Введение
Объект исследования – лабораторный СВЧ-излучатель. Предмет исследования - воздействие СВЧ-излучения на семена сорной растительности. Цель работы - улучшение качества технологической операции – альтернативный метод борьбы с сорной растительностью воздействием потока электромагнитной энергии (ЭМЭ) сверхвысокой частоты (СВЧ), который способен обеспечить выполнение агротехнических требований к обработке почвы и повысить урожайность выращиваемых культур. Задачи исследования: Обосновать устройство и процесс работы СВЧ-излучателя; Провести лабораторные исследования и составить журнал экспериментов; Составить корреляционно-регрессионный анализ модели; Основные технологических параметров излучателя. Известны два подхода к использованию СВЧ-энергии в борьбе с сорной растительность (СР): летальное угнетение жизнедеятельности СР (диэлектрический нагрев до температуры их гибели), стимуляция прорастания СР и их семян с целью их последующего механического уничтожения [1]. СВЧ-излучатель применяется совместно с малогабаритной техникой [2]. Устройство используют как до посева, так и после уборки урожая. Используя электрическую энергию для борьбы с сорняками, следует выделить основополагающие этапы: уничтожение всходов и уничтожение взрослых сорняков и их корневищ. У метода сверхвысокочастотных излучений (СВЧ) есть ряд преимуществ: на химический состав почвы не оказывает негативных последствий при использовании, не загрязняет окружающую среду и безопасен для последующей культуры севооборота. СВЧ–метод менее опасен для микрофлоры почвы так как хорошо управляем. Его можно использовать до посевов или после уборки урожая. Термическое уничтожение семян сорняков, требует более высоких затрат энергии – 1500…8000 кВт. /(ч/га). Глубина воздействия на семена в почве СВЧ-энергией не превышает 10 см [3]. СВЧ-излучатель состоит из купол – 1, короб – 2, вентилятор – 3, магнетрон – 4, трансформатор – 5, предохранитель – 6, высоковольтный диод – 7, высоковольтный конденсатор – 8, крепеж – 9, тележка – 10. На куполе 1 размещен короб 2 и установлены трансформатор 4 заземленный на короб 2 и подключенный к блоку управления, высоковольтный конденсатор 8, предохранитель 6, подключенный к высоковольтному конденсатору 8 и трансформатору 4. Высоковольтный диод 7 подключен к высоковольтному конденсатору 8 и выход заземлен к коробу 2. Магнетрон 4 присоединен к куполу 1 и подключен к трансформатору 5. Крепеж 9 присоединена к куполу 1.
Методология
1 - купол; 2 – короб; 3 – вентилятор; 4 – магнетрон; 5 – трансформатор: 6 – предохранитель; 7 - высоковольтный диод; 8 - высоковольтный конденсатор; 9 – крепеж; 10 - тележка Рисунок 1 – Схема СВЧ-излучателя Установлено, что с повышением температуры воздействия на почву снижается жизнеспособность растительных материалов, находящихся в почве, путем выпаривания молекул воды в семенах или сорняках растений [4]. Работа устройства для уничтожения сорных растений, заключается в формировании пучков СВЧ-излучения, направленных на растительные материалы, используется СВЧ-генератор (магнетрон), подключенный к трансформатору, напряжение 220 вольт подается на первичную обмотку, далее высокое напряжение подается на схему удвоения напряжения, собранную на высоковольтных элементах: высоковольтный диод и конденсатор. Конденсатор имеет сопротивление номиналом от 1 до 10 МОм и нужен для того, чтобы обеспечивать разряд конденсатора при выключенном устройстве. Предохранительный диод служит для защиты трансформатора от перегрева в случае замыкания в магнетроне или чрезмерном повышении напряжения на конденсаторе [5]. СВЧ-излучатель для борьбы с сорной растительностью работает на основе принципа микроволнового облучения. Он генерирует высокочастотные электромагнитные волны, которые передаются на поверхность почвы. Эти волны проникают в почву на глубину нескольких сантиметров и нагревают корни сорняков до температуры, которая убивает их. Излучение фокусируется на сорной растительности благодаря куполу конусной формы. Молекулы воды сорной растительности под действием СВЧ – излучения выпариваются и тем самым растительный материал погибает [6]. Для нормальной работы и удовлетворения эксплуатационных требований нужно учитывать влияния предпосевной СВЧ-обработки почвы на засоренность посевов; основные параметры потока ЭМИ и возможных механизмов их влияния на биологические системы и энергетическую эффективность метода на почву и растения. Средств контроля и оптимизации потоков СВЧ-энергии в мобильных СВЧ-установках и анализ амплитудной и поляризационной пространственной структуры потоков ЭМИ при его вводе в почву. При поведении лабораторных экспериментов был составлен журнал (таблица 1). Полученные данные обрабатывались соответствующим образом статистически с применением программных комплексов [6].
Результаты
Таблица 1 – Журнал экспериментов № Высота излучателя h, см Время обработки t, с Температура почвы до обработки T, С Температура почвы после обработки T, С Влажность до обработки, % Влажность после обработки, % 1 47 300 11, 3 30 25 20 2 40 300 13, 4 36 25 15 3 40 300 15 41 25 15 4 20 300 15 45 25 10 5 10 60 12 60 30 10 6 10 30 12 54 30 10 7 5 30 13 70 30 10 8 5 60 13,5 85 60 15 9 5 30 13 80 60 20 Используя данные из журнала, составим корреляционно-регрессионный анализ модели исследований. Корреляционный анализ позволит отбросить ненужные факторы (таблица 2) [7]. Таблица 2 - Корреляционный анализ X X1 X2 X3 X4 Y Высота излучателя h, см: X 1,00 0,90 -0,61 0,04 -0,90 0,41 Время обработки t, с: X1 0,90 1,00 -0,60 0,36 -0,85 0,25 Температура почвы до обработки T, С: X2 -0,61 -0,60 1,00 0,06 0,86 0,40 Температура почвы после обработки T, С: X3 0,04 0,36 0,06 1,00 0,05 -0,10 Влажность до обработки, %: X4 -0,90 -0,85 0,86 0,05 1,00 -0,06 Влажность после обработки, %: Y 0,41 0,25 0,40 -0,10 -0,06 1,00 Вывод: Сильная корреляция между факторными переменными X1 и X4, нужно исключить из расчета одну из них. Исключим X4 т.к. слабая связи с Y. Слабая корреляция между X1 и Y. Исключаем из выражения X1 [8]. Используя регрессионный анализ можно выявить правильность выбранной модели (рисунок 2). Рисунок 2 – Регрессионный анализ R-квадрат является одним из основных показателей. В нем указывается качество модели. В нашем случае данный коэффициент равен 0,74 или около 74,4 %. Это хороший уровень качества. Если бы было менее 0,5, то зависимость считалось бы плохой. Значение P показывает, шанс ошибки выбранных факторов при связи с Y. Пример: время обработки t, с. P-Значение = 0,02 или 2 % что выбранный фактор не связан с Y [9]. Значимость F оценивает всю регрессионную модель, и чем он ниже, тем лучше: F=0,06 [10]. Выбранные значимые факторы, Y расчет и ошибка модели показаны в таблице 3. Таблица 3 - Факторы, Y расчет и ошибка модели Время обработки t, с Температура почвы до обработки T, С Влажность до обработки, % Y: Влажность после обработки, % Y Расчет Ошибка 300 11,3 25 20 19,1 4,7% 300 13,4 25 15 15,4 2,4% 300 15 25 15 12,5 16,4% 300 15 25 10 12,5 25,5% 60 12 30 10 11,4 14,4% 30 12 30 10 10,4 4,5% 30 13 30 10 8,7 13,1% 60 13,5 60 15 18,0 19,7% 30 13,5 60 20 17,0 15,2% Уравнение регрессии и коэффициенты статистически значимы. Среднее значение ошибки – 12 %, минимальная ошибка – 2,4 %, максимальная ошибка – 25,5 %. Основным технологическим параметром, характеризующим процесс угнетения семян сорной растительности электромагнитным полем СВЧ, является летальная доза облучения (Дл).
Результаты
Выбранные значимые факторы, Y расчет и ошибка модели показаны в таблице 3. Таблица 3 - Факторы, Y расчет и ошибка модели Время обработки t, с Температура почвы до обработки T, С Влажность до обработки, % Y: Влажность после обработки, % Y Расчет Ошибка 300 11,3 25 20 19,1 4,7% 300 13,4 25 15 15,4 2,4% 300 15 25 15 12,5 16,4% 300 15 25 10 12,5 25,5% 60 12 30 10 11,4 14,4% 30 12 30 10 10,4 4,5% 30 13 30 10 8,7 13,1% 60 13,5 60 15 18,0 19,7% 30 13,5 60 20 17,0 15,2% .
Обсуждение
Уравнение регрессии и коэффициенты статистически значимы. Среднее значение ошибки – 12 %, минимальная ошибка – 2,4 %, максимальная ошибка – 25,5 %. Основным технологическим параметром, характеризующим процесс угнетения семян сорной растительности электромагнитным полем СВЧ, является летальная доза облучения (Дл). Дл=PtminS∙h; (1) где Р – мощность СВЧ-излучения, Вт; S – площадь облучаемого участка поверхности почвы, м2; tmin – минимальное время экспозиции, с; h – глубина излучения в почву. Согласно разработанной модели угнетения семян сорной растительности tmin=1Bbln (1+Bb∙eA-B∙To1+bb1 ); (2) где b1 – скорость охлаждения почвы. К/с; b – скорость повышения температуры биообъекта, К/с; A, B – коэффициенты, учитывающие биологические особенности растительной ткани; To – начальная температура биообъекта, К. Скорость повышения температуры биообъекта может быть определена из соотношения b=kc∙d//∙V∙x∙E2e-α∙Zδ; (3) где c - удельная теплоемкость биообъекта, Дж/кг*К; d - плотность биообъекта, кг/м; E - амплитуда электрического вектора ЭМВ, В/м; x - частота ЭМВ, Гц; // - мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости биообъекта; - коэффициент затухания ЭМВ в почве, 1/м; Zδ - глубина залегания биообъекта, м; V - коэффициент прохождения ЭМВ в почву по мощности;
Обсуждение
k - коэффициент пропорциональности. Таким образом, как следует из формул с увеличением коэффициента прохождения V, снижаются минимальное время экспозиции, доза облучения, обеспечивающая летальный эффект, и увеличивается производительность. Кроме того, с увеличением коэффициента прохождения V уменьшается амплитуда отраженной от почвы ЭМВ, что облегчает режим работы генератора СВЧ и увеличивает надежность СВЧ-установки. Следовательно, одним из решений задачи повышения эффективности СВЧ-установки является повышение коэффициента прохождения V, характеризующего энергетику процесса прохождения ЭМВ в почву.
Выводы
Следующим этапом исследований является проведение обработки растений в тепличном хозяйстве кафедры ТТМиК ФГБОУ ВО Тверская ГСХА