close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение эффективности ультрафиолетовой светодиодной облучательной установки для предпосевной обработки семян ели

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Краснолуцкая Мария Геннадьевна
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ
СВЕТОДИОДНОЙ ОБЛУЧАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ
ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ЕЛИ
05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Чебоксары – 2018
2
Работа выполнена на кафедре «Автоматизированный электропривод»
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная
академия» (ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА)
Научный руководитель:
Официальные оппоненты:
.
кандидат технических наук, доцент
Владыкин Иван Ревович
Юферев Леонид Юрьевич
доктор
технических
наук,
доцент,
заведующий отделом электрификации и
энергообеспечения АПК, главный научный
сотрудник Федерального государственного
бюджетного научного учреждения «Федеральный научный агроинженерный центр
ВИМ» (г. Москва)
Мохова Ольга Павловна
кандидат технических наук, доцент, доцент
кафедры
информационных
и
электротехнических систем и технологий
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
образования «Российский государственный
аграрный заочный университет»
(ФГБОУ ВО РГАЗУ)
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
образования «Ижевский государственный
технический университет имени М. Т. Калашникова »
Защита состоится «____»____________2018 года ______ часов на заседании
диссертационного совета Д 220.070.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВО Чувашская ГСХА) по
адресу: 428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, д. 29, ауд. 222. Факс: (8352) 62-23-24,
E-mail: info@academy21.ru.
С авторефератом и диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ
ВО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» и на официальном сайте www.academy21.ru в разделе «Диссертационные советы» от
«____»____________2018 года.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью,
просим направлять ученому секретарю совета по адресу: 428003, г. Чебоксары,
ул. К. Маркса, д. 29, ауд. 222.
Автореферат разослан «____»____________2018 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук
Алатырев
Сергей Сергеевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Человек оказывает на природу как положительное, так и отрицательное воздействие. Примерами негативного влияния
человека на окружающую среду являются вырубки лесов, связанные со строительством магистралей; загрязнение почвы в связи с использованием удобрений и
химикатов; сокращение численности популяций животных из-за расширения
площадей для полей с помощью вырубки лесов вследствие этого животные, лишаются нормальной среды обитания и погибают; сильное изменение человеком
окружающей среды, вызванное уничтожением растений и животных приводит к
сложности адаптации биологических объектов к новой жизни.
Все это вызывает необходимость разработки и применения специальных
мер для сохранения биологических ресурсов Земли. Эти вопросы были рассмотрены в 1992 году на международной Конференции ООН по окружающей среде и
развитию, проходившей в Рио-де-Жанейро, где была принята «Конвенция о биологическом разнообразии». В Российской Федерации основные положения этой
Конвенции отражены в программах «Биологическое разнообразие лесов России»
(1995) и «Леса России» (1997). Для реализации этих программ в Российской Федерации в 2006 г. был принят Лесной кодекс, где отмечается, что для воспроизводства лесов, должны использоваться только сортовые семена.
Существует множество различных способов активации ростовых процессов
семян, в т. ч. таких, которые основаны на природных механизмах, и поэтому не
причиняют вреда здоровью людей и не требуют больших затрат. Например, обработка семян сельскохозяйственных растений ультрафиолетовым (УФ) излучением
дает положительные результаты, заключающиеся в повышении у них всхожести,
сокращении расхода семян и получения дружных всходов. Наиболее распространенные источники УФ излучения являются экологически опасными. УФ облучение (УФО) на базе современных светодиодов мало изучено, хотя они являются
более энергоэффективными, экологически чистыми и т.д. Особенно не исследованы облучение семян ели финской с использованием программируемых логических контроллеров для поддержания требуемой дозы УФО. Хвойные культуры
широко используются для озеленения городов и населенных пунктов. По данным
специалистов, хвойные растения задерживают пыль в 30 раз больше, чем осина, в
12 раз больше, чем береза, а фитонцидов выделяют в 2 раза больше, чем лиственные породы. Поэтому для озеленения городов целесообразно использовать хвойные культуры, которые вечно зеленые, неприхотливые, имеют более длительный,
по сравнению с лиственными растениями, срок жизни и сохраняют свои декоративные свойства круглый год.
Учеными в области электрификации сельскохозяйственного производства
Л.Г. Прищепом, И.Ф. Бородиным, Д.С. Стребковым, Н.Н. Протасовой, И.И. Свентицким, А.К. Лямцовым, А.М. Башиловым, С.А. Растимешиным, Ю.М. Жилинским, В.М. Леманом, Г.С. Сарычевым, А.А. Тихомировым, А.П. Примаком, В.Н.
Карповым, В.П. Шарупичем, С.А. Овчуковой, А.П. Коломийцем, Л.К. Алферовой,
Н.Ф. Кожевниковой, В.А. Козинским, О.А. Косицыным, Н.П. Кондратьевой, Малышевым В.В., R. McCree, P. Mekkel, B. Singh, M. Fischer, J. Bonnet, P. Harris и
другими, проведены исследования, которые доказали эффективность применения
оптического излучения для увеличения показателей растениеводческой продук-
4
ции, сформулированы, обоснованы и предсказаны разнообразные по характеру
новые возможные пути рационального использования электрической энергии при
искусственном облучении растений и семян.
В отношении семян ели финской влияние УФ излучения изучено недостаточно. Поэтому повышение эффективности светодиодной УФ облучательной установки для предпосевной обработки семян ели финской с использованием программируемых логических контроллеров для поддержания требуемой дозы УФО
является актуальной задачей.
Исследования выполнялись в течение пяти лет лично автором в соответствии с отраслевой научно-технической программой № 01201350385 «Исследования
и разработка электротехнологий на предприятиях АПК» проводимой по заказу
Министерства сельского хозяйства и продовольствия Удмуртской Республики.
Цель работы – повышение эффективности светодиодной УФ облучательной установки путем обоснования эффективной дозы ультрафиолетового облучения, позволяющей повысить всхожесть семян.
Объект исследования – семена ели , технические средства УФ облучения
(УФО), установка для УФ облучения семян, технологические параметры облучения.
Предмет исследования – технологический процесс облучения, методика
коррекции времени (дозы) УФО.
Задачи исследования:
1. Провести анализ литературы по применению УФО и облучательных установок
для предпосевной обработки семян.
2. Разработать математические модели в виде уравнений регрессий по влиянию
дозы УФО на всхожесть семян ели финской, на норму высева семян и по определению наиболее эффективной дозы УФО.
3. Разработать методику коррекции времени облучения семян УФ облучательной
установкой.
4. Разработать алгоритм работы и структурную схему микропроцессорной системы автоматического управления (МСАУ) дозой УФ облучения.
5. Провести лабораторные и производственные испытания и выполнить техникоэкономическое обоснование применения светодиодной УФ облучательной для
предпосевной обработки семян ели финской.
Научную новизну работы представляют:
1. Математические модели в виде уравнений регрессий по влиянию дозы УФО
на всхожесть семян ели финской, на норму высева семян. Математическая
модель по определению наиболее эффективной дозы УФО.
2. Методика коррекции времени работы светодиодной УФ облучательной установки для поддержания требуемой дозы облучения.
3. Алгоритм работы и структурная схема микропроцессорной системы автоматического управления (МСАУ) дозой УФ облучения.
Новизна технических решений подтверждена Патентом на изобретение
RUS 2589781 24.09.2014 «Триер с УФ излучателем», Патентом на полезную модель № 150 044(13) U1 «Механизм подъема (опускания) источника излучения
устройства для предпосевной обработки семян», дата опубликования 27.01.2015,
Свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ «Взаимо-
5
связанное управление параметрами микроклимата защищенного грунта» №
2025661513, дата гос.регистрации в Реестре программ для ЭВМ 29 октября 2015 г.
и Свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ №
2016617931 «Программа для системы автоматического регулирования параметров
микроклимата в животноводческих помещениях», дата гос.регистрации в Реестре
программ для ЭВМ 18 июля 2016 г.
Методика исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы математического моделирования с применением программного
обеспечения MS Excel, применялись аналитические и экспериментальные методы
исследования, теоретические основы светотехники, электротехники, методы математической статистики и методы прикладной экономики, а также современная
измерительная аппаратура.
Достоверность результатов исследований подтверждается применением
научно обоснованных методик измерений, проведением исследований с использованием разных методов и сравнением их результатов с известными опытными и
теоретическими данными других авторов. Все эксперименты проводились с применением современных измерительных приборов высокого класса точности на
стабильно - функционирующей установке с качественной воспроизводимостью
опытных данных, обработанных на ЭВМ с применением методов математической
статистики и вычислительных программных средств.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели в виде уравнений регрессий по влиянию дозы УФО на
всхожесть семян ели финской, на норму высева семян. Математическая модель
по определению наиболее эффективной дозы УФО.
2. Методика коррекции времени облучения обрабатываемых семян светодиодной
УФ облучательной установкой для поддержания требуемой дозы облучения с
учетом нестабильности их мощности при включении.
3. Алгоритм работы и структурная схема микропроцессорной системы автоматического управления (МСАУ) дозой УФ облучения.
Практическая ценность работы
1. Энергосберегающая светодиодная УФ облучательная установка с возможностью коррекции времени ее работы для поддержания требуемой дозы УФ облучения, позволяющая повысить всхожесть семян при значительном сокращении потребления электроэнергии по сравнению с ранее используемыми специальными лампами.
2. Конструктивное решение микропроцессорной системы автоматического
управления (МСАУ), аппаратное и программное обеспечение для нее.
3. Результаты диссертационных исследований использованы при проектировании
энергосберегающих экологически чистых, электробезопасных светодиодных
УФ облучательных установок, применяемых в Можгинском лесничестве Удмуртской Республики и в Автономном учреждении Удмуртской Республики
«Удмуртлес».
4. Результаты научной работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВО
Ижевская ГСХА.
6
Реализация результатов исследований.
Результаты проведенных исследований по предпосевной обработке семян УФ
излучением применены в Можгинском лесничестве Удмуртской Республики и в
Автономном учреждении Удмуртской Республики «Удмуртлес».
Апробация основных результатов по теме диссертации.
Результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях
и конкурсах на II Международной научно-практической конференции
«Актуальные вопросы и тенденции развития в современной науке» (Махачкала,
2015); на IV-й Международной научной Интернет-конференции «Биотехнология.
Взгляд в будущее» (Казань, 2015); на XII Всероссийской научно-технической
конференции с международным участием в рамках III Всероссийского светотехнического форума с международным участием. МГУ им. Н. П. Огарева (Саранск,
2015); на VI международной научно - практической конференции «Актуальные
проблемы энергетики АПК» (Саратов, 2015); на конференции Applied Sciences and
technologies in the United States and Europe papers of the 1st International Scientific
Conference. edited by Ludwig Siebenberg; technical editor: Peter Meyer (USA, 2015);
на конференции Yale Review of Education and Science USA, 2015); на конференции Asian Journal of Scientific and Educational Research (Seoul, 2015); на международной научно-практической конференции (посвященной 85-летию ФГБОУ ВО
Чувашская ГСХА) «Научно-образовательная среда как основа развития агропромышленного комплекса и социальной инфраструктуры села» (Чебоксары, 2016);
на VII международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» (Саратов, 2016), на 7 - й Международной научнотехнической конференции молодых ученых и специалистов ФГБНУ ФНАЦ ВИМ
(Москва, 2016); на Международной научно-практической конференции, посвященной памяти ведущего электротехнолога России академика Ивана Фѐдоровича
Бородина (Волгоград, 2016), на II Всероссийской научно-практической конференции (Уфа, 19-20 октября 2016 г ); на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и
переработки продукции сельского хозяйства»: Мосоловские чтения (Йошкар-Ола,
2017): на XII Всероссийской науч.-техн. конференции с международным участием «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» в МГУ им. Н. П. Огарева, (Саранск, 15— 16 марта 2017 г.).
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в 22 печатных работах, в том числе в 4 работах в изданиях,
указанных в «Перечне рецензируемых журналов» Минобразования и науки РФ,
три статьи в иностранных журналах, в двух Патентах РФ и в двух Свидетельствах
о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 164 страницах, содержит 104 рисунка, 49 таблиц. Список литературы
включает 165 наименований, из которых 12 на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.
7
В первой главе «Анализ литературы по применению УФ облучения и
УФ облучательных установок для предпосевной обработки семян» рассмотрены существующие способы предпосевной обработки семян. Рассмотрено физиологическое действие УФ излучения на биологические объекты и положительное воздействие УФ зон УФ-А и УФ-В на семена овощных и зерновых культур.
Приведен анализ существующих УФ облучательных установок для биологических объектов и источников УФ излучения. Анализ источников УФ излучения показал, что раньше использовались экологически опасные ртутные ультрафиолетовые лампы как высокого, так и низкого давления, облучательные установки были громоздки и, вследствие этого дороги и энергоемки. Принимая во
внимание достижения современной светотехнической промышленности необходимо использовать экологические чистые, электробезопасные УФ светодиоды и
на их базе разработать энергоэффективную, компактную, мобильную УФ облучательную установку для предпосевной обработки семян декоративных и древесных
культур. Сформулированы задачи исследования.
Во второй главе «Теоретическое обоснование наиболее эффективной дозы
УФ облучения для предпосевной обработки семян ели финской» приведен
анализ существующих математических моделей, описывающих преобразование
оптического излучения в биологическом объекте, который показал, что многие
ученые, например, Сарычев Г.С., Овчукова С.А., Кондратьева Н.П., Большин Р.Г.
при разработке своих математических моделей опирались на формулу метрики Г.
Минковского. Поэтому для того, чтобы разработать свои математические модели
в виде уравнений регрессий, а также математической модели по определению
наиболее эффективной дозы УФО, воспользовавшись формулой Г. Минковского,
необходимо было вывести зависимости, описывающие всхожесть семян ели финской, изменение нормы высева семян и затрат на реализацию предлагаемых технических решений от дозы УФ обучения.
1) Математическая модель по влиянию дозы УФО на всхожесть
семян ели финской
На основе результатов исследований была построена зависимость всхожести семян ели финской (Всх,%) от дозы УФ обучения (НУФО, кДж/м2), показанная
на рисунке 1. При этом значение всхожести в каждой точке – это среднее арифметическое от группы из 52 семян в 4—х кратной повторности (таблица 1).
Рисунок 1 – Экспериментальная зависимость изменения всхожести семян ели
финской 2 класса качества
от УФ облученности
На основании результатов
экспериментальных исследований нами была найдена зависимость всхожести семян ели
финской (Всх, %) от дозы
УФ обучения (НУФО) методом наименьших квадратов (таблица 1).
8
Таблица 1 - Обработка результатов
Функция y - Всхожесть, %
YСР±∆y
2 опыт 3 опыт 4 опыт Среднее значение
73
78
74
75,00
75±3,44
76
80
79
78,25
78,25±2,72
79
85
81
81,75
81,75±3,98
83
89
84
85,50
85,5±4,21
81
86
83
83,50
83,5±3,31
77
85
79
80,25
80,25±5,41
∆y -доверительный интервал
Продолжение таблицы 1
(YСР-Y)2
Разность YСР-Y
1
2
3
4
1 опыт 2 опыт 3 опыт 4 опыт
сумма
опыт опыт опыт опыт
0,00
2,00
-3,00
1,00
0,00 4,00 9,00 1,00 14,00
0,25
2,25
-1,75
-0,75
0,06 5,06 3,06 0,56
8,75
-0,25
2,75
-3,25
0,75
0,06 7,56 10,56 0,56 18,75
-0,50
2,50
-3,50
1,50
0,25 6,25 12,25 2,25 21,00
-0,50
2,50
-2,50
0,50
0,25 6,25 6,25 0,25 13,00
0,25
3,25
-4,75
1,25
0,06 10,56 22,56 1,56 34,75
Окончание таблицы 1
Относительная поСреднеквадратичная
Доверительный
грешность результата
ошибка среднего
интервал
измерений
арифметического
Sy
1,08
3,436953
4,582604
0,85
2,71715
3,472396
1,25
3,9775
4,865443
1,32
4,20939
4,923264
1,04
3,311931
3,966384
1,70
5,414857
6,747485
Аргумент x Доза, кДж/м2/ 1 опыт
0
75
5
78
8
82
11,88
86
14,52
84
17,16
80
Аргумент x – Доза, кДж/м2
0
5
8
11,88
14,52
17,16
Аргумент x –
Доза, кДж/м2
0
5
8
11,88
14,52
17,16
1)
В таблице 1 приняты следующие обозначения:
Sy- среднеквадратичная ошибка среднего арифметического, равная
, где n – число произведенных измерений.
2)
tСТАНД=3,182 – стандартное значение коэффициента Стьюдента для заданной надежности P=0,95 для числа проведенных измерений n=4;
3)
. - доверительный интервал – стандартная ошибка среднего
значения показывает отклонение текущего значения от среднего, граничные точки доверительного интервала представляют собой предельную погрешность.
4)
тносительная погрешность результата измерений. В расчетах погрешность должна составлять 3…5%.
На рисунке 2 показаны доверительные интервалы для среднего значения
всхожести семян.
Анализ рисунка 2 показывает, что все точки входят в доверительный интервал. Поэтому для расчета теоретической зависимости были взяты средние значения экспериментальных точек, полученных из четырех кратной повторности.
9
Рисунок 2 - Доверительный интервал у
экспериментальных
значений всхожести
В качестве аппроксимирующей зависимости была взята
функция третьей степени вида:
( 1)
параметры которой a, b, c и d находят из условия минимума функции:
После преобразований получаем систему четырех линейных уравнений с
четырьмя неизвестными:
( 2)
Решая систему уравнений (2) находим искомые значения параметров a, b, c
и d, соответственно соблюдая следующий алгоритм.
1. Занесём в таблицу 2 экспериментальные значения Xi и Yi в столбцы А и
В, начиная со второй строки. Вычислим для этих столбцов суммы и записываем
их в 8 строке.
В столбцах C – J разместим соответственно вычисление и суммирование:
2. Под полученной таблицей сформируем матрицу коэффициентов и векторстолбец свободных членов (таблицы 3, 4). Решим систему линейных уравнений по
следующему алгоритму:
3. В блоке ячеек K1:K7 на основе полученных коэффициентов вычислим
значения аппроксимирующего полинома Yi вычисленного; в блоке L1:L7 – отклонения (Dyi = Yi ЭКСП. - Yi ВЫЧ.), в столбце M – невязку (квадратичное отклонение):
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Таблица 2 – Расчет коэффициентов аппроксимирующей функции (1)
А
B
C
D
E
F
G
2
3
4
5
X
Y
X
X
X
X
X6
0
75
0
0
0
0
0
5
78
25
125
625
3125
15625
8
82
64
512
4096
32768
262144
11,88
86
141,1344 1676,677 19918,92 236636,8
2811245
14,52
84
210,8304 3061,257 44449,46 645406,1
9371297
17,16
80
294,4656
5053,03 86709,99
1487943 25533109
Сумма Сумма
Сумма
Сумма
Сумма
Сумма
Сумма
56,56
485
735,4304 10427,96 155799,4
2405879 37993420
Продолжение таблицы 2
H
I
J
K
L
M
2
3
XY
XY
XY
Y выч
Y-Yвыч
(Y-Yвыч)2
0
0
0 74,96205
0,037952
0,00144
390
1950
9750 78,12933
-0,12933
0,016726
656
5248
41984 82,04029
-0,04029
0,001623
1021,68 12137,56 144194,1938 85,43171
0,568288
0,322951
1219,68 17709,75 257145,6223 84,64778
-0,64778
0,419616
1372,8 23557,25 404242,3757 79,78884
0,211155
0,044586
Сумма
Сумма
Сумма
Сумма
Сумма
Сумма
4660,16 60602,56 857316,1917
485
-1,7E-11
0,806944
Примечания:
В ячейке А1 записан аргумент Х, т.. е. доза обучения, НУФО, кДж/м2;
В ячейке B1 записана функция Y, т. е. экспериментально полученные значения, т. е. всхожесть семян, %
В ячейке К1 записано YВЫЧ , т. е. вычисленное теоретически значение функции.
После вычислений получаем следующие значения значение искомых коэффициентов: a=-0,01231; b=0,243771; c=-0,27771 и d=74,96205 и
аппроксимирующее выражение имеет вид; y=-0,012x3+0,244x2-0,278x+74,962 .
Таким образом, используя метод наименьших квадратов, математическая
модель в виде уравнения регрессии по влиянию дозы УФО (НУФО, кДж/м2) на
всхожесть семян (Всх,%):
( 3)
Всх_ели,% =-0,012 (НУФО)3+0,244 (НУФО)2-0,278 (НУФО) +74,962
Ошибка уравнения (3) определяется как:
где N - объем выборки (каждая точка снималась в 4-х кратной повторности,
и в каждой повторности было по 52 семени); n – число коэффициентов регрессии,
включая свободный член; у и у – соответственно значения экспериментальной и
теоретической всхожести, %.
На рисунке 3 показана сходимость экспериментальной и теоретической
кривых.
11
Рисунок 3 - Адекватность
экспериментальной и теоретической кривых
Анализ рисунка 3 показывает, что УФ облучение
семян ели финской дозой
НУФО=12 кДж/м2 повышает
всхожесть семян ели 2 класса
качества до первого, т. е. с
75% до 86%,
2) Математическая модель по влиянию дозы УФО на норму высева семян
В виду того, УФО семян влияет на всхожесть, то изменяется и норма высева
семян (таблица 3).
Таблица 3 – Результаты расчета нормы высева семян от дозы УФО
Доза УФО, кДж/м2
Контроль
5
8
12
14,5
Расчетная норма высева,
г/пог.м
1,8
1,96
1,94
1,77
1,85
Расчетная норма высева семян
для 1 га, кг
72
78
78
72
74
На основании полученных результатов была построена зависимость нормы
высева семян от дозы УФО, изображенная на рис. 4, из которого видно, что наиболее
эффективной
дозе
2
12 кДж/м
соответствует наименьшая норма высева семян.
Рисунок 4 – Изменение нормы
высева семян ели финской в зависимости от величины дозы УФ облучения
Таким образом, математическая зависимость нормы высева
семян ели финской (Нвыс, г/пог.м)
2
от дозы УФ облучения (НУФО, кДж/м ) при изменении дозы от 5 до 14,5 кДж/м2
имеет вид:
Нвыс = 0,00174 (НУФО)3 - 0,04875 (НУФО)2 + 0,401965 (НУФО) +
( 4)
0,950816,
3) Математическая модель по определению наиболее эффективной дозы
УФО.
Величина дозы УФО оказывает влияние на затраты по реализации предлагаемых технических решений (таблица 4).
Таблица 4 –Результаты расчета затрат на приобретение семян для площади 1 га
при использовании УФО
Доза УФО,
кДж/м2
Контроль
5
8
12
14,5
Расчетная всхожесть, %
85
78
82
86
84
Цена 1 кг семян,
руб.
10 000,00
8000
8000
8000
8000
Затраты на семена
для 1 га, руб.
720 000
627 692
622 183
567 000
593 151
12
Математическая зависимость затрат на реализацию предлагаемых технических решений, в. т. ч. и на приобретение семян (ЗУФО, руб.) для площади 1 га от
дозы УФО (НУФО, кДж/м2) при изменении дозы от 5 до 14,5 кДж/м2 имеет вид:
ЗУФО = 572, 5 (НУФО) 3 - 16024,81 (НУФО) 2 + 132614 (НУФО) +
( 5)
293660,7
при коэффициенте детерминации R² = 0,8995
В таблице 5 приведено сравнение затрат на приобретение семян ели финской при использовании УФО семян и без него для площади 1 га.
Таблица 5 - Влияние УФО семян ели финской 2 класса качества на снижение
затрат
Класс
качества
семян
1 класс
2
класс
без УФО
с УФО
3 класс
Всхожесть
семян,
Норма высева на погонный метр
Цена семян за 1
кг,
Всх,
%
85
75
86
60
Н_выс.пог
г/пог. м
1,8
2,34
1,77
3,6
Ц_кг
руб.
10 000
8 000
8 000
6 000
Норма
высева
на 1 га
Н_выс
кг
72
93,6
72
144
Затраты на реализацию предлагаемых
технических решений
на 1 га
З_УФО
тыс. руб.
720 000
748 800
576 000
864 000
Анализ табл. 5 показывает, что УФО семян ели финской 2 класса качества
позволяет повысить их класс качества до первого, что приводит к уменьшению
финансовых затрат на покупку семян для площади 1 га более, чем на 100 тыс. руб.
На основании полученной зависимости и опираясь на формулу Г. Минковского, была предложена математическая модель по определению наиболее эффективной дозы УФО, формула (6):
 ЗУФО

 N РАСТ



1
n




 ЗУФО  f H УФО  


N РАСТ






1
n
( 6)
где n - показатель степени, равный 1, т. к. при УФО семян доминантное место
занимают фотохимические реакции, на которые тратится до 90% энергии УФ излучения;
ЗУФО  f HУФО  - затраты на реализацию предлагаемых технических решений, в. ч. и
на приобретение семян (ЗУФО, руб.) для площади 1 га от дозы УФО (НУФО, кДж/м2
(табл. 4, 5).
NРАСТ - выход стандартного посадочного материала с площади 1 га, равный
1 400 000 растений.
На основании предложенной математической модели (6) рассчитываем затраты на выращивание ста растений ели финской из облученных семян:
Для контроля затраты на выращивание ста растений ели финской первого
класса качества составляют:
1
 ЗУФО

 N РАСТ
1
n



n


720000
 ЗУФО  f H УФО  


 51,43 руб . / раст.

N РАСТ
14000






13
Для семян второго класса качества при дозе 12 кДж/м2:
1
 ЗУФО

 N РАСТ
1
n



n


567000
 ЗУФО  f H 12 _ кДж / кв . м  


 40,54 руб / раст.

N РАСТ
14000






Таким образом, применение УФ облучения дозой 12 кДж/м2 позволяет снизить расходы на одно растение примерно на 20% за счет повышения класса качества семян (рисунок 5).
Рисунок 5 – Изменение расходов на выращивание одного растения ели финской, %
В процессе исследований было установлено, что мощность УФ излучения
светодиодов зависит от температуры их нагрева. Изменение температуры нагрева
и мощности излучения от времени приведены на рисунках 6 и 7.
Рисунок 6 – Изменение температуры нагрева исследуемых УФ светодиодов от
времени
Рисунок 7– Изменения мощности УФ
излучения от времени разогрева исследуемых светодиодов
Математическое выражение кривой нагрева семян описывается степенной
функцией и имеет вид:
Т = 21,725 t0,3408
(7)
При коэффициенте детерминации равном R² = 0,9975 .
Математическое выражение изменения мощности УФ излучения светодиодов от времени включения имеет вид:
РУФ = 1147,5 t0,0154
(8)
При коэффициенте детерминации равном R² = 0,9972
Из рисунка 7 видно, что при включении светодиодов мощности их изменяется от нуля до номинальной за некоторое время. Поэтому в течение этого времени семена получают дозу УФО меньше, чем запланировано. Следовательно, необходимо скорректировать время работы УФ светодиодов для поддержания требуемой дозы облучения. Из рисунка 8 видно, что время коррекции находиться как:
( 9)
14
где
- время работы УФ светодиодов без коррекции дозы;
– дополнительное время, позволяющее поддержать требуемую дозу УФ
в виду нестабильности мощности УФ светодиодов при включении.
Рисунок 8 – Определение времени для коррекции дозы УФ облучения
Для нахождения дополнительного
времени (
) предложена методика коррекция времени работы УФ установки для поддержания требуемой дозы:
1) Определяется требуемая доза УФО при включении светодиодов за время [t0-t1] без
учета их разогрева. В нашем случае доза УФО пропорциональна площади прямоугольника
:
2) Определяется фактическая доза УФО облучения за время [t0-t1] с учетом кривой
изменения мощности УФ светодиодов по формуле (8) и рисунка 7. В нашем случае схематично она пропорциональна площади треугольника
3) Определяется недополученная семенами доза УФО за время [t0-t1]:
4) Определяется дополнительное время [t2-t3] для коррекции недополученной дозы
УФО:
5) Полное время работы УФ установки с учетом коррекции дозы равно;
- установившееся значение мощности УФ излучения.
Расчеты, проведенные по этой методике, показали, что для поддержания
требуемой дозы УФ облучения необходимо увеличить время облучения на 11%..
В третьей главе «Обоснование и разработка технических решений для
реализации УФ облучения семян перед посевом» указывается, что УФ светодиодные (УФ LED) установки для предпосевной обработки семян создавались
нами, начиная с 2010 года.
а)
б)
в)
г)
Рисунок 9 – Расположение УФ светодиодов в облучательной установке
а) расположение УФ LED: б) крепление и пайка УФ LED;
в) включенные УФ LED; г) размеры используемых УФ LED
В 2016 году нами был создан компактный УФ светодиодный облучатель
размерами 50 на 40 мм и высотой 40 мм. Для создания равномерного облучения
15
мы использовали 54 маломощных УФ светодиода, которые соединили в группы
по три штуки (рисунок 9).
Технические данные предлагаемой УФ облучательной установки:
Напряжение питание УФ LED облучательной установки UПИТ=11,98 В;
Напряжение на резисторе UРЕЗ=2,7 В;
Напряжение на трех УФ светодиодах UНА 3 УФ LED=9,3 В;
Напряжение на одном УФ светодиоде UНА 1 УФ LED=3,1 В;
Общий ток от 54 УФ светодиодов IОБЩ=0,13 А;
Общая мощность установки состоящей из 54 УФ светодиодов равна
Приборами ТКА «Радиометр» и тепловизором «FLIR» было измерено УФ
излучение по зонам УФ-А, УФ-В, УФ-С и сняты термограммы. Полученные результаты приведены в таблице 6 и на рисунке 10.
Таблица 6 - Замеры облученности при высоте подвеса 2 см
Диапазон УФ
излучения
УФ-А
УФ-В
УФ-С
Мощность излучения, Вт/м2
11,6
0,432
0,944
Доза УФ,
Дж/м2
12 000,00
446,9
976,55
Время,
с
1 034,48
1 034,48
1 034,48
Время,
мин
17,24
17,24
17,24
Время ,
час
0,29
0,29
0,29
Зв время облучения семена нагревались на 5…7 0С от начальной температуры, т. е. с начальной температуры 22,80С до 260С. При этом максимальная температура нагрева УФ облучателя составила около 420С (рисунок 10).
Рисунок 10 – Термограммы семян и верхней крышки УФ светодиодного облучателя
а) температура семян в начале облучения; б) температура семян к концу облучения; в)
температура на крышке светодиодной УФ облучательной установки к концу облучения;
При облучении семян разных культур необходимо автоматически поддерживать наиболее эффективную для них дозу УФ облучения. Все это реализуется
программируемыми логическими контроллерами (ПЛК). Для этого мы создали
микропроцессорную систему автоматического управления (МСАУ) дозой УФО с
микроконтроллером ATmega328 ввиду того, что он прост в использовании и имеет доступную стоимость в пределах 250…450 руб. Достоинством платы Ардуино
уно (Arduino uno) с вмонтированным в нее микроконтроллером ATmega328 является и удобство написания алгоритма программы на персональном компьютере
(ПК) и удобство загрузки программы в микроконтроллер. ПК управляет микроконтроллером. Программа на ПК написана среде Processing (рисунок 11). В микроконтроллер ATmega328 загружается протокол Firmata для коммуникации между микроконтроллером и программным обеспечением, работающим на компьютере. (рисунок 12).
Компьютер по USB-интерфейсу обменивается данными с платформой
Arduino, все исходные данные находятся в программе, написанной на компьютере
в среде программирования Processing.
16
Рисунок 11 – Фрагмент программы
на языке Processing
Рисунок 12 - МСАУ дозой УФ облучения
1 - плата Arduino uno с вмонтированным в него микроконтроллером ATmega328; 2 - макетная плата с установленными транзисторами;
3-УФ-облучатель; 4- источник питания 12 В.
Для коррекции времени работы УФ светодиодов, а, следовательно, дозы
УФО, использовался датчик марки GY-8511, при помощи которого МСАУ отслеживает изменения мощности УФ излучения.
Для реализации методики коррекции дозы по времени была разработана
МСАУ и написан алгоритм управления микроконтроллером (рисунок 13).
Рисунок 13 - Структурная схема МСАУ дозой и УФ облучатель
Для управления используется плата Arduino uno с вмонтированным в него
микроконтроллером ATmega328, для усиления сигнала применены полевые транзисторы (MOSFET STP16NF06). Транзистор в зависимости от задания, которое
ему передает микроконтроллер, управляет проходящим током и тем самым приводит в работу УФ-облучатель.
Алгоритм работы МСАУ показан на рисунке 14, на который было получено
свидетельство о государственной регистрации программы. Программа представляет собой алгоритм вычисления фактической дозы УФО. В ней прописана зависимость дозы от времени и интенсивности облучения. При снижении потока УФ
излучения программа автоматически вычисляет поправку по времени.
В четвертой главе «Результаты лабораторных и производственных испытаний» говорится, что производственные испытания УФ светодиодных установок проводились в Можгинском лесничестве Удмуртской Республики на семенах ели, туи и сосны с 11 марта 2016 г. по 31 мая 2016 г.
С 15 января 2017 г. по 29 января 2017 г в Автономном учреждении Удмуртской Республики «Удмуртлес» были проведены испытания светодиодной энергоэффективной компактной экологически чистой и электробезопасной УФ облучательной установки на семенах ели финской и сосны обыкновенной. Количествен-
17
ные показатели энергии прорастания и всхожести семян определялись по ГОСТ
13056.6-97 «Семена деревьев и кустарников».
Для анализа от партии отбиралась средняя проба с каждой породы, случайной выборкой взято по 52 штуки семян.
Рисунок 14 – Алгоритм работы МСАУ дозой УФ облучения
Достоверность результатов оценивалась по критерию Стьюдента (t) и составляла 95%, Проращивание семян проводили в чашках Петри (таблицах 7, 8).
Таблица 7 – Исследуемые дозы УФ облучения диапазона УФ-А
Время экспозиции Доза УФ облучения
мин
кДж/м2
Семена ели финской 2 класса качества
18
11,88
22
14,52
26
17,16
Номер
варианта
Контроль
2
3
4
Время экспозиции
Доза УФ облучения
мин
кДж/м2
Смена сосны обыкновенной 3 кл. качества
18
11,88
25
16,5
30
19,8
Таблица 8 – Результаты экспер иментов
Время облучения, Всхожесть, Плесень, Не взошло,
мин
%
%
%
Семена ели финской 2 класса качества
0
62
4
38
18
86
0
14
22
74
6
20
26
80
4
16
Повышение
всхожести, %
+24%
+12%
+18%
Полученные результаты показывают, что излучение зоны УФ-А положительно воздействует на семена ели финской, повышая ее класс качества со 2-го на 1-й,
а разработанная УФ светодиодная облучательная установка является энергоэкономичной, эффективной, экологически чистой и электробезопасной.
В пятой главе «Технико-экономическое обоснование эффективности применения УФ светодиодной установки для облучения семян ели финской»
приведен расчет экономической эффективности методом приведенных затрат
для трех вариантов; первый - контроль: второй - облучение семян лампой ДРТ
400: третий - облучение семян ели финской энергоэффективной, экологически
чистой, электробезопасной УФ светодиодной установкой.
Расчеты показали, что доход от использования УФ обработки семян получается за счет повышения класса качества семян и экономии электроэнергии на
80…90% по сравнению с ртутными лампами ДРТ 400 при сроке окупаемости менее одного года.
18
1.
2.
3.
4.
5.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные выводы и результаты
Анализ литературы показал, что УФ облучение оказывает положительное воздействие на семена овощных и зерновых культур. Наиболее распространенные
источники УФ излучения являются экологически опасными ртутными лампами.
УФО на базе современных светодиодов недостаточно изучено, несмотря на то,
что они являются более энергоэффективными, экологически чистыми, электробезопасными источниками излучения. Особенно не исследовано облучение семян
ели финской с использованием программируемых логических контроллеров для
поддержания требуемой дозы УФ облучения.
Предложены математические зависимости в виде уравнений регрессий по
влиянию дозы УФО на всхожесть семян ели финской, на норму высева семян.
Предложена математическая модель по определению наиболее эффективной
дозы УФО. Исследования, проведенные по полученной математической модели,
показали, что УФО семян снижает расходы на выращивание одного растения
примерно на 20%.. При облучении семян ели финской наиболее эффективной дозой УФ облучения следует принять 12 кДж/м2,
Разработана методика коррекции времени облучения светодиодной УФ облучательной установкой с учетом нестабильности мощности светодиодов в начальный
период работы. Исследования, проведенные по предложенной методике, подтвердили предпосылки об увеличении времени облучения на 11%.
Разработан алгоритм работы и структурная схема микропроцессорной системы
автоматического управления дозой УФ облучения, для неё предложено конструктивное решение, аппаратное и программное обеспечение.
Эксперименты установили, что предлагаемая светодиодная УФ облучательная установка повышает всхожесть семян ели финской с 75% до 86%. Оценка техникоэкономической эффективности показала, что использование УФ светодиодных
облучательных установок позволяет снизить потребление электроэнергии на
80…90% по сравнению с лампами ДРТ 400 при сроке окупаемости менее одного
года.
Перспектива дальнейшей разработки темы заключается в усовершенствовании УФ светодиодной облучательной установки, позволяющей обрабатывать
перед посевом семена туи, сосны и других культур, а также использовать УФ
светодиоды в разноцветных светодиодных установках для облучения рассады.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
В изданиях из перечня ВАК:
1. Краснолуцкая, М. Г. Перспективы использования электротехнологии для повышения посевных качеств семян УФ излучением [Текст] / Н. П. Кондратьева, В. Ю.
Романов, М. Н. Чефранова, Т. В. Нуреева, Д. А. Корепанов, М. Г. Краснолуцкая,
Р. Г. Большин // Известия Международной академии аграрного образования. –
Санкт-Петербург, 2015. – № 24. – С. 10–13. – ISSN 1994-7860.
2. Краснолуцкая, М. Г. Электротехнологии и электрооборудование, обеспечивающие
оптимальный состав фотосинтетически активной радиации для растений защищенного
грунта [Текст] / Н. П. Кондратьева, В. В. Белов, Р. Г. Большин, М. Г. Краснолуцкая //
Известия Международной академии аграрного образования. – Санкт-Петербург, 2015.
– Т. 1. – № 25. – С. 111–114. – ISSN 1994-7860.
19
3. Краснолуцкая, М. Г. Энергоэффективные энергосберегающие светодиодные облучательные установки [Текст] / Н. П. Кондратьева, М. Г. Краснолуцкая, Р. Г. Большин //
Вестник ВИЭСХ. – Москва, 2016. – № 3 (24). – С. 48-53. – ISSN 2304-5868.
4. Краснолуцкая, М. Г. Повышение эффективности светодиодный фитоустановок (LEDфитоустановок) в защищеннои грунте [Текст] / Н. П. Кондратьева, А. П. Коломиец, Р. Г.
Большин, М. Г. Краснолуцкая // Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. – Ижевск. 2016. – № 4 (49). – С. 59–69. – ISSN 1815-5457.
Патенты и Свидетельства
5. Пат. 2589781 Российская Федерация, МПК7 B07B13/02 ; A01C1/00. Триер с УФ излучателем [Текст] / Краснолуцкая М. Г.; заявитель и патентообладатель Ижевская государственная сельскохозяйственная академия. – № 2014138672/03; опубл. 24.09.14. – 3 с. ил.
6. Пат. 150044 Российская Федерация, МПК7 A01C1/00. Механизм подъема (опускания)
источника излучения устройства для предпосевной обработки семян [Текст] / Краснолуцкая М. Г.; заявитель и патентообладатель Поволжский государственный технологический университет. – № 2014132289/13; опубл. 27.01.15. – 3 с. ил.
7. Св-во о гос. рег. программ для ЭВМ 2015661513 Российская Федерация, Взаимосвязанное управление параметрами микроклимата защищенного грунта [Текст] / Краснолуцкая М. Г. заявитель и правообладатель НОУ ДПО «УНИЦ «Омега». – № 2015617389;
заявл. 11.08.15; опубл. 29.10.15. – 3 с. ил.
8. Св-во о гос. рег. программ для ЭВМ 2016617931 Российская Федерация, Программа
для системы автоматического регулирования параметров микроклимата в помещениях
[Текст] / Краснолуцкая М. Г.; заявитель и правообладатель Ижевская государственная
сельскохозяйственная академия. – № 2016617931/16; опубл. 18.06.16. – 3 с. ил.
В других изданиях:
9. Краснолуцкая, М. Г. Возможность использования систем управления интеллектуальными свето- и фитосветильниками [Текст] / С. А Корнев, Р. Г. Большин, М. Г Краснолуцкая, Д. В. Коростелёв // Биотехнология. Взгляд в будущее: IV Международная научная Интернет-конференция: материалы конф. – Казань. 2015. – С. 62–65.
10. Краснолуцкая, М. Г. Энергосберегающие электротехнологии и электрооборудование в
сельском хозяйстве [Текст] / Н. П. Кондратьева, И. Р. Владыкин, И. А. Баранова, М. Г.
Краснолуцкая, Р. Г. Большин // Инновации в сельском хозяйстве. – Москва, 2016. – № 4
(19). – С. 11–16. – ISSN 2304-4926.
11. Краснолуцкая, М. Г. Разработка энергосберегающей мобильной светодиодной УФоблучательной установки для семян [Текст] / М. Г. Краснолуцкая, Р. Г. Большин // Всероссийкая научно-практическая конференция в рамках XVI Российского энергетического форума Башкирский государственный аграрный университет. – Уфа, 2016. – С. 59–
62.
12. Краснолуцкая, М. Г. Энергосберегающая установка для УФ облучения семян перед
посевом [Текст] / Н. П. Кондратьева, Р. Г. Большин, М. Г. Краснолуцкая, Ю. С. Зембеков
// Материалы XII Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием в рамках IV Всеросс.
светотехн. Форум «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники,
электротехники и энергетики». - МГУ им. Н. П. Огарева. — Саранск, 2017. – С. 40—45.
13. Краснолуцкая, М. Г. Светодиодная УФ установка для облучения семян [Текст] / Н. П.
Кондратьева, М. Г. Краснолуцкая, Ю. С. Зембеков, Р. Г. Большин // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования
технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские
чтения» Вып. XIX - Мар. гос. ун-т. — Йошкар-Ола, 2017. – С. 269–271.
14. Krasnolutskaya, M. G. Energy-saving technologies and electric equipment applied in agriculture [Text] / N. P. Kondratieva, I. R. Vladykin, V. M. Litvinova, M. G. Krasnolutskaya, R. G.
Bolshin // Research in Agricultural Electric Engineering. Moscow, 2016. – № 2. – С. 62–68.
20
Подписано в печать 12.01.2018 г.
Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 2. Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ.
426069, г.Ижевск, ул. Студенческая, 7
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа