Системи діелектричної спектроскопії в електромагнітних технологіях підвищення продуктивності біооб'єктів сільського господарства

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА імені Петра Василенка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

СИСТЕМИ ДІЕЛЬКОМЕТРІЇ

В ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ТЕХНОЛОГІЯХ

ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ БІООБ'ЄКТІВ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

Мунтян Володимир Олексійович

Харків - 2007

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Економічна стабільність України залежить від кількості і якості продукції в промисловості і сільському господарстві. За роки незалежності України середня врожайність рослин знизилась на 20 - 25 % з-за зменшення використання мінеральних добрив у 4 - 5 разів, у 2 рази способів захисту рослин, а тваринництво стало збитковою галуззю з еквівалентом до 2 млрд. доларів США у рік. Кризовий стан в сільськогосподарському виробництві вимагає невідкладних заходів, пов'язаних із створенням нових електротехнологій на основі обробки біооб'єктів інформаційними ЕМП, з метою стимулювання їх продуктивності. Одним з шляхів рішення цієї проблеми є застосування спеціальних автоматизованих систем радіохвильового контролю для оцінки стану біооб'єктів, що знаходяться під впливом ЕМП.

Слід зазначити, що рішення проблеми, пов'язаної з оцінкою механізмів біологічної дії інформаційних ЕМП, можливо на основі методу діелектричної радіоспектроскопії. В той же час, відсутність теоретичних і практичних досліджень, пов'язаних із створенням пристроїв радіохвильового контролю біооб'єктів на основі методу діелектричної радіоспектроскопії і способів їх застосування для оцінки механізмів біологічної дії ЕМП, робить проблематичною постановку питання про створення нових ресурсозберігаючих електротехнологій в сільському господарстві, а також якісних матеріалів в промисловості.

Актуальність теми. У рішенні загальнодержавної проблеми підвищення якості і кількості продукції в сільському господарстві важливу роль грають методи і засоби радіохвильового контролю біооб'єктів.

У сільському господарстві методи радіохвильового контролю біооб'єктів сприяють створенню нових електротехнологій, здатних змінити спосіб виробництва продукції, підвищити її кількість і якість. Створення нових електротехнологій пов'язане з використанням низькоенергетичних ЕМП для дії на біологічні об'єкти з метою підвищення врожайності зернових культур і зміни термінів дозрівання, лікування тварин, боротьби з комахами.

Застосування низькоенергетичних ЕМП в сільськогосподарському виробництві пов'язане з найменшими витратами енергії при максимальному впливі на інформаційні процеси життєдіяльності біооб'єктів, які залежать не від величини енергії випромінювання, що діє на них, а від відповідних модуляційно-часових і частотних параметрів електромагнітного поля, конкретних для кожного біооб'єкту з урахуванням стимулюючого або інгібіруючого ефекту. Актуальність даних досліджень підтверджується роботами за кордоном, які пов'язані з цілеспрямованим дослідженням інформаційної дії ЕМП не тільки на тварин і рослини, але й на людину у військових цілях для отримання негативного впливу.

Попередні теоретичні й експериментальні дослідження показали, що бажана зміна ходу інформаційних процесів в біологічному об'єкті можлива тільки при оптимальному поєднанні параметрів електромагнітного поля, що впливає на них (частота, щільність потоку потужності, модуляція).

Визначити оптимальні параметри ЕМП з використанням загальноприйнятих методів досить важко і, крім того, для їх визначення потрібні інтервали часу, що обчислюються роками.

Із сказаного витікає, чому численні реальні ефекти в сільському господарстві, що одержують методом випадкових проб, не можуть дати оптимальних, статистично достовірних даних, служити основою для теоретичних побудов, не мають достатньої повторюваності і, отже, не знаходять широкого застосування в практичній діяльності. Одним з шляхів рішення цієї проблеми є розробка автоматизованих систем неруйнівного контролю біооб'єктів, що знаходяться під впливом ЕМП.

Існуючі методи і пристрої для радіохвильового контролю матеріалів засновані на різних фізичних принципах і мають певні області застосування.

Широкими функціональними можливостями володіють радіохвильові методи і засоби вимірювання, пов'язані з взаємодією електромагнітних полів з біоматеріалом.

Характер взаємодії електромагнітного поля з біоматеріалом визначається його електричними і магнітними властивостями: діелектричною проникністю , магнітною проникністю і провідністю . Тому вивчення діелектричних характеристик біологічних об'єктів на різних рівнях організації, залежно від параметрів ЕМП, дозволить встановити зміни властивостей біооб'єктів в часі з урахуванням стимулюючого або інгібіруючого ефектів.

В той же час, існуючим методам і засобам вимірювання діелектричних параметрів матеріалів і речовин, що застосовуються як в Україні, так і за кордоном, властиві істотні недоліки: висока трудомісткість вимірювань; руйнуючий характер контролю; недостатня точність і чутливість вимірювань; можливість застосування для обмеженого круга речовин.

У світлі відміченого ясна актуальність теми дисертаційної роботи, в якій розв'язується проблема по створенню систем радіохвильового неруйнівного контролю діелектричної проникності (ДП) біооб'єктів, що знаходяться під впливом низькоенергетичних ЕМП. Застосування таких систем для визначення біотропних параметрів ЕМП для різних біоречовин (на клітинному, тканинному й органному рівнях) дозволить створити нові речовини і технології в сільськогосподарському виробництві, промисловості й медицині.

Із сказаного витікає доцільність проведення досліджень у вказаному напрямі, що дозволить одержати пріоритетні для України результати в областях науки і виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана із загальноукраїнськими науковими програмами:

-науково-технічною програмою Міністерства агропромислового комплексу України від 30.02.1998г. № 339 "Науково-дослідні і конструкторські розробки";

-постановою кабінету Міністрів України від 24.12.2001г. № 1716 "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі на 2002 - 2006 роки".

За планами НДР і ДКР, що проводяться в Таврійській державній агротехнічній академії були виконані наступні роботи:

-науково-технічна програма № 1 на 2001 - 2005 рр. "Розробка наукових основ систем технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки Південного регіону України" (підпрограма 1.12 "Розробка методів ультразвукової технології та електротехнічних систем обробки та технічних засобів контролю якості сільськогосподарської продукції", ДР № 0102U000686);

-"Розробка засобів підвищення надійності електропостачання та нових електротехнологій для забезпечення виробничих процесів в АПК", ДР № 0102U000688;

теми:

-"Використання оптико-електронних методів для аналізу якості біологічних матеріалів у агропромисловому комплексі";

-"Експериментальні дослідження по впливу ЕМП ВВЧ діапазону на біологічні об'єкти в сільському господарстві", ДР № 0104U003721;

-"Аналіз проблем, пов'язаних з побудовою електротехнологій для обробки насіння на основі ЕМП", ДР № 0104U003720;

-"Практичні аспекти застосування низькоенергетичного електромагнітного випромінювання в медицині і сільському господарстві", ДР № 0103U004246,

які виконувалися між Таврійською державною агротехнічною академією і Харківським національним технічним університетом сільського господарства ім. Петра Василенка.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є проведення теоретичних та експериментальних досліджень по розробці і створенню автоматизованих систем радіохвильового контролю біооб'єктів для визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП, що викликають збільшення продуктивності в розвитку біооб'єктів при їх обробці низькоенергетичними ЕМП.

Сучасний стан питання, актуальність вказаних завдань визначають наступні основні напрямки, що вимагають рішення у зв'язку з вказаною проблемою:

-провести теоретичний аналіз взаємодії низькоенергетичного електромагнітного випромінювання з біооб'єктами на основі квантової теорії і визначити діапазон змін ДП;

-теоретично обґрунтувати принципи побудови систем радіохвильового контролю по зміні ДП біооб'єктів і провести оптимізаційні дослідження з визначення основних параметрів систем контролю;

-провести теоретичний аналіз флуктуаційних процесів в помножувачах частоти для пристроїв контролю змін ДП біоматеріалів з метою задоволення вимог по чутливості вимірювання змін ДП;

-теоретично обґрунтувати застосування квантових пристроїв на основі АПТ для вимірювання змін ДП біооб'єктів;

-провести теоретичний аналіз з досягнення необхідних спектральних і флуктуаційних характеристик квантових вимірників ДП біооб'єктів;

-провести експериментальну перевірку одержаних теоретичних результатів з метою оцінки їх достовірності для розробки систем радіохвильового неруйнівного контролю біооб'єктів при їх обробці низькоенергетичними ЕМП;

-за допомогою розроблених систем радіохвильового контролю визначити біотропні параметри ЕМП для передпосівної обробки насіння зернових та зернобобових культур, провести з ними лабораторний і польовий експеримент, а також провести дослідження із застосування систем контролю ДП у тваринництві.

Об'єкт дослідження. Процес зміни діелектричної проникності біооб'єктів під впливом фізичних чинників електромагнітної природи.

Предмет дослідження. Технічні системи діелектричної спектроскопії для радіохвильового контролю біооб'єктів, що знаходяться під впливом низькоенергетичних ЕМП КВЧ діапазону.

Методи дослідження. Для вирішення поставленої проблеми були використані: методи теоретичної та математичної фізики; принципи електродинаміки, електроніки і радіоавтоматики; методи розв'язання диференціальних та інтегро-диференціальних рівнянь; засоби біофізики; методи дослідження при проведенні польових і лабораторних дослідів з насінням культурних рослин сільськогосподарського призначення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в даній роботі:

-вперше, на основі теоретичних досліджень, пов'язаних з дією низькоенергетичних ЕМП на біооб'єкти, визначений діапазон змін їх діелектричної проникності (ДП);

-вперше, на основі аналітичних досліджень, обґрунтований контроль над станом біооб'єктів по зміні їх діелектричних параметрів;

-вперше теоретично обґрунтовані принципи побудови систем радіохвильового контролю по зміні ДП біооб'єктів;

-одержав подальший розвиток теоретичний аналіз оптимізаційних досліджень з визначення основних параметрів систем радіохвильового контролю біооб'єктів;

-одержав подальший розвиток теоретичний аналіз флуктуаційних процесів в помножувачах частоти для пристроїв радіохвильового контролю змін ДП біоматеріалів з метою задоволення вимог по чутливості вимірювання змін ДП;

-вперше теоретично обґрунтовано застосування квантових пристроїв на основі атомно-променевих трубок для вимірювання змін ДП біооб'єктів;

-одержала подальший розвиток теорія аналізу по досягненню необхідних спектральних і флуктуаційних характеристик квантових вимірників ДП біооб'єктів;

-вперше математично інтерпретована залежність між зміною ДП біооб'єктів і параметрами ЕМП, що впливають на них;

-вперше, з використанням систем радіохвильового контролю біооб'єктів, створена науково-обґрунтована електротехнологія передпосівної обробки насіння сільськогосподарських культур низькоенергетичними ЕМП та обґрунтовано контроль фізіологічного стану тварин за зміною ДП крові.

Практична значимість одержаних результатів полягає в тому, що на підставі теоретичних та експериментальних досліджень розроблені високочутливі автоматизовані системи радіохвильового контролю біооб'єктів по зміні їх ДП для вивчення механізму впливу низькоенергетичних ЕМП ВВЧ діапазону на біологічні об'єкти і визначення оптимальних біотропних параметрів ЕМП для цілеспрямованого стимулювання або інгібірування метаболічних процесів в біооб'єкті.

Впровадження розроблених систем неруйнівного контролю в сільськогосподарське виробництво, промисловість, медицину і біологію дозволить створити: нові, оптимальні електротехнології в сільському господарстві; нові, якісні матеріали і вироби в промисловості; підвищити достовірність діагностики у тваринництві; провести аналіз біологічних явищ на різних рівнях організації при з'ясуванні елементарних молекулярних взаємодій і шляхів регуляції в біологічних системах.

На основі теоретичних та експериментальних даних розроблені ефективні, екологічно безпечні, ресурсозберігаючі електромагнітні технології, які впроваджені у господарствах "Альфа", ТОВ "Агропромислова компанія", СВК "Калинівка" Запорізької області та у тваринницьких господарствах Приморського району Запорізької області. Одержані результати використовуються в учбовому процесі Таврійського державного агротехнічного університету (м. Мелітополь).

Особистий внесок здобувача. Нові наукові результати дисертації одержані претендентом особисто. У наукових роботах, написаних в співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному: у наукових роботах [2, 3, 6 - 8, 21 - 23] автору належить розробка теоретичних положень, пов'язаних з опрацюванням пристроїв неруйнівного контролю біооб'єктів; у роботах [1, 11, 13 - 15, 17 - 19, 24] автору належить розробка елементів і вузлів систем вимірювання ДП та їх теоретичний аналіз.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи докладалися на:

-Міжнародному екологічному симпозіумі "Перспективні інформаційні технології і проблеми управління ризиками на порозі нового тисячоліття" (Санкт-Петербург, 2000 р.);

-Міжнародній науково-технічній конференції "Землеробська механіка на рубежі сторіч" (Мелітополь, 2001 р.);

-IX Міжнародному науково-технічному семінарі "Лазерна медицина - погляд в майбутнє" (Москва, 2000 р.);

-Міжнародній науково-технічній конференції "Автоматика і комп'ютерні технології в промисловості та АПК" (Кіровоград, 2002 р.);

-Міжнародній науково-технічній конференції "Метрологія і вимірювальна техніка" (Харків, 2002 р.);

-Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми електрифікації і автоматизації сільського господарства" (Київ, 2002 р.);

-Міжнародних технічних конференціях "MicroCAD - (2002 - 2005 рр.). Інформаційні технології: Наука, техніка, технології, освіта, здоров'я" (Харків, 2002 - 2005 рр.)

-Міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми енергозабезпечення і енергозбереження в АПК України" (Харків, 2002 - 2005 рр.);

-XII Міжнародній науково-технічній конференції "Технічний прогрес в сільськогосподарському виробництві" (Київ, 2004 р.);

-1 Міжнародній науково-технічній конференції "Фізичні та технічні проблемі світлотехніки та електроенергетики" (Харків, 2003 р.).

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковані в 16 науково-технічних збірках та в 7 науково-технічних журналах. За результатами розробок одержано один патент.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 8 розділів та 8 додатків. Повний обсяг дисертації - 336 стор., з них 58 ілюстрацій по тексту, 32 ілюстрацій на 23 стор., додатки на 37 стор., 171 найменування використаних літературних джерел на 17 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертації; формулюється наукова проблема, що розв'язується; розкривається сутність і стан цієї проблеми; висвітлюється зв'язок робот з програмами, планами та темами НДР; формулюється мета і наукові задачі дослідження, розв'язок яких забезпечує досягнення поставленої мети; визначається наукова новизна та практичне значення одержаних результатів; визначається особистий вклад здобувача в надрукованих роботах; подана інформація щодо апробації дисертаційних досліджень; наводиться перелік робіт, що надруковані з теми дисертації.

У першому розділі розглянуті радіохвильові методи і засоби контролю матеріалів і речовин.

Найбільший вклад у розвиток діелькометрії зробили такі вчені як Брандт А.А., Харвей А.Ф., Берлинер М.А., Шахпаронов М.Н., Ахадов Я.Ю., Бензарь В.К.. Балашов В.І. та інші. Більшість робіт пов'язана з виміром абсолютних значень ДП матеріалів та полярних рідин і майже не розглянуті методи та системи виміру ДП біологічних об'єктів сільського господарства (насіння, ембріони, спермії і т.п.). Що стосується виміру змін ДП біооб'єктів під час їх взаємодії з різними фізичними факторами (ЕМП, температура, лазерне випромінювання і т.д.), то вони пов'язані з труднощами, розв'язок яких потребує проведення як теоретичних, так і експериментальних робіт.

Теоретичні і експериментальні дослідження останніх років у області біофізичної дії низькоенергетичних ЕМП під керівництвом М. Девяткова, Ю.Гуляєва (ІРЕ РАН, м. Москва); І. Бородіна, Л. Прищеп (МІІСП ім. Горячкина, м. Москва); Л. Кучина, О. Черенкова, А. Черепньова (Харківський НТУСГ ім. П. Василенка); О. Бляндур (Кишинівський СГІ); Є. Нефьодова (ТулДУ, м. Тула); Л. Червинського (Київський НАУ); Е. Ісмаілова (Дагестан) показали, що електромагнітне випромінювання впливає на життєдіяльність біооб'єктів.

Аналіз методів дослідження взаємодії ЕМП з біооб'єктами показав, що з порівняння характеристик існуючих методів і способів контролю у області впливу низькоенергетичних полів на процеси життєдіяльності біологічних об'єктів витікає, що найбільш інформаційними є методи діелектричної спектроскопії.

Другий розділ присвячений теоретичному аналізу взаємодії низькоенергетичного електромагнітного випромінювання з біооб'єктами на основі квантової теорії і визначенню діапазону змін діелектричної проникності біоречовин.

В процесі низькоенергетичного електромагнітного опромінювання біологічних тканин відбувається іонізація молекул речовини і утворення радикальних пар. Таким чином, зовнішні низькоенергетичні електромагнітні поля роблять вплив на молекулярну структуру біологічних речовин, а, отже, і на електрофізичні їх характеристики такі, як дійсна і уявна частина діелектричної проникності. Природно, що дані зміни спричинятимуть зміни характеристик досліджуваного об'єкту. У разі додавання зовнішнього електромагнітного поля відбувається дипольно-релаксаційна поляризація.

Під впливом зовнішнього електромагнітного поля число молекул в одиниці об'єму не збільшиться, але деякі з них іонізуються, тобто їх поляризуємість зросте, а, отже, зросте поляризуємість і дипольний момент одиниці об'єму речовини, що буде еквівалентне збільшенню відносної діелектричної проникності. Те ж саме слід сказати і про уявну частину діелектричної проникності. Отже, знаючи рівень іонізації біологічного середовища, можна визначити тенденції в зміні її діелектричної проникності, звідки слідують зміни в її біофізичних характеристиках. У зв'язку з цим необхідно розглянути імовірнісну модель процесів, що відбуваються в біологічних середовищах під впливом зовнішніх ЕМП, що дасть можливість визначити кількісні зміни електрофізичних характеристик біологічних тканин в результаті таких дій.

У третьому розділі проведений теоретичний аналіз вимірювальних перетворювачів на основі бісферичного резонатора. У основу вимірювань покладений резонансний метод, ідея якого полягає в спостереженні змін резонансної частоти і добротності резонатора при зміні ДП речовини, поміщеної у вимірювальний резонатор.

Резонатор має центральну частину і торці, що звужуються і стають позамежними для існуючих в центральній частині електромагнітних хвиль. Відсутність в торцевих частинах, починаючи з деякого перетину, хвиль дозволяє виготовити резонатори з відкритими торцями. Це дає можливість легко вводити всередину резонатора досліджувані речовини і матеріали і збільшити добротність резонатора.

Вибравши , рівняння (14) приводиться до рівняння Ейрі, розв'язанням якого є функції Ейрі.

Прирівнюючи нулю детермінант системи лінійних алгебраїчних рівнянь для хвиль типу , що отримана при зшиванні рішень на поверхнях розділу резонатора, одержимо рівняння для визначення резонансної довжини центральної частини резонатора:

У четвертому розділі розглянуто принципи побудови систем для неруйнівного контролю біоречовин за зміною їх діелектричних параметрів та проведені оптимізаційні дослідження характеристик систем з точності та чутливості вимірювань.

Застосування резонаторного методу вимірювань ДП біологічних об'єктів передбачає використання резонаторного пристрою у якості частотного дискримінатора, який визначає принцип побудови системи перетворення частоти. У даних системах частота кварцового генератора за допомогою помножувача і системи частотного автопідстроювання (ЧАП) підстроюється до частоти вимірювального резонатора.

При вимірюваннях змін ДП досліджуваних речовин форма резонансної характеристики резонатора зміщується по частоті, внаслідок чого на виході детектора резонатора з'являється сигнал з частотою із спотвореною формою. За допомогою вузькосмугового вибірного підсилювача, налаштованого на частоту , посилюється перша гармоніка модуляційного сигналу і поступає на один вхід фазового детектора, на другий вхід подається опорний сигнал модуляції цієї ж частоти від генератора, що здійснює частотну модуляцію сигналу збудження. З виходу фазового детектора знімається напруга, величина якої пропорційна вимірюваного зразка. Вимірювання малих втрат речовини (10 ^-4...10 ^-5) пов'язане з вимірюванням високих значень добротності резонатора.

У п'ятому розділі розглянуті методи формування високостабільних НВЧ коливань і проведений аналіз флуктуаційних процесів в помножувачах частоти.

Виходячи з сучасного стану і перспектив розвитку техніки напівпровідникових НВЧ приладів, розглянуті методи формування високостабільних коливань НВЧ діапазону довжин хвиль. Показано, що по спектрально-флуктуаційних характеристиках слід віддати перевагу схемам з фазовим автопідстроюванням частоти, а по надійності і простоті роботи - схемі з прямим множенням частоти кварцового генератора.

Проведений аналіз показує, що на дисперсію флуктуацій частоти на виході системи вимірювання змін ДП біоматеріалів роблять великий вплив шуми транзісторно-варакторного помножувача частоти, у зв'язку з чим виникає необхідність проведення досліджень по оптимізації параметрів схеми, які впливають на спектри флуктуацій амплітуди і частоти (фази) на виході реального помножувально-підсилювального ланцюга.

Для аналізу флуктуаційних процесів була розглянута схема одноконтурного помножувача частоти на варакторі.

З аналізу структурної схеми виходить, що наймогутніший внесок в природні флуктуації фази дає помножувач першого каскаду. Це пояснюється рядом причин. По-перше, в цьому елементі потужність корисного сигналу 3 мВт, по-друге, при проходженні через усі подальші помножуючі елементи потужність флуктуацій збільшується в разів. Розрахунок нестабільності вихідної частоти помножувача показав що нестабільність частоти за 1 мс дорівнює , а за 1 с - .

У шостому розділі розроблені принципи побудови квантових вимірників змін ДП біоречовин і проведений теоретичний аналіз методів вимірювання ДП на основі квантових приладів.

Принцип вимірювання змін ДП в квантових вимірниках заснований на вимірюванні зрушення частоти і зміні добротності спектральної лінії квантового переходу атомів або молекул. В основу квантового вимірника покладений принцип роботи атомно-променевих трубок з пучками атомів рубідію (⁸⁷Rb). Така система характеризується високою еквівалентною добротністю (10 ⁷…10⁹), визначуваної параметрами спектральної лінії ⁸⁷Rb.

Для неруйнівного контролю за зміною дійсної складової ДП біоматеріалів в квантових вимірниках використовується явище зрушення фаз між визначальними полями, виникаючого в результаті електричної асиметрії двох плечей резонатора. Фазовий метод вимірювання змін дійсної складової ДП речовин був розглянутий для конструкцій з U-образним і коаксіально-циліндричним резонаторами.

Оскільки чутливість вимірювання ДП речовин в квантових вимірювачах залежатиме від коефіцієнта зв'язку позамежного хвилеводу з резонатором квантового приладу, то були проведені дослідження по впливу коефіцієнта зв'язку позамежного хвилеводу на зміну частоти квантового вимірювача. Як показали дослідження, відведення енергії в позамежний хвилевід з досліджуваним матеріалом супроводжуватиметься появою в резонаторі двох потоків енергії, що йдуть у напрямі отвору зв'язку від обох частин резонатора. Таким чином, в резонаторі існуватиме дві хвилі, що біжать: одна, співпадаюча з розповсюдженням пучка, і друга, така, що йде в протилежному напрямі. Наявність цих хвиль приводить до появи допплерівських зрушень частоти, знаки яких різні для кожної хвилі. За наявності хвилі, що біжить, напругу в резонаторі можна записати у вигляді:

(34)

де - коефіцієнт зв'язку позамежного хвилеводу з резонатором; - координата довжини резонатору.

У сьомому розділі розроблена функціональна схема квантового вимірювача змін ДП біоматеріалів з використанням спектрально-фазових методів і проведений аналіз досяжних спектральних і флуктуаційних характеристик.

У розробленій системі частота кварцового генератора за допомогою помножувача перетворюється до частоти активного робочого переходу речовини квантового вимірника ДП. НВЧ-сигнал цієї частоти подається на вхід квантового вимірника. Залежно від типу квантового вимірника дія НВЧ-сигналу приводить або до зміни, або до поглинання енергії цього сигналу атомами речовини. При цьому зміна сигналу на виході детектора квантового вимірника від частотного розладу має залежність, характерну для резонансної кривої. радіохвильовий неруйнівний контроль біооб'єкт

Таким чином, система, що складається з квантового вимірника ДП матеріалів, на вхід якого подається модульований по фазі сигнал, селективного підсилювача і фазового детектора, на який подається сигнал модуляції, є частотним дискримінатором, сигнал з входу якого може бути використаний системою фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) як інформативний сигнал дійсної складової ДП досліджуваного матеріалу.

У восьмому розділі проведена розробка і дослідження елементів і вузлів апаратури неруйнівного контролю біоречовин. Приведені результати експериментальних досліджень по дії низькоенергетичних ЕМП на розвиток біологічних систем в рослинництві.

В результаті проведених досліджень створена система вимірювання змін діелектричної проникності на основі бісферичного резонатора з наступними технічними даними: 1) номінальна частота кварцового генератора - 5 Мгц; 2) відносне значення середньої нестабільності частоти КГ в нормальних умовах не перевищує за с; 3) межі перебудови частоти КГ не менше від номінального значення; 4) номінальна частота резонатора 9 ГГц; 5) добротність резонатора - 10⁵; 6) смуга утримання системи ЧАП - не менше 10 кГц; 7) чутливість вимірювань по и по ; 8) відносна похибка вимірювань не більше 0,2 % для і не більше 3 % для .

Результатом застосування систем неруйнівного контролю біооб'єктів в рослинництві було встановлення біотропних параметрів низькоенергетичних ЕМП ВВЧ діапазону (частота, щільність потоку потужності, експозиція), які забезпечували б стимуляцію біологічних процесів насіння зернових культур при їх опромінюванні електромагнітним випромінюванням.

Для вологого насіння гороху: частота ЕМП - 47,1 ГГц; щільність потоку потужності - 15,1 мкВт/см²; експозиція - 10,45 хв. Для сухого насіння: частота ЕМП - 47,18 ГГц; щільність потоку потужності - 15 мкВт/см²; експозиція - 10,4 хв. Результати по параметрах з вологим і сухим насінням майже співпали.

Для пшениці та сої також були визначені біотропні параметри ЕМП: для пшениці - частота 58,6 ГГц, щільність потоку потужності - 10 мкВт/см², експозиція - 10 хв.; для сої - частота 42,2 ГГц, щільність потоку потужності - 15 мкВт/см², експозиція - 10 хв.

Опромінювання насіння гороху електромагнітним випромінюванням (ЕМІ) з параметрами: частота - 47,1 ГГц, щільність потоку потужності - 15,1 мкВт/см², експозиція - 10,45 хв. викликає хромосомні перебудови у насіння до 12%. Для пшениці та сої також були визначені хромосомні аберації: для пшениці - %, контроль - %; для сої - , контроль - %. Обробку насіння пшениці та сої вели електромагнітним випромінюванням з параметрами, які були встановлені за допомогою систем вимірювання змін ДП біооб'єктів. Польові іспити на схожість насіння гороху, пшениці та сої, що були оброблені ЕМП з вище зазначеними параметрами, показали, що схожість насіння гороху у досліді склала 96,2 % (контроль 69,8 %), схожість насіння пшениці у досліді склала 89,7 % ( контроль 62,2 %), схожість насіння сої у досліді склала 90,2 % (контроль 67 %).

Польові досліди з горохом проводилися в 2004, 2005 і 2006 рр. в Запорізькій області. У досліді і контролі використовувалися посівні площі по 10 га. Підсумки врожаю показали, що у досліді приріст урожаю склав 9,6 ц/га в 2004 р., 8,1 ц/га в 2005 р. і 12,6 ц/га у 2006 р. Надбавка врожаю відбулася за рахунок збільшення бобів, що приходяться на одну рослину, а також збільшення кількості зерен у бобі.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена теоретична й експериментальна проблема обґрунтування й розробки технічних систем діелектричної спектроскопії для неруйнівного контролю біооб'єктів рослинництва та тваринництва.

1.Для створення нових електротехнологій в сільськогосподарському виробництві на основі взаємодії низькоенергетичних ЕМП з біооб'єктами необхідно застосовувати автоматизовані системи діелектричної радіоскопії з визначення біотропних параметрів ЕМП (частота, щільність потоку потужності, стабільність частоти, експозиція, модуляція і т.д.), які забезпечували б отримання наміченого біологічного ефекту (підвищення якості і кількості урожаю зернових культур, лікування тварин і т.д.).

2.Обґрунтування досліджень, пов'язаних з розробкою систем неруйнівного контролю біооб'єктів по зміні діелектричних параметрів можливо з використанням математичної моделі для радикальних реакцій на основі квантової взаємодії біооб'єктів із зовнішнім ЕМП.

3.Для виконання вимог по чутливості вимірювань ДП в межах , необхідно застосовувати бісферичні резонатори, для розрахунку параметрів яких використовувати теоретичні дослідження, пов'язані з рішенням лінійних диференціальних рівнянь із змінними коефіцієнтами методом приєднаного рівняння.

4.Виконання умов по точності вимірювань змін ДП біооб'єктів в межах , і чутливості в межах , можливо на основі спектрально-фазових методів, які засновані на проходженні через резонатор модульованого по частоті СВЧ сигналу.

5.Для виконання вимог по чутливості вимірювання змін ДП біооб'єктів в системах неруйнівного контролю з бісферичним резонатором для СПЧ рекомендуються наступні параметри: ; ; ; ; ; ; с; с; с, при яких час встановлення перехідного процесу с, величина перерегулювання 18 %, а дисперсія помилки не перевищує .

6.У багатокаскадних помножувачах частоти, для зменшення фазових флуктуацій слід в перших каскадах реалізувати максимальний коефіцієнт множення частоти, а необхідний ступінь придушення побічних гармонік вхідного сигналу (60...70 дБ) забезпечити фільтрами зосередженої селекції.

7.Для вимірювання змін ДП біооб'єктів в межах рекомендується використовувати квантові вимірювачі на АПТ з атомами, які можуть забезпечити добротність в межах .

8.Забезпечення чутливості вимірювань змін ДП біоречовин в межах можливо з виконанням вимог до сигналу на виході помножувача частоти в системі ФАПВ: ослаблення бічних складових в спектрі НВЧ сигналу не менше 40 дБ, а фазові флуктуації - не більше 110 дБ/Гц.

9. Аналіз системи перетворення частоти для виконання вимог по точності підстроювання частоти (фази) кварцового генератора до лінії атомного переходу квантового приладу в межах необхідно проводити на основі флуктуаційного методу з використанням рядів Вольтерра, які враховують нелінійні властивості системи.

10. Для збільшення врожайності зернових та зернобобових культур на 25...45 % рекомендується передпосівна обробка насіння низькоенергетичним ЕМП ВВЧ діапазону з параметрами: для гороху - частота 47,1 ГГц, щільність потоку потужності 10...15 мкВт/см², експозиція 10...15 хв.; для пшениці - частота 58,6 ГГц, щільність потоку потужності 10 мкВт/см², експозиція 10 хв.; для сої - частота 42,2 ГГц, щільність потоку потужності 15 мкВт/см², експозиція 10...15 хв.

11. Збільшення продуктивності тварин можлива із впровадженням систем контролю для діагностики фізіологічного стану тварин за змінами ДП крові.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Верескун О.В., Мунтян В.О. Застосування оптико-електронної системи для оцінки характеристик біологічних об'єктів // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2001. - Т. 19. вип. 1. - С. 56 - 61.

2.Коваленко О.І., Мунтян В.О. Обґрунтування засобів експрес-аналізу якості насіння зернових культур // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2001. - Т. 19, вип. 2. - С. 36 - 39.

3.Коваленко О.І., Мунтян В.О. Побудова математичної моделі насіння для оцінки його якості // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2001. - Т. 24, вип. 1. - С. 75 - 79.

4.Мунтян В.А. Устройства для неразрушающего контроля биообъектов на основе атомно-лучевых трубок // Проблеми забезпечення та енергозбереження в АПК України. - Харків: Вісник ХДТУСГ. - 2003. - Том 1, № 19. - С. 143 - 150.

5.Мунтян В.А. Обоснование систем неразрушающего контроля биологических объектов по изменению диэлектрических параметров // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2004. - Вып. 20. - С. 123 - 131.

6.Пиротти Е.Л., Мунтян В.А. Применение объемных резонаторов для измерения изменений диэлектрической проницаемости биологических объектов // Технічна електродинаміка. - 2004. - № 4. - С. 109 - 113.

7.Мунтян В.А., Пиротти Е.Л. Влияние коэффициента связи запредельного волновода с резонатором на стабильность частоты квантового измерителя диэлектрической проницаемости материалов // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України. - Харків: Вісник ХДТУСГ. - 2004. - Т. 1, № 27. - С. 209 - 215.

8.Пиротти Е.Л., Мунтян В.А. Расчетные соотношения для определения электрофизических параметров веществ с использованием бисферического резонатора // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2004. - Вып. 24. - С. 110 - 117.

9. В.А. Мунтян. Расчет добротности бисферического резонатора для измерения изменения диэлектрических параметров биологических веществ // Електрифікація та автоматизація сільського господарства. - Київ: Центр технологічної інформації "Енергетика та електрифікація". - 2004. - № 4 (9). - С. 44 - 50.

10. Мунтян В.А. Теоретичний аналіз системи перетворення частоти квантових вимірювачів діелектричної проникності матеріалів // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2005. - Вип.. 31. - С. 32 -42.

11. В.А. Мунтян, Е.Л. Пиротти. Исследование флуктуационных процессов в умножителях на варакторах и транзисторах // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелитополь: ТДАТА. - 2005. - вып. 25. -С. 80 - 86.

12. Мунтян В.О. Технічні флуктуації в помножувачах частоти // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2005. - Вип.. 28. - С. 67 - 75.

13. Мунтян В.О., Адамова С.В. Природні флуктуації в помножувачі частоти на варакторі // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. \ Мелітополь: ТДАТА. - 2005. - Вип.. 32. - С. 100 - 104.

14. Мунтян В.А., Галкин Ю.Г. Основные тенденции в развитии средств радиоволнового контроля материалов и биологических веществ // Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України. - Харків: Вісник ХНТУСГ ім.. П.Василенка. - 2005. - Т.1, вип.. 37. - С. 227 - 233.

15. Ю.Е. Мегель, В.А. Мунтян. Теоретический анализ влияния частотных флуктуаций КГ и умножителя частоты на точность неразрушающего контроля биоматериалов // Радиотехника. - Харьков: ХНУРЭ. - 2006. - № 144. - С. 56 - 58.

16. В.А. Мунтян. Применение систем неразрушающего контроля биообъектов в растениеводстве // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Харьков: Технологический центр. - 2006. - 3/2(21). - С. 113 - 115.

17. В.А. Мунтян, Н.Н. Скрипник. Определение параметров ЭМП КВЧ диапазона для обработки семян кукурузы по изменению их диэлектрических параметров // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - Харьков: Технологический центр. - 2006. - 4/3 (22). - С. 34 - 35.

18. Н.Н. Скрипник, В.А. Мунтян. Разработка умножительно-усилительных устройств для системы неразрушающего контроля биообъектов по изменению их диэлектрических параметров // Энергосбережение, энергетика, энегоаудит. - Харьков: "СВЭКО". - 2006. - № 8. С. 9 - 12.

19. Мунтян В.О., Лисенко О.В. Перетворення варакторним помножувачем флуктуацій амплітуди та частоти вхідного коливання // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2005. - Вип.. 33. - С. 20 - 25.

20. Мунтян В.А. Влияние электромагнитных излучений на образование свободных радикалов в биообъектах // Энергосбережение, энергетика, энегоаудит. - Харьков: "СВЭКО". - 2006. - № 10. - С. 17 - 23.

21. В.А.Мунтян, Е.Л.Пиротти. Анализ устойчивости системы измерения диэлектрической проницаемости биоматериалов на основе атомно-лучевой трубки // Вестник НТУ "ХПИ". - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2006. - Вып. 35. - С. 87 - 90.

22. В.А.Мунтян, Е.Л.Пиротти. Методы формирования высокостабильных колебаний СВЧ диапазона длин волн // Вестник НТУ "ХПИ". - Харьков: НТУ "ХПИ". - 2006. - Вып. 36. - С. 86 - 89.

23. Мунтян В.О., Галкіна Г.М., Адамова С.В. Аналіз методів неруйнівного контролю стану біологічних речовин, які зазнали вплив інформаційних електромагнітних полів // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь: ТДАТА. - 2006. - Вып. 44. - С. 139 - 146.

24. Пат. 6716 України, UA 7 601 R 27/06 Пристрій для вимірювання змін уявної складової діелектричної проникності біологічної речовини / В.О. Мунтян, А.В. Мунтян, Я.М. Коваленко (Україна). - № 20041109051. Заявл. 05.11.2004 р. Опубл. 16.05.2005. Бюл. № 5. - 3 с.

АНОТАЦІЇ

Мунтян В.О. Системи діелектричної спектроскопії в електромагнітних технологіях підвищення продуктивності біооб'єктів сільського господарства. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, Харків, 2007.

Дисертацію присвячено проведенню теоретичних й експериментальних досліджень по створенню систем радіохвильового контролю діелектричної проникності (ДП) біооб'єктів після дії на них низькоенергетичних електромагнітних полів (ЕМП). Вивчення діелектричних характеристик біооб'єктів залежно від параметрів ЕМП (частота, потужність, експозиція і т.д.) дозволить встановити зміни властивостей біооб'єктів у часі із урахуванням стимулюючого або інгібіруючого ефектів. У зв'язку з вказаною проблемою в роботі були вирішені наступні завдання: розроблені і обґрунтовані принципи побудови систем радіохвильового контролю за зміною ДП біооб'єктів і проведені оптимізаційні дослідження основних параметрів; на основі квантової теорії проведений аналіз взаємодії електромагнітного випромінювання з біооб'єктами і визначений діапазон змін ДП; проведений теоретичний аналіз флуктуаційних процесів в помножувачах частоти для пристроїв контролю з метою задоволення вимог по чутливості вимірювання ДП (,); теоретично обґрунтовані амплітудно-фазові методи вимірювання ДП біоречовин у квантових пристроях і проведений теоретичний аналіз із досягнення необхідних спектральних і флуктуаційних характеристик квантових вимірників ДП біоречовин. На основі досліджень були створені системи вимірювання ДП біоречовин, які можуть бути використані для визначення біотропних параметрів ЕМП для різних об'єктів (на клітинному, тканинному й органному рівнях), що дозволить створити нові речовини і технології в сільському господарстві, промисловості та медицині. Розроблені системи контролю були застосовані в рослинництві та тваринництві, що дозволило збільшити врожайність гороху на 40 % у порівнянні з контролем та збільшити продуктивність тварин.

Ключові слова: низькоенергетичні електромагнітні поля; біотропні параметри ЕМП; бісферичний резонатор; квантові прилади; зміна діелектричної проникності біооб'єктів; передпосівна обробка насіння; діагностика тварин.

Мунтян В.А. Системы диэлектрической спектроскопии в электромагнитных технологиях повышения производительности биообъектов сельского хозяйства. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Национальный технический университет сельского хозяйства им. П.Василенко, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена проведению теоретических и экспериментальных исследований по созданию систем радиоволнового контроля диэлектрической проницаемости (ДП) биообъектов после воздействия на них низкоэнергетических электромагнитных полей (ЭМП). Предварительные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что желаемое изменение хода информационных процессов в биологическом объекте возможно только при оптимальном сочетании параметров воздействующего ЭМП (частота, мощность, модуляция, экспозиция). Определить оптимальные параметры ЭМП с использованием общепринятых методов довольно трудно и, кроме того, для их определения требуются интервалы времени, исчисляемые годами. Одним из путей решения этой проблемы является разработка автоматизированных систем радиоволнового контроля биообъектов по изменению их диэлектрических параметров. Изучение диэлектрических характеристик биообъекта в зависимости от параметров ЭМП позволит установить изменения свойств биообъектов во времени с учетом стимулирующего или ингибирующего эффекта. В связи с указанной проблемой в работе на основе квантовой теории проведен анализ по взаимодействию электромагнитного излучения (ЭМИ) с биообъектами и был определен диапазон изменений ДП, который составил для и для . В основу разработанных принципов измерения изменений ДП биовеществ положены резонаторные методы. Применение объемных резонаторов с добротностями и квантовых приборов с эквивалентной добротностью предусматривает использование этих устройств в качестве частотных дискриминаторов, которые определяют принцип построения систем преобразования частоты (СПЧ). В разработанных СПЧ частота кварцевого генератора (КГ) с помощью умножителя подается на вход резонатора или преобразуется к частоте активного рабочего перехода вещества квантового прибора. Точность для обеих систем измерения зависит от точности подстройки частоты КГ к частоте частотных дискриминаторов, и поэтому в работе были проведены исследования по влиянию спектральных и флуктуационных характеристик умножителей и КГ на точность подстройки. На основе проведенных исследований были созданы две системы измерения изменений ДП биообъектов, одна на основе бисферического резонатора, другая - на основе квантового прибора с парами ⁸⁷Rb. Система с бисферическим резонатором обеспечивает точность измерений 0,2 % для и 3 % для . Относительная погрешность измерений для системы с квантовым прибором составляет 0,03 % для и 2 % для . Результатом применения систем неразрушающего контроля биообъектов в растениеводстве являлось установление биотропных параметров ЭМП КВЧ диапазона, которое обеспечивает стимуляцию биологических процессов в семенах зерновых культур при их облучении ЭМП. Для определения биотропных параметров ЭМП был проведен многофакторный эксперимент, в котором в качестве отклика семян гороха, пшеницы и сои на ЭМ воздействие было взято соотношение . В результате эксперимента были установлены параметры ЭМП для воздействия не семена указанных культур: для гороха - частота 47,1 ГГц, плотность потока мощности - 10...15 мкВт/см², экспозиция - 10...15 мин.; для пшеницы - частота 58,6 ГГц, плотность потока мощности 10 15 мкВт/ см², экспозиция 10 мин.; для сои - частота 42,2 ГГц, плотность потока мощности 15 мкВт/см², экспозиция 10...15 мин. Предпосевная обработка семян ЭМП с указанными параметрами позволила увеличить урожайность от 25 до 40 %. В животноводстве повышение продуктивности животных возможно с внедрением систем контроля для диагностики физиологического состояния животных по изменению ДП крови.

Ключевые слова: низкоэнергетические электромагнитные поля; биотропные параметры ЭМП; бисферический резонатор; квантовые приборы; изменение диэлектрической проницаемости биообъектов; предпосевная обработка семян; диагностика животных.

Muntyan V.A. Systems of dielectric spectroscopy in electromagnetic technologies of productivity increasing of bioobjects in agriculture

Thesis for the doctor of science degree, specialization 05.09.03 - electrical engineering complexes and systems. National technical university of agriculture by P.Vasylenko, Kharkiv, 2007.

The thesis is devoted to realization of theoretical and experimental researches on creation of the radio-wave checking systems of dielectric permeability (DP) of bio-objects after influence on them of the low-energy electromagnetic fields (EMF). The study of dielectric characteristics of bio-objects depending on the parameters of EMF (frequency, power, exposition etc) will allow setting the changes of properties of bio-objects in time and taking into account stimulatory or inhibitory effects. In connection with the indicated problem the following tasks were decided: developed and grounded principles of construction of the radio-wave checking systems on the change of DP of bio-objects and optimizations researches of basic parameters are conducted; on the basis of quantum theory the analysis of co-operation of electromagnetic radiation with bio-objects is conducted and the range of changes of DP is determined; the theoretical analysis of fluctuations processes in frequency multipliers for the devices of control is conducted with the purpose of satisfaction of requirements on the sensitiveness of measuring of DP (,); in theory the amplitude-phase methods of measuring of DP of bio-objects in the quantum devices are grounded and the theoretical analysis is conducted on achievement of the required spectral and fluctuations descriptions of quantum measuring devices of DP of bio-objects. Based on studies the systems of measuring of DP of biomaterials were created which can be used for determination of biotropic parameters of EMF for different objects (at cellular, tissue and organ levels), that will allow to create the new materials and technologies in agriculture, industry and medicine. The developed checking systems were applied in the plant-grower and stock-raising, that allowed to multiply productivity of pea on 40 % in comparison with the control and to multiply productivity of animals.

Keywords: low-energy electromagnetic fields; biotropic parameters of electromagnetic fields; bispherical resonator; quantum devices; change of dielectric permeability of bio-objects; preplant treatment of seed; diagnostics of animals..

Размещено на Allbest.ru

...