CC BY
52
УДК 631.348.8+58.08:621.3.06 В.Г. Ляпин, Д.В. Морокин, Е.В. Цуркин
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДНОЙ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Статья посвящена исследованиям электромагнитных процессов в системе электрод-воздух-растительность-почва. Рассмотрено методическое обеспечение исследовательских работ по электрическим свойствам растений в лабораторных и полевых условиях. Почвенный канал, вегетационноклиматическая камера, аппаратура для исследования мобильных электротехнологических установок позволяют проводить измерения характеристик электродных систем, изучать реакцию растений под действием электромагнитных полей.
Ключевые слова: мобильные электротехнологические установки, растения, электромагнитное поле, электродная система, почвенный канал, вегетационно-климатическая камера.
V.G. Lyapin, D.V. Morokin, E.V. Tsurkin
DIFFERENTIAL AND INTEGRAL CHARACTERISTICS OF ELECTRODE SYSTEM INTHE MOBILE ELECTRIC
AND TECHNOLOGICAL INSTALLATIONS
The article is devoted tothe electromagnetic processresearchin the electrode-air-vegetation-soilsystem. Methodological supportforthe plantelectric property researchin the laboratory and field conditions is considered. Soil box, growth chamber, equipment for the mobile electric and technological installationresearch allow to measure the electrode systemcharacteristics and to study plantreaction under the electromagnetic fieldinfluence.
Key words: mobile electric and technological installations, plants, electromagnetic field, electrode system, soil box, growth chamber.
Выполняя электротехнологическую операцию при возделывании сельскохозяйственных культур, необходимо учитывать особенности функционирования мобильной электротехнологической установки (ЭТУ) -вероятностно-статистический характер внешних воздействий, обусловленный многочисленными и разнообразными, непрерывно изменяющимися во времени факторами, изменения электрофизических свойств почвы, растительности и условий внешней среды, нестабильность электротехнологического процесса, неровность поверхности почвы, колебания скорости и нагрузочного режима ЭТУ, износ электродной системы (ЭС) и др. В [1-5] имеются результаты исследований электромагнитных свойств биологических, почвенных, воздушных, конструкционных сред на различных частотах и напряжениях, а также в областях физики электромагнитных процессов, методов расчета ЭТУ и их конструкций. С позиции законов и уравнений электромагнитных полей (ЭМП) любая материальная среда может рассматриваться как объект, состоящий из совокупности электрических, магнитных, механических и других компонентов, обеспечивающих существование эМп и обуславливающих возможность преобразования электрической и другой видов энергии. Это относится к растительным объектам (РО), почвенной среде и конструктивным элементам ЭТУ.
Расчеты параметров ЭТУ (рис. 1-2) связаны с исследованием ЭМП в объеме между электродами с учетом специфики геометрии и физических свойств межэлектродного промежутка. При строгом подходе эта задача не имеет точного аналитического решения. При ее постановке обычно принимают определенные гипотезы, концепции и вытекающие из них допущения, которые позволяют приближенно описывать распределение ЭМП в объеме между электродами. Для описания этого ЭМП необходимо представление об этом поле и всех компонентах ЭС, а для разработки и оптимизации ЭТУ, адекватного управления электротехноло-гическим процессом необходимо иметь достоверную информацию о структуре ЭМП ЭС и распределении в нём основных параметров. Свойства этих компонентов являются важнейшими их характеристиками, определяются внешними воздействующими факторами, структурой, химическим составом и связанными с ними электрофизическими процессами и определяют возможность воздействия ЭМП на них с целью изменения их свойств.
17G
Рис. 1. К особенностям технологии электрического повреждения растений
ИЭЭ
ДВС +(ЭГ У ЭП "*-!іт р* Р* рп
—
1 і! 1 - ’
Система Регулятор
управле- напряжения
ния ДВС и частоты
бсду
(ГдУ.Хду)
ТТ7
1 2 3
ОЭМ
(гОМ, Хом )
ЭС
(Гэс, Хэс)
Рис. 2. Структурная схема мобильной ЭТУ: ДВС - двигатель внутреннего сгорания; ИЭЭ - источник электрической энергии; ЭГ - электрический генератор; ЭП - электропреобразователь; БСДУ - бортовая система диагностики и управления; ОЭМ - отбор электрической мощности; ЭС - электродная система
3
1
В общем случае ЭМП ЭС описываются полной системой уравнений Максвелла, которую записывают в дифференциальной и интегральной форме. Электромагнитные явления, происходящие в ЭТУ, определяются процессами в окружающих средах (растительность, почва, воздух, конструктивные элементы ЭТУ), в которых распространяется ЭМП, характеризуемое векторами электрической Е и магнитной Н напряженностей. Процессы в ЭМП описывают в макроскопическом понимании уравнениями Максвелла, представляющими собой обобщение законов Ампера, Фарадея, Гаусса (в табл. 1 сведены уравнения Максвелла).
Таблица 1
Интерпретация уравнений Максвелла
Форма уравнения Физическая интерпретация
Дифференциальная Интегральная
, .i дІ q 1. rotH і hS Dt г • • г дІ і Hdl і і (— + 5)dS L S д Вихревое магнитное поле возбуждается изменяющимся во времени электрическим полем, токами проводимости и переноса, а также токами от сторонних источников
2. rotE і дt і Ed. і-і—dS І І д Изменяющееся во времени магнитное поле возбуждает вихревое электрическое поле
3. divІ і qF і ІdS і q S Источники электрического поля расположены в местах нахождения электрических зарядов. Статическое электрическое поле возбуждается неизменными во времени зарядами
4. divB 10 І B dS і 0 S Магнитное поле всегда является вихревым, а его силовые линии всегда замкнуты. Магнитное поле не имеет источников силовых линий
ЭМП ЭТУ является носителем энергии, которая для биологического, почвенного, воздушного или конструкционного объема V (рис. 1) имеет значение
Wэм =\^E-dV + pf-dV
V V
где £a=£r-£o и ja=jrj0 - абсолютные электрическая и магнитная проницаемости среды;
£г, Jr- относительные электрическая и магнитная проницаемости среды;
£о = 8,854-10-12 Ф/м; jo = 1,257-10-6 Гн/м - электрическая и магнитная проницаемости вакуума.
В общем случае электромагнитные свойства РО, почвы, воздуха, конструктивных элементов ЭТУ учитывают в уравнениях Максвелла определяемыми из опыта значениями удельной объемной электропроводности у, электрической £ и магнитной j проницаемостей в соответствии с уравнениями
S = $, D = еаЁ, В = ,
где S - плотность электрического тока проводимости;
D и В - вектора индукции электрического и магнитного полей.
Для описания ЭМП ЭтУ в биологических, почвенных, воздушных, конструкционных средах, когда имеют место процессы поляризации и намагничивания, кроме напряженности электрического поля и магнитной индукции вводят еще две характеристики ЭМП: электрическую индукцию (смещение) D(r, t) и напряженность магнитного поля H(r, t):
D(r, t) = sr8o E(r, t), (1)
цгроH(r, t) = B(r, t) . (2)
В случае изотропной однородной среды sr(r) = const, jr(r) = const. Если Sr и jr не зависят от E и B, то соотношения 1 и 2 являются линейными, а среда называется линейной относительно процессов поляризации или намагничивания. При изменении E и B во времени в общем случае с мобильными ЭТУ проявляется инерционность процессов поляризации и намагничивания. Если E и B меняются во времени по
гармоническому закону с круговой частотой ш, то можно воспользоваться комплексной формой представле-
ния sr и jr:
Sr(]ш)=Sr^)\exp(j-argsr), Jr№)=Jr^)\exp(j-argjr),
где j - мнимая единица;
argsr - угол электрических потерь;
argj r - угол магнитных потерь.
Теория ЭМП ЭС мобильных ЭТУ основывается на уравнениях Максвелла:
SD - SB
rotH =--------ъ S , rotE =-------------, divB = 0, divD = qv,
St np' St V
где цу - объемная плотность свободных электрических зарядов.
Эта система уравнений дополняется материальными уравнениями:
Г) = £г£0Ё, ^0Н = В, ёпр =ЛЁ + Ёст).
На границе раздела двух сред (биологической, почвенной, воздушной, конструкционной) выполняются граничные условия:
йп2 - йп1 = Цэ , Вп1 = Вп2, Ец = Е&, [п, Н2 - Н]= /э,
где п - нормаль к поверхности раздела, проведенная из среды 1 в среду 2; цэ - поверхностная плотность свободных электрических зарядов;
/э - поверхностная плотность тока;
Е, - тангенциальная составляющая вектора Е на границе раздела; йп и Вп - нормальные составляющие векторов Г) и В на границе раздела; нижние индексы 1 и 2 у компонент векторов указывают на то, к какой из сред (1 или 2) относится рассматриваемая характеристика на границе.
Максвелловская теория эМп является макроскопической теорией. Приведенные выше уравнения Максвелла применимы лишь к случаю стационарных ЭТУ, т.е. неподвижных сред с неизменными во времени (стационарными) характеристиками £(г), рг(г) и у(г); при этом имеются в виду изотропные, не ферромагнитные и не сегнетоэлектрические среды. Система максвелловских уравнений является полной, т.е. она позволяет однозначно определить эМп ЭС в каждой точке некоторой области пространства для моментов времени I > 0 если только для момента времени Ь заданы начальные значения векторов Ё(г, ^) и
В (г, ^) во всех точках г этой области и для моментов времени > ^ для одного из векторов Ё (г, t) или
В (г, t) заданы значения его тангенциальных составляющих на поверхности, ограничивающей рассматриваемую область пространства. Как известно, сумма частных решений системы линейных дифференциальных уравнений является его решением, поэтому результирующее ЭМП ЭС ЭТУ с п электродами
Ё = Ё! + Ё2 +... + Ёп, Н! + Н2 +... + Нп, где Ё1, Н; Ё2, Н;...; Ёп, Нп - вектора электрической и магнитной напряженностей соответственно 1; 2;...; п электрода.
Так как стимуляция и повреждение РО в ЭМП ЭС происходит за счет поляризации и тока проводимости, а совокупность этих процессов приводит к поглощению РО энергии ЭМП [2-3], то для успешного проектирования мобильных ЭТУ достаточно учитывать макроскопические свойства РО (описываемые с помощью классической физики) и основные параметры ЭТУ (табл. 2).
Таблица 2
Основные параметры мобильных электротехнологических установок
Наименование Обозначение Размерность
Ширина захвата В м
Установленная мощность источника электрической энергии Зиээ кВА
Установленная и используемая мощности электропреобразователя Бэп и Бэпи кВА
Электротехнологическое (рабочее) напряжение ит кВ
Сила тока электрода 1э А
Конфигурация и износ электродов аЭ, Ьэ, Ьэ и уэи мм
Коэффициент мощности ООвф
Электрический КПД Пэ
Активное и реактивное сопротивление: сети электропреобразователь - электродная система электродной системы блока сигнализации, диагностики и управления Г с и Хс мОм
Гэс и Хэс кОм
Гду и Хду Ом
Расход электроэнергии Wуд кВт^ч/га
Производительность П га/ч
Электротехнологический критерий (повреждение растений) Кэт %
Учитывая, что /з зависит от ит и степени проявления импеданса в поверхностях сложной формы (электродов, наружных тканей и клеточных мембран РО), то для оперативной диагностики электротехноло-гического процесса и ЭС необходимы учет большого количества контролируемых параметров и использование цифровой и микропроцессорной техники. Это дает возможность сопоставления эталонного состояния объекта с диагностируемым и обрабатываемым микропроцессором, в качестве которого можно использовать матричные структуры. Для диагностики износа ЭС узи в одном из состояний, например, режима короткого
замыкания, при низком ит фиксируется вектор 1Э. В этом случае импеданс % = ит и подход к диагности-
1э
ке предполагает измерение вектора тока / = и сравнение его с некоторым эталонным вектором 1Е.
Э %
Ненулевая разность / _ и_т свидетельствует о наличии отклонений ЭС от эталонного образца. При этом
Э %
будет установлен факт износа или повреждений, но не место. Если в % = ит измерить элементы матрицы
4
1 - 1
1 и сравнить их с соответствующими элементами эталонной матрицы , то можно установить повреж-
%
денный элемент ЭС.
Задание физических условий для исследуемых РО, почвы, конструктивных элементов ЭТУ и ЭМП - одно из направлений в общей задаче, связанной с электронным и программным обеспечением экспериментальных установок, используемых в научных исследованиях и учебном процессе электрофизики, биофизики и электротехнологии. Изменяемые требования к техническому уровню экспериментального оборудования в условиях совершенствования элементной базы определяют стратегию создания новых или переоснащения старых приборных средств, аппаратуры и устройств с электронным и программным обеспечением, удовлетворяющим по своим функциональным возможностям и параметрам современным требованиям. В плане методического обеспечения экспериментальных работ по электрическому повреждению растений созданы вегетационно-климатическая камера (рис. 3), информационно-измерительная система исследования электрических характеристик РО при электромагнитных воздействиях, почвенный канал (рис. 4) и установка для исследования зоны взаимодействия ЭМП ЭС с почвой, растениями, воздушной средой и конструктивными элементами ЭТУ (рис. 5). Эти технические средства позволяют проводить измерения дифференциальных и интегральных характеристик ЭМП (табл. 3) электродов, изучать реакцию растений, их активное повреждение как под действием электрического тока, так и в комбинации с ультрафиолетовыми и инфракрасными потоками при различных величинах ит, скоростных режимов, геометрии ЭС. Наличие приборных средств, аппаратуры и устройств с электронным и программным обеспечением допускают работу с РО, почвой в широких диапазонах ит и /з, параметры которых позволяют использовать этот класс экспериментального оборудования для решения относительно широкого круга исследовательских и образовательных задач с малыми финансовыми затратами.
Рис. 3. Вегетационно-климатическая камера для исследования реакционной способности растений, их активного повреждения под действием электромагнитных полей
Рис. 4. Почвенный канал для исследования электродной системы мобильных электротехнологических
установок
Рис. 5. Установка с электроприводом для исследования зоны взаимодействия электромагнитного поля электродной системы с почвой, растениями, воздушной средой и конструктивными элементами
Таблица 3
Основные измеряемые параметры электрического поля
Наименование Обозначение Измеряемый параметр Раз- мер- ность
Напряженность электрического поля (вектор) Е Ёк, (к = х, у, 2) В/м
Градиент вектора напряженности электрического поля (тензор) grad Ё , (V® Ё) Ё г , X , (г = х, у, 2; к = х, у, £) д1г В/м2
Ротор напряженности электрического поля (вектор) шЁ, (V х Ё) Ё дї1 , (г = х, у, 2; к = х, у, 2; г Ф к) В/м2
Электрический потенциал (скаляр) и и В
Плотность электрического тока (вектор) 5 5к, (к = х, у, 2) А/м2
Применение уравнений Максвелла, дифференциальных и интегральных характеристик ЭС ЭТУ имеет большое прикладное значение, так как направлено на создание теоретических, конструкторско-технологических и экспериментальных предпосылок для разработки компактных с невысокой стоимостью ЭС, как анализаторов при диагностике РО, так и "рабочих органов" электрического повреждения растительности. Приведенный анализ позволяет сделать вывод о возможности диагностирования растительности в режиме реального времени по степени их электрического повреждения и необходимости разработки приборных средств, аппаратуры и устройств для исследования влияния компонентов ЭС и наблюдения за структурнофункциональным состоянием РО в режиме реального времени, а также выявления электропроводящих особенностей биологических тканей в областях частот проявления эффектов импеданса, связанных с динамическим изменением структурно-функционального состояния РО. Для решения этих вопросов необходимы комплексы, позволяющие исследовать спектральные особенности импеданса биологических тканей в выделенном частотном диапазоне и производить регистрацию стимулированных внешним потенциалом высокочастотных токов, протекающих через РО.
Создание новых ЭС из диэлектрических, полупроводниковых и композиционных материалов с заданными электрофизическими свойствами и дальнейшее исследование их изменения в зависимости от различных внешних воздействий (температуры, давления, влажности, широкого спектра электромагнитных излучений) при электрическом повреждении РО требует разработки оперативных методов определения указанных характеристик электродов. Особый интерес для электротехнологий составляет возможность исследования панорамы проводимости и диэлектрической проницаемости почвы, РО и электродов, а также процессов накопления и релаксации заряда в них под действием внешний факторов в пределах всего объекта или на определенной траектории. Поэтому следующим этапом работы является разработка аппаратуры для панорамного преобразования обозначенных параметров в электрический сигнал и применение соответствующих алгоритмов в документировании информации. Диапазон экспериментальных исследований - определение проводимости, диэлектрической проницаемости, рельефа поверхности и его изменения, амплитуд и частот ЭМП и вибраций, исследования пространственного распределения этих параметров в почве, РО и ЭС. Экспериментальные данные представляют важность для развития теоретических подходов, позволяющих описание параметров ЭМП в биологических, почвенных, воздушных, конструкционных средах. Это позволит развить теоретические представления об ЭТУ и их практическое применение.
Литература
1. Баранов Л.А., Захаров В.А. Светотехника и электротехнология. - М.: КолосС, 2006. - 344 с.
2. Ляпин В.Г. Оборудование и энергосберегающая электротехнология борьбы с нежелательной растительностью / Новосиб. гос. аграр. ун-т. - Новосибирск, 2000. - 106 с.
3. Ляпин В.Г. Оборудование и энергосберегающая электротехнология борьбы с нежелательной растительностью в приложениях / Новосиб. гос. аграр. ун-т. - Новосибирск, 2000. - 240 с.
4. Баев В.И., Бородин И.Ф. Электроимпульсная предуборочная обработка растений подсолнечника и табака: моногр. - Волгоград, 2002. - 232 с.
5. Юдаев И.В., Бренина Т.П. Обоснование конструкции электроимпульсного культиватора // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2006. - № 7. - С. 25-28.
