Уничтожение сорняков дуплексным электроразрядом

Автор: Тышкевич Е.В. (Патент RU 2366158)

Необходимость применения электроразрядного способа борьбы с сорными растениями вызвана стремительным развитием высоковольтной импульсной техники и очевидными преимуществами по сравнению с традиционными: агротехническим и химическим.

К числу основных недостатков агротехнического способа следует отнести негативные последствия интенсивной обработки почвы:

• увеличение потерь влаги в связи с излишней рыхлостью пахотного слоя;
• усиление ветровой и водной эрозии почвы, ускорение распада гумуса;
• уплотнение подпахотного слоя;
• повышение вероятности появления вновь отрастающих сорняков.

Химический способ борьбы с сорняками также имеет ряд серьёзных недостатков. Во-первых, гербициды как биологически активные вещества наносят вред культурным растениям, здоровью человека, животным и окружающей среде. Во-вторых, многие из гербицидов способны накапливаться в почве и воде в количествах, превышающих предельно допустимые уровни. В конечном итоге, длительное применение гербицидов на одном и том же месте способствует адаптации к ним сорной растительности.

Основными преимуществами электрообработки являются:

• быстрое увядание сорняков после электроразрядной прополки;
• возможность применения электрокультивации при неблагоприятных погодных условиях;
• доступная стоимость оборудования и незначительные эксплуатационные расходы;
• возможность использования электрокультивации для уничтожения сорняков на площадях, где применение гербицидов и механической обработки почвы труднодоступно, нежелательно или запрещено.

В отечественной и зарубежной практике известны два метода электрообработки растений: импульсными разрядами и продолжительным контактом между электродом и растением. При этом электроискровая обработка сорняков осуществляется при помощи импульсов напряжением 12…50кВ длительностью 0,3…2,0мс, а для продолжительного воздействия характерно напряжение на электродах 8…15кВ и время контакта 0,2…0,8сек.

Традиционные методы основаны на использовании электрического тока высокого напряжения как поражающего фактора. Для этих целей может использоваться постоянное, переменное или импульсное напряжение различной частоты, длительности и формы. Электрическая энергия воздействия подается в момент соприкосновения активного электрода с поверхностью биообъекта. Для проведения такой процедуры необходимо использовать источник с выходным напряжением как минимум 3…5кВ, поскольку напряжение пробоя собственной изоляции большинства объектов растительного происхождения составляет не менее 1,5…2кВ. Таким образом, эквивалентная нагрузка для источника высокого напряжения представляет собой сопротивление с нелинейной характеристикой, которое первоначально в момент касания активного электрода биообъекта имеет высокое сопротивление (от 1,5мОм до 30мОм), а после пробоя изоляции падает в десятки-сотни раз. Такой режим «ударной» нагрузки для высоковольтного источника является крайне неблагоприятным, поскольку ток в момент пробоя изоляции имеет высокую скорость нарастания и большую величину мгновенного значения, близкую к току короткого замыкания. После пробоя изоляции внутри биообъекта образуется множество разветвленных токопроводящих каналов, которые «размывают» электрическую энергию, превращая ее в тепло, поэтому эффективность воздействия в данном случае оказывается крайне низкой.

Использование специальных форм электрических импульсов (например, островершинная волна) не представляется возможным, поскольку происходит искажение и затяжка фронтов операционных импульсов, в связи с этим реальный частотный диапазон ограничен на уровне 2…5кГц. Другим недостатком является то, что высоковольтные источники при напряжениях выше 7…10кВ неустойчиво работают в режиме ударных токов (более 10…20А), необходимых для надежного уничтожения сорных растений, и к тому же имеет большие габариты и массу (более 50…70кг).Работа с таким оборудованием крайне опасна с точки зрения техники безопасности и требует специальной подготовки обслуживающего персонала.

Недостатками традиционных методов электрообработки растений являются низкая эффективность, высокая степень опасности поражения электрическим током, низкий КПД, ограниченный частотный диапазон, низкая избирательность воздействия на растительные объекты, а так же ограниченная область применения.

Применение способа дуплексного воздействия электрическим током на биообъекты позволяет координально решить вышеперечисленные проблемы борьбы с сорной растительностью.

Описание способа дуплексного воздействия электрическим током на биологические объекты
растительного и животного происхождения.

Процедура дуплексного воздействия на сорные растения электрическим током состоит из двух этапов. На первом этапе происходит исследование биообъекта в микроваттном режиме последовательностью тестовых импульсов, которые отличаются друг от друга напряжением, длительностью и формой. Это необходимо для того, чтобы идентифицировать объект и определить его дифференциальную проводимость при различных возмущающих воздействиях, не изменяя физического состояния.

На втором этапе осуществляется дуплексное воздействие. На биообъект, учитывая полученные данные тестирования, подается пилотный импульс, который пробивает собственную изоляцию и создает внутри объекта проводящий канал, при этом падение напряжения на нем резко уменьшается. В момент образования проводящего канала в заданной (благоприятной) точке вольтамперной характеристики для силового воздействия на него накладывается операционный импульс, определяющий конечный результат всей процедуры. Если энергия операционного импульса достаточно велика, то объект будет уничтожен. В ином случае, при низком значении энергии операционного импульса, результатом воздействия может быть стимуляция или замедление роста биообъекта, изменение его морфологической структуры, восприятия окружающей среды и т.д.

Принцип дуплексного воздействия позволяет решить две принципиальные проблемы – существенно снизить напряжение операционного (силового) импульса и сосредоточить электрическую энергию в пределах одного проводящего канала, не распыляя ее по всему объему объекта. Практически, напряжение силового источника при воздействии на биообъекты растительного происхождения может быть снижено до 0,7…2,5кВ, а его установленная мощность уменьшена в 3…5 раз.

Напряжение тестового сигнала, также как и пилотного импульса, должно быть достаточно высоким. Это необходимо для того, чтобы беспрепятственно преодолеть изоляционный барьер биообъекта. Напротив, ток, прикладываемый к объекту до момента поступления операционного импульса необходимо ограничивать - он не должен вызывать каких-либо физических или структурных изменений, или нарушать внутриобменные процессы, следовательно тестовый источник должен вырабатывать высокое напряжение и небольшой ток, достаточный для формирования проводящего канала. Благодаря наличию проводящего канала скорость нарастания тока операционного источника во много раз превосходит скорость нарастания тока в обычном режиме, в результате этого эффективность воздействия возрастает пропорционально увеличению плотности тока, проходящего через биообъект.

Значительное повышение частоты обработки биологических объектов становиться возможным благодаря снижению напряжения операционных импульсов. Это позволяет использовать быстродействующие импульсные источники питания, выполненные на полупроводниковых элементах, работающие на частотах до 120кГц, при выходных токах до 500А и напряжениях до 2…3кВ.

Функциональная схема устройства, поясняющая работу способа дуплексного воздействия
электрическим током на биообъекты.

На Фиг.1 представлена функциональная схема устройства, поясняющая работу дуплексного способа при любой процедуре воздействия.

Устройство содержит генератор тестовых импульсов 2, тестовый анализатор проводимости 3, источник операционного напряжения 4, операционный анализатор проводимости 5, активный электрод 6 и систему управления 1, соединенную с информационными каналами обоих анализаторов проводимости 3,5, генератора тестовых импульсов 2 и источника операционного напряжения 4. Процедурные импульсы подаются на объект воздействия 7 с помощью активного электрода 6. Система управления 1 обеспечивает ввод, вывод, контроль и управление всеми данными в процессе работы устройства по заданной программе.

Генератор тестового сигнала 2 вырабатывает последовательность высоковольтных импульсов различной амплитуды, длительности и формы (a), которые через анализатор проводимости 3 поступают на активный электрод 6 (d), подключенный к объекту воздействия 7. Каждый тестовый импульс, проходя через объект 7, создает проводящий канал, параметры которого фиксируются анализатором проводимости 3 и передаются в виде данных в систему управления 1 по информационному каналу. Затем, на основании полученных данных тестирования и программы, заложенной в систему управления 1, генератор 2 вырабатывает пилотный импульс (a), который на объекте 7 формирует оптимальный канал проводимости. Состояние этого канала отслеживает анализатор 3. Когда проводимость его достигает необходимого значения, анализатор 3 вырабатывает сигнал управления (b), который поступает на вход синхронизации операционного источника 4 и запускает его. Операционный импульс от источника 4 (c) через анализатор 5 поступает на активный электрод 6 (d) и накладывается на проводящий канал, сформированный пилотным импульсом. Таким образом, происходит дуплексное воздействие на объект 7 от двух источников 2,4: первый формирует оптимальный канал проводимости, а второй в заданной точке его характеристики осуществляет силовое воздействие, обеспечивая желаемый результат. Появление операционного импульса (c) возможно в любой фазе сформированного проводящего канала. Анализатор проводимости 5 отслеживает прохождение операционного импульса через объект 7 и по окончании его выдает данные системе управления 1 о результате силового воздействия. На основании полученной информации система управления 1 принимает решение, достигнут ли желаемый результат или требуется повторная процедура воздействия.

Количество и параметры тестовых импульсов определяются программой, заложенной в систему управления 1. В процессе тестирования общее энергетическое воздействие на объект 7 должно быть индифферентным, чтобы не нарушить его исходное состояние. В момент образования проводящего канала напряжение на объекте воздействия 7 резко падает, поскольку происходит пробой его собственной изоляции, поэтому величина напряжения операционного источника 4 может быть значительно снижена по отношению к напряжению тестового генератора 2. Устройство прекращает однократное или многократное воздействие после того, как на систему управления 1 поступят данные с анализатора 5 о достигнутом результате.

На Фиг.2 представлены эпюры напряжений и токов, поясняющих работу устройства дуплексного воздействия в режиме уничтожения сорных растений.

• На эпюре a показаны импульсы напряжения на выходе тестового генератора 2 (a).
• Эпюра b демонстрирует синхроимпульс на управляющем выходе анализатора 3 (b), который запускает источник операционного напряжения 4.
• На эпюре c показан импульс напряжения силового воздействия, образующийся на выходе операционного источника 4 (c) после его запуска.
• Эпюра d демонстрирует изменяющийся во времени ток канала проводимости во время тестирования (t0-t3) и во время дуплексного воздействия (t4-t6).

Для простоты восприятия напряжения на выходах обоих источников 2,4 (эпюры a, c) показаны в виде импульсов прямоугольной формы, а количество тестовых импульсов (эпюра a) сведено к одному длительностью t0-t3.

В момент касания сорного растения (объект 7) электродом 6 генератор 2 вырабатывает тестовый импульс длительностью t0-t3 (эпюра a), в результате чего через объект 7 протекает ток, образующий изменяющийся во времени проводящий канал (эпюра d). Значение дифференциальной проводимости в каждой точке проводящего канала от t0 до t3 фиксируется анализатором 3. Максимальное значение тока проводимости соответствует точке t1, минимальное – точке t2.

В точке t4 генератор 2 вырабатывает пилотный импульс (эпюра a), который повторно создает проводящий канал от t4 до t5 (эпюра d). В точке t5, соответствующей максимальному значению тока проводящего канала d1 (эпюра d, ось ординат), анализатор проводимости 3 вырабатывает синхроимпульс (эпюра b), который своим передним фронтом запускает источник операционного напряжения 4 (эпюра c), вследствие чего ток через проводящий канал резко возрастает. В промежутке времени от t5 до t6 (эпюра d) происходит энергетическое воздействие операционного источника 4 на объект 7, результатом которого является уничтожение сорного растения.

Амплитуда и длительность операционного импульса от t5 до t6 (эпюра c) определяется системой управления 1 на основании предварительного тестирования. Изменение тока прохождения операционного импульса в этот период (эпюра d, t5-t6) отслеживается анализатором 5, данные которого показывают, уничтожен сорный объект 7, или требуется повторная операция.

Применение способа дуплексного воздействия электрическим током на биологические объекты
растительного и животного происхождения.

Описанный способ очень эффективен для борьбы с грызунами. Например, если мышь коснется активного электрода, то через нее проходят тестовые импульсы, которые идентифицируют ее, как объект с характерными электрофизическими параметрами присущими именно этому биологическому виду, то есть при помощи тестовых импульсов можно легко отличить мышь от других объектов животного происхождения, например собак, кошек и т.п. Параметры импульсов (интенсивность) дуплексного воздействия выбираются в зависимости от поставленной задачи – уничтожить объект или отпугнуть его.

Известны случаи гибели животных при использовании электропастухов на открытых пастбищах. Чаще всего это происходит тогда, когда животное касается активного проводника, находящегося под высоким напряжением 7…18кВ, слизистой оболочкой полости рта, которая создает наибольшую проводимость при прохождении тока через тело животного. Предлагаемый способ обеспечивает селективное воздействие электрическим током на животное, выбирая максимально безопасный режим, соответствующий проводимости биообъекта в месте его контакта с проводником электропастуха.

При проведении селекционных работ в растениеводстве используются методы электростимуляции растений различными по форме импульсами (прямоугольными, треугольными, экспоненциальными и т.п.) частотой от 50Гц до 20кГц с целью усиления ионообменных процессов корневой системы с окружающей почвой. Применение дуплексного воздействия позволяет увеличить частотный диапазон операционных импульсов, дозировать энергию, подводимую к растению, тем самым, снижая травматические последствия.

Описанный способ можно использовать на животных в случае электростимуляции биоактивных точек, расположенных на поверхности кожного покрова. В момент соприкосновения активного электрода с кожным покровом через биообъект проходит последовательность тестовых импульсов, которые выявляют биоактивные точки, характеризующиеся повышенной проводимостью по сравнению с индифферентной поверхностью кожи. В зависимости от состояния исследуемых биологически активных точек на них по заданной программе подаются дуплексные импульсы, которые оказывают на биообъект стимулирующее, анальгезирующее, нормализующее и другие виды воздействий. Приведенный пример демонстрирует защиту от ошибочного или чрезмерного электрофизического вмешательства, поскольку дуплексный сигнал обеспечивает оптимальный терапевтический эффект операционных импульсов при минимальных значениях энергетических показателей.

Уникальные возможности способа дуплексного воздействия.

К преимуществам дуплексного способа следует отнести способность самоадаптирования системы к изменяющимся условиям окружающей среды, а также автоматический контроль результатов процедуры без привлечения дополнительных аппаратных средств.

Дуплексный способ способствует созданию разнообразных аппаратных средств воздействия электрическим током на биологические объекты растительного или животного происхождения, имеющих небольшие габариты и массу, обладающих высокой выходной мощностью, широким спектром используемых частот и диапазоном применения, позволяет максимально использовать энергию операционного импульса, обеспечивая высокий КПД.

К достоинствам данного способа следует отнести возможность создания устройств уничтожения или стимуляции биологических объектов в малогабаритном переносном исполнении, работающих от компактной аккумуляторной батареи напряжением 6…12В.

Способ дуплексного воздействия защищен патентом на изобретение RU 2366158 C2.