ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКЕ СЕМЯН МАСЛЕНИЧНЫХ КУЛЬТУР ЭМПСВЧ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК: 631.531.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

ПРИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКЕ СЕМЯН МАСЛЕНИЧНЫХ

КУЛЬТУР ЭМПСВЧ

А.В. Бастрон, А.В. Исаев, А.В. Мещеряков, Н.В. Цугленок

В статье представлены результаты исследований температурных полей, проведенные с помощью тепловизора FLIPSYSTEMSTHERMCAMP65, при предпосевной обработке семян горчицы ЭМПСВЧ в бытовой микроволновой печи и в оригинальной установке для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов конструкции КрасГАУ.

Ключевые слова: сверхвысокая частота, диэлектрический нагрев, семена горчицы, тепловизор.

Семенные инфекции представляют чрезвычайную опасность для семян сельскохозяйственных культур. Если не вести с ними борьбу, они способны на несколько десятков процентов снизить урожай семян, а в годы эпифитотий - полностью его уничтожить, нанося огромный экономический ущерб. Отдельные виды фузариозов способны выделять вредные для здоровья человека и домашних животных токсины. Пораженные ими семена совершенно не пригодны для использования в продовольственных и фуражных целях [1, 2].

Согласно идее тепловой стимуляции, для улучшения посевных качеств семян их необходимо нагреть на определенную (допустимую) температуру за определенное время. Проведенные исследования показывают, что на посевные качества, обеззараживание от семенных инфекций и урожайность семян оказывают влияние такие показатели, как удельная мощность электромагнитного поля сверх высокой частоты (ЭМПСВЧ), экспозиция (время) нагрева семян, конечная температура семян, обработанных в СВЧ-поле [1].

Для предпосевной обработки семян малотоннажных (например, тепличных) сельскохозяйственных культур ЭМПСВЧ с целью их стимуляции и (или) обеззараживания и для проведения научных экспериментов часто используют бытовую микроволновую печь. В микроволновую печь помещают цилиндрическую емкость объемом 1 - 2 литра с предварительно увлажненными семенами. Ранее нами были проведены исследования влияния режимов ЭМПСВЧ на семена и болезни семян масленичных культур: рапса, горчицы, рыжика [1, 2]. В качестве выходного параметра предпосевной обработки принималась ин-

тегральная (средняя) температура нагрева семян. Однако известно, что нагрев диэлектрического материала, помещенного в микроволновую печь, производится неравномерно. Степень неравномерности нагрева в объеме обрабатываемого материала недостаточно изучена в связи с проблемой одновременного измерения температуры во множестве точек объема обрабатываемого материала. Одновременно измерить температуру на всей поверхности можно с помощью тепловизора. Нами проведен эксперимент по предпосевной обработке семян горчицы в бытовой микроволновой печи. Предварительно доведенные до влажности 20 % семена горчицы насыпали в три слоя в емкость диаметром 25 см. Каждый слой составлял около 15 мм. Между слоями помещали сетку из радиопрозрачного материала. Сетка позволяла мгновенно убрать слой семян для исследования температурного поля семян тепловизором в плоскости, находящейся под сеткой.

На рисунках 1 - 2 приведены послойные картинки, полученные с помощью тепловизора FLIR SYSTEMS THERMACAM P65 (с погрешностью измерения температур ± 2 %) при обработке семян горчицы ЭМПСВЧ при следующих входных параметрах: Р =800 Вт, t = 60 c. Из рисунка 1, а следует, что температура семян изменяется от 25,2 до 46,7 оС. Средняя температура семян составляет: по площади 36,2 оС, по линии Li 1 - 35,4 оС (рисунок 1, б).

В связи с тем, что в бытовой микроволновой печи происходит неравномерный нагрев исследуемого материала, как доказано выше, нами была разработана установка для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов [3].

Параметр объекта Значение

Излучательная способность 0,95

Расстояние до объекта 0,5 т

Температура воздуха 19,8 °С

Обозначение Значение

□ 1: Макс 46,7 °С

Аг1: Макс 46,7 °С

%

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

30

35

40

45

Класс ширины: 0.336 °С

Обозначение Пик Мин Макс Сред

Е Аг1 3.2 27.3 46.7 36.2

□ Ы1 5.5 28.0 46.7 35.4

°С

Обозначение Указатель Мин Макс

0-Ы1 - 28.0 46.7

б) в)

Рисунок 1 - Распределение температурных полей в верхнем (поверхностном) слое

семян горчицы

Установка содержит рабочую камеру 6 (рисунок 3), подключенную к СВЧ-генератору, загрузочное 1 и разгрузочное устройства 3, размещенные диаметрально противоположно на стенке рабочей камеры и транспортирующее устройство 5. Транспортирующее устройство установлено горизонтально и выполнено из радиопрозрачного цилиндра, на поверхности которого по винтовой линии с разрывом установлены металлические лопатки из немагнитного материала, с возможностью изменения угла наклона. На концах лопаток закреплены гибкие элементы из радиопрозрачного материала, соприкасающиеся с нижней частью камеры, а нижняя часть рабочей камеры выполнена в форме полуцилиндра. Транспортирующее устройство 5, выполняя роль диссектора, осуществляет кроме

перемещения, одновременно и перемешивание семян.

На рисунке 4 представлен изготовленный нами опытный образец СВЧ-установки для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов, согласно патента РФ на изобретение №2311002[3].

С помощью тепловизора нами проведены исследования температурных полей семян, прошедших обработку ЭМПСВЧ. Под разгрузочным окном 3 (рисунок 3) с постоянной скоростью протягивали полотно, на которое равномерно сыпались обработанные ЭМПСВЧ семена.

В предлагаемой установке нагрев семенного материала, как показали результаты эксперимента (рисунок 5), происходит более равномерно: температура семян изменяется от 35,3 до 42,8 оС.

Параметр объекта Значение

Излучательная способность 0,95

Расстояние до объекта 0,5 т

Температура воздуха 19,8 °С

Обозначение Значение

Li1: Макс 48,6 °С

Аг1: Макс 49,1 °С

а)

%

Класс ширины: 0.425 °С

Обозначение Пик Мин Макс Сред

И Аг1 5.1 32.0 49.1 41.1

□ Ы1 8.4 32.8 48.6 42.7

б) в) Рисунок 2 - Распределение температурных полей в нижнем слое семян горчицы

Рисунок 3 - Установка для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов

1 - загрузочный бункер; 2 - цилиндр из радиопрозрачного материала; 3 - разгрузочное окно; 4 - электропривод транспортера; 5 - транспортирующее устройство; 6 - рабочая камера

Рисунок 4 - Установка для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов, согласно патенту РФ на изобретение №2311002

1 V

i= 1

X - X

среднеквадратическое отклонение

0 1........ ........ ..... ^ I °с

26.0 28.0 30 0 32.0 34 0 36.0 38.0 40.0 42.0

Класс ширины: 0.269 °с

Обозначение Пик Мин Макс Сред - дисперсия

0 Аг2 13.3 35.3 42.8 39.1

□ и1 14.6 36.9 42.6 39.3

5 =

м

1 п _

- X - X)2 п

Рисунок 5 - Гистограмма распределения температуры семян, прошедших обработку ЭМПСВЧ в установке, согласно патента РФ №2311002

Степень равномерности нагрева семян в ЭМПСВЧ может характеризоваться такой математической величиной как коэффициент вариации, который показывает меру относительного разброса случайной величины и ту долю среднего значения этой величины, которую составляет ее средний разброс. В отличие от среднего квадратического или стандартного отклонения, коэффициент вариации измеряет не абсолютную, а относительную меру разброса значений признака в статистической совокупности. Он вычисляется только для количественных данных.

Для анализа случайной величины можно также использовать и некоторые другие характеристики [4]:

- размах вариации

К = Хшах - Хтт ; (1)

- среднее линейное отклонение

1 п _

= - ИX, -X)2 .

п ,._,

(2)

(3)

(4)

Относительные показатели:

- относительный размах вариации (коэффициент осцилляции)

К

Р = =; (5)

X

- относительное отклонение по модулю (линейный коэффициент вариации)

а

т = =;

X

(6)

- коэффициент вариации

^ 5 V = = ; V =-, (7)

X ц

где ^ - математическое ожидание.

Для статистической оценки полученных гистограмм нами разработаны электронные таблицы по расчету математического ожидания, дисперсии, среднеквадратичного отклонения и коэффициента вариации. Результаты расчета проанализированы и сведены в таблицу 1.

%

2

Таблица 1 - Результаты статистической обработки температурных полей в среднем слое семян

горчицы после их обработки ЭМПСВЧ

Математическое ожидание Дисперсия Среднеквадратичное отклонение Коэффициент вариации

36,70 8,35 2,89 0,079

В предлагаемой установке (рисунок 5) нагрев семенного материала, как показали результаты эксперимента, происходит более равномерно: температура семян изменяется от 35,3 до 42,8 оС.

Данная гистограмма была обработана в электронных таблицах, результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Результаты статистической обработки температурных полей в среднем слое семян горчицы после их обработки ЭМПСВЧ в установке, согласно патента РФ№2311002

Математическое ожидание Дисперсия Среднеквадратичное отклонение Коэффициент вариации

39,43 0,72 0,85 0,021

Выводы

1. Проведенными исследованиями температурных полей с помощью тепловизора доказано, что разработанная и изготовленная установка для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов, согласно патента РФ на изобретение №2311002, позволяет снизить неравномерность нагрева до ~ 4 оС, по сравнению с ~ 20 оС при обработке семян в бытовой микроволновой печи, т. е. в 5 раз.

2. Проведенной статистической обработкой температурных полей доказано, что разработанная и изготовленная установка для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов, согласно патента РФ на изобретение №2311002, позволяет снизить коэффициент вариации до ~ 2 %, по сравнению с ~ 7 % при обработке семян в бытовой микроволновой печи, т. е. в 3,5 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. 2393662 Российская Федерация, МПК7А 01 С 1/00Способ предпосевной обработки семян рапса электромагнитным полем сверхвысокой частоты [Текст] / Мещеряков А.В., Бастрон А.В., Цугленок Н.В., Халанская А.П., Цугленок Г.И. (Россия); заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «КрасГАУ». - № 2008117643/13; заявл. 04.05.08; опубл. 10.07.10, Бюл. № 19. - 9 с.: ил.

2. Пат. 2373676 Российская Федерация, МПК7 А 01 С 1/00 Способ предпосевной обработки семян горчицы электромагнитным полем сверхвысокой частоты [Текст] / Мещеряков А.В., Бастрон А.В.,

Цугленок Н.В., Халанская А.П., Цугленок Г.И. (Россия); заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «КрасГАУ». - № 2008117268/13; заявл. 29.04.08; опубл. 27.11.09, Бюл. № 33. - 7 с.: ил.

3. Пат. 2311002 Российская Федерация, МПК7 H 05 B 6/64, H 05 B 6/64 Устройство для термической обработки сыпучих диэлектрических материалов [Текст] / Бастрон А.В., Мещеряков А.В., Цугленок Н.В. (Россия); заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «КрасГАУ». -№ 20066119391/09; заявл. 02.06.06; опубл. 20.11.07, Бюл. № 32. - 5 с.: ил.

4. Яковлева, А.В. Теория вероятностей и математическая статистика. Ответы на экзаменационные вопросы [Текст]: учеб.пособ. для вузов / А.В. Яковлева. - М.: Издательство «Экзамен», 2006. - 222 с.

Бастрон А.В., зав. каф., к.т.н., доц., каф. «Электроснабжение сельского хозяйства», ФГОУ ВПО «(Красноярский государственный аграрный университет», тел. 8(391)227-10-62, E-mail: [email protected];

Исаев А.В., магистрант, каф. «(Электроснабжение сельского хозяйства», ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», тел. 8(391)227-10-62, E-mail: [email protected];

Мещеряков А.В., ст. преп., каф. «Электроснабжение сельского хозяйства», ФГОУ ВПО «(Красноярский государственный аграрный университет», тел. 8(391)227-10-62, E-mail: [email protected];

Цугленок Н.В., рек., д.т.н., проф., ФГОУ ВПО «(Красноярский государственный аграрный университет», тел. 8(391)227-36-09, E-mail: [email protected].