольких режимах облучения, одно временного дополнительного синхронного облучения импульсами света определенных длин волн оптического диапазона (рисунок 3) [4, 5].

Работа аппарата основана на преобразовании электрической энергии конденсаторного блока в воздействующие факторы - импульсы магнитной индукции и светового излучения [4,5].

Упрощенная блок-схема аппарата магнитно-импульсной обработки растений приведена на рисунке 4.

1                         3                      2

1 - блок управления; 2 - магнитные индукторы: 3 - световые излучатели Рисунок 3 - Электронный прибор магнитно-импульсной обработки растений

12V          гто^Ф

Рисунок 4 - Блок-схема аппарата магнитно-импульсной обработки растений

Технические характеристики электронного блока управления МИО

Технические характеристики
Тип	переносной
Частотный диапазон, Гц	1-100
Скважность излучения	1-100
Вид регулировки частоты, скважности импульсов	плавный
Время нарастания импульсов магнитной индукции, мс	не более 0,2
Время спада импульсов магнитной индукции, мс	не более 3,0
Диапазон временного интервала экспозиции встроенного таймера, с	от 1 до 999
Количество подключаемых световых излучателей, шт,	2
Количество подключаемых индукторов, шт,	3
Рабочая площадь подключаемого индуктора, см2	2140
Питание от сети	50 Гц 220

Блок управления состоит из формирователя импульсов электрического тока (ГНЧ), блока питания (БП), конденсаторного накопителя электрической энергии, твердотельных реле (ТТР) и реле времени (РВ). Блок питания соединен с конденсаторным блоком и блоком управления. Два твердотельных реле от конденсаторного блока через реле времени управ ляют рабочими органами - индукторами и светодиодными прожекторами [6, 7].

Технические характеристики блока управления магнитно-импульсной обработкой растений представлены в таблице.

Рабочие органы блока управления изготовлены в виде трех магнитных индукторов на основе плоской спиральной катушки (рисунок 5).

Рисунок 5 - Индуктор МИО

Индуктор преобразует протекающие через него периодические импульсы тока в импульсы магнитной индукции, излучаемые на растения.

Число импульсов п магнитной индукции в каждой катушке определяется по выражению

71 = V ¹ Т_эксп, где v - выбранная частота импульсов, Гц;

где Т - период следования импульсов, с;

^эксп — ^m ' Ks> где т_т - интервал экспозиции, с;

Ks - количество интервалов экспозиции;

Индуктивность плоской спиральной катушки:

8тт где ш - число витков катушки;

d = (di + d₂)/2 - средний диаметр катушки;

Щ = ^1, где р = r/d [5, 6];

С помощью программы СоіІ32 проведен проверочный расчет индуктивности рабочих органов (рисунок 6).

Для уточнения параметров разработанного индуктора на изготовленном лабораторном стенде проведено измерение распределения импульсного магнитного поля, генерируемого блоком управления. Стенд включает в себя установленные на рабочем столе с координатной сеткой исследуемый индуктор, соединенный с блоком управления.

Рисунок 6 - Вид окна программы СоіІ32 при расчете катушки индуктивности

Измерения проведены с помощью милли-тесламетра портативного универсального замеры импульсного магнитного поля на различных частотах 8, 16, 32 Гц. Измеренное зна-

(ТПУ). Перемещая измерительный зонд милли- чение распределения магнитной индукции в ви-

а - частота следования импульсов 8 Гц; б - частота следования импульсов 16 Гц;

е-частота следования импульсов 32 Гц

Рисунок 7 - Результаты замеров на стенде распределения индукции импульсного магнитного поля, создаваемого индуктором при различных режимах блока управления

Для повышения фотосинтетической активности обрабатываемых растений в качестве дополнительного, синхронного, усиливающего эффект от МИО растений воздействия используются подключаемые к блоку управления переносные светодиодные прожектора мощностью 10 W. Использование для этих целей светодиодов позволяет реализовать возможность управления спектром излучения, воздействующего на растения. Спектральный состав излучения влияет на рост, развитие и физиологию растений, действуя на фоторецепторы (фитохромы, криптохромы и фототропины) (рисунок 8) [8].

4(Ю    445       5(Ю               МЮ 660    71Ю

Діни* кмны, нм

Рисунок 8 - График зависимости фотосинтетической активности растений от светового спектра

Из графика видно, что наибольший эффект на растения оказывают спектры красного и синего цвета. Для максимальной эффективности светового облучения к блоку управления МИО подключаются светодиодные прожектора оптического диапазона 445 Нм и 660 Нм, выполненные в виде плоского герметичного корпуса, закрытого с одной стороны закаленным оптическим стеклом (рисунок 9).

• а - переносной светодиодный прожектор;

• б- распределение светового потока светодиодного прожектора Рисунок 9 - Излучатель света, подключаемый к блоку управления

  Для внедрения новой технологической операции и автоматизации процесса МИО растений во ФНАЦ ВИМ разработан технологический агрегат для магнитно-импульсной обработки растений. Агрегат был представлен на 18-й Российской агропромышленной выставке «Золотая осень-2016» (рисунок 10).

С помощью системы адаптации, в процессе работы, разработанный технологический агрегат в автоматизированном режиме подстраивается к различным агротехнологическим параметрам насаждений [9,10]. Его применение позволит повысить урожайность за счет ускорения роста и развития растений в результате их облучения низкочастотными магнитными импульсами с одновременным дополнительным облучением импульсами света, автоматизировать процесс обработки растений, сократить количество химических обработок, число проходов агрегата, сэкономить топливо и трудовые затраты.

Рисунок 10 - Универсальный технологический адаптер для МИО растений, представленный на выставке «Золотая осень-2016»

Выводы. В результате анализа полученных диаграмм со стендовых испытаний блока управления МИО с индукторами можно сделать вывод, что для достижения максимального эффекта облучения растений низкочастотным импульсным полем с частотой следования им пульсов 8, 16, 32 Гц и мощностью излучения 5 мТл необходимо обеспечить расстояние 50100 мм между рабочими органами и растениями.

Для создания аппаратуры магнитноимпульсной обработки растений, установления оптимальных режимов работы на различных сельскохозяйственных культурах и успешного внедрения данной технологии в промышленное растениеводство необходимо продолжить научные исследования и накопление экспериментальных данных на растительных объектах в полевых условиях.

Применение разработанного аппарата МИО с технологическим агрегатом в сельскохозяйственных производстве позволит повысить урожайность за счет стимуляции обменных процессов на определенных фазах развития растений слабыми низкочастотными импульсными магнитными полями в сочетании с дополнительным облучением импульсами света 445 нм и 660 нм.