CC BY
7
Literatura
1. Rob van Haaren Large scale aerobic composting of source separated organic wastes: A
comparative study ofenvironmental impacts, costs, and contextual effects. / Rob van Haaren. -Columbia: Department of Earth and Environmental Engineering Fu Foundation of Engineering and Applied Science Columbia University, 2009. - 71 s.
2. SHigapov I.I., Polyakova YU.V. Sovremennye tekhnologij uborki i pererabotki zhidkogo navoza // Dostizheniya tekhniki i tekhnologij v APK: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj pamyati Pochetnogo rabotnika vysshego professional'nogo obrazovaniya, Akademika RAE, doktora tekhn. nauk, prof. V.G. Artem'eva; otvet. redaktor YU.M. Isaev. / IzhGSKHA. - Izhevsk. - 2018. - S. 248-254.
3. Mohov A.A. Obosnovanie parametrov bystrohodnogo konvejera mashiny dlya peremeshivaniya i podachi komposta s distancionnym upravleniem // AgroEkolnfo. - 2018. - №1(31). - S. 33.
4. Fajzullin M.I. Osobennosti raspredeleniya polya temperatur v tolshche navoza pri obrabotke ego vozduhom // Innovacionnyj potencial sel'skohozyajstvennoj nauki XXI veka: vklad molodyh uchyonyh-issledovatelej: materialy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii (24-27 oktyabrya 2017 goda): [Elektronnyj resurs] / FGBOU VO Izhevskaya GSKHA. - Izhevsk: FGBOU VO Izhevskaya GSKHA, 2017. - S. 258-263.
5. Mohov A.A., SHakirov R.R. Planirovanie i analiz rezul'tatov eksperimental'nogo issledovaniya raboty mashiny dlya prigotovleniya komposta: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii; V 3 tomah / FGBOU VO Izhevskaya gosudarstvennaya sel'skohozyaj stvennaya akademiya. - 2018. - S. 65-70.
6. Ivanov A.G. Perspektivnaya tekhnologiya utilizacii navoza metodom uskorennoj fermentacii // Nauchno obosnovannye tekhnologii intensifikacii sel'skohozyaj stvennogo proizvodstva: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii; V 3-h tomah / Ministerstvo sel'skogo hozyajstva Rossijskoj Federacii; Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Izhevskaya gosudarstvennaya sel'skohozyajstvennaya akademiya». - 2017. - S. 77-82.
7. Fajzullin M.I. Planirovanie i analiz rezul'tatov polnofaktornogo eksperimenta po obrabotke navoza vozduhom // Innovacionnye tekhnologii dlya realizacii programmy nauchno-tekhnicheskogo razvitiya sel'skogo hozyajstva: materialy Mezhdunarodnoj nauch.-prak. konf. / V 3-h tomah. (13-16 fevralya 2018 goda). - Izhevsk, 2018. - S. 185-191.
УДК 621.3.095.3 Б01 10.24411/2078-1318-2019-12203
Канд. техн. наук Е.А. ЛОГАЧЕВА (ФГБОУ ВО СГАУ, elena.logacheva2010@yandex.ru) Канд. техн. наук В.Г. ЖДАНОВ (ФГБОУ ВО СГАУ, jdanov.valery@yandex.ru) Канд. техн. наук В.И. ЗОБНИН (ФГБОУ ВО СПбГАУ, zobaik@yandex.ru)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ СВЧ- ТЕХНОЛОГИЙ
Стремительный рост населения планеты постоянно требует увеличения производства продовольствия. По прогнозам Организации Объединенных Наций население планеты к 2050 году достигнет 9 миллиардов человек. Постоянно растущий спрос на продукты питания заставляет трансформироваться существующее сельское хозяйство. В настоящий момент для успешно конкурирующего сельскохозяйственного производства уже недостаточно привычных ресурсов, то есть земли и воды. Эффективное производство предполагает
большее количество продукции, произведенное при использовании меньших ресурсов, то есть необходимы новые технологии.
Обостряющийся дефицит энергетических ресурсов одновременно с неизбежным появлением новых технологий влекут за собой серьезные качественные изменения в использовании электрической энергии. Доля электроэнергии, затрачиваемой на тепловые процессы, должна постоянно снижаться. С этой целью разрабатываются передовые технологии, использующие электромагнитные поля различной частоты. Предлагается использование СВЧ-энергии (сверхвысокой частоты) в растениеводстве для обработки семян различных сельскохозяйственных культур перед посевом, для борьбы с сорняками, для обеззараживания тепличного грунта, для сушки чая и целебных трав, в животноводстве - для лечения животных, стимуляции молокоотдачи и т.д. Возможно использование СВЧ-нагрева в переработке сельскохозяйственной продукции [1].
Технологически предлагаемые методы достаточно хорошо проработаны. Неизученным остается вопрос безопасной работы людей, обслуживающих технологические линии. Эксплуатацию СВЧ-установки нельзя свести только к соблюдению правил электробезопасности. По сравнению с традиционным технологическим тепловым оборудованием СВЧ-установки требуют от персонала дополнительных знаний, умений и навыков.
Государственная политика России в области охраны труда определяется основным принципом «признание и обеспечение приоритета жизни и здоровья работников по отношению к результатам производственной деятельности предприятия» [2]. Устанавливается право каждого человека иметь рабочее место, защищенное от воздействия вредных или опасных производственных факторов, которые могут вызвать производственную травму, профессиональное заболевание или снижение работоспособности. При этом «разработка и выпуск средств производства, внедрение технологий, не отвечающих требованиям по охране труда, не допускается».
Цель исследования - оценка опасности сельскохозяйственных СВЧ-технологий и разработка мер по ее снижению.
Материалы, методы и объекты исследования. Электромагнитные волны предсказаны Максвеллом в 1873 г. и экспериментально обнаружены Герцем в 1888 г. В 1926 году В.И. Вернадский писал: «Кругом нас, в нас самих, всюду и везде, без перерыва, вечно сменяясь, совпадая и сталкиваясь, идут излучения различной волны... Мы начинаем сознавать их разнообразие, понимать отрывочность и неполноту наших представлений об окружающем и проникающем нас в биосфере мире излучений, об их основном значении в окружающих нас процессах» [3].
Живые организмы все время своего существования подвергались воздействию электромагнитных волн. Источниками электромагнитного излучения являются все космические тела, в первую очередь, Солнце, и электрические процессы, происходящие в атмосфере. Огромное влияние на живые организмы оказывает собственное статическое и магнитное поле Земли.
В свою очередь, все живые объекты являются источниками электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот, так как любой живой организм состоит из множества клеток, каждая из которых содержит атомы, молекулы, заряженные частицы.
Научный прогресс привел к широкому использованию на практике самых различных волновых процессов. Человек создал и развивает мощную промышленность. Повседневная жизнь «пропитана электричеством». Огромное количество устройств и приборов вошли в наш обиход. Радиовещание, телевидение, радионавигация воспринимаются как простые и очевидные явления.
Именно поэтому люди все чаще задаются вопросами безопасного существования, поиском компромисса между комфортом современной жизни и необходимостью сохранять естественный «электромагнитный фон» окружающей среды [4].
Объект исследования - технологические процессы и оборудование СВЧ, используемое в агропромышленном производстве, а именно: плотность потока энергии на рабочем месте оператора, обслуживающего установку по предпосевной обработке семян; коэффициенты отражения различных сельскохозяйственных материалов.
Экспериментальные исследования проводились в конце 90-х в агротехнической фирме «Лето» Ленинградской области, НИИ ВМФ, на кафедре охраны труда СПбГАУ. Работа возобновлена и продолжается на электроэнергетическом факультете Ставропольского ГАУ.
Диэлектрический нагрев основан на смещении зарядов и связанных с ними молекул при воздействии на вещество переменного электромагнитного поля. Теория Максвелла представляет электромагнитное поле как неразрывное взаимодействие двух составляющих -электрической Е (В/м) и магнитной Н (А/м). То есть электромагнитную волну можно представить, как объемную модель, где две плоские монохроматические волн одной и той же частоты, линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях, распространяются в одном направлении [1, 4].
В технологическом процессе необходимо учитывать энергетические свойства электромагнитной волны. Для разработчиков важно значение энергии, которую переносит волна за единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны. Попадая на границу раздела двух сред, часть электромагнитной волны отражается, а часть, преломляясь, переходит во вторую среду. Отношение интенсивностей отраженной и падающей волн называют коэффициентом отражения. Возможно как полное отражение волны, так и полное прохождение волны. Тип волны во многом определяется конструкцией элементов СВЧ-установки.
Для создания безопасных условий труда человека, управляющего данным технологическим процессом, важны не только энергетические свойства электромагнитного поля, но и его конфигурация. Анализ высокочастотного оборудования предлагаемых технологий осуществлялся по следующим классификационным признакам [4, 5].
Во-первых, СВЧ-технологии можно классифицировать по мощности СВЧ-генератора.
Во-вторых, степень опасности зависит от стационарного или мобильного исполнения СВЧ-установки.
В-третьих, классификацию можно провести по конструктивному исполнению устройства ввода энергии, которые могут быть такими как: открытый конец волновода, рупор, усеченный рупор, усеченный волновод, щель в металлическом экране и т.д. (рис. 1).
В-четвертых, при оценке степени опасности СВЧ-технологии важно такое свойство, как имеется ли непосредственный контакт устройства ввода энергии с обрабатываемым материалом или обработка ведется через слой воздуха (рис. 2).
Рис. 1. Устройства ввода энергии: а - пирамидальный рупорный излучатель, б - излучатель
усеченный волновод
СВЧ-установки по потенциальной опасности, создаваемой для обслуживающего персонала, классифицируем следующим образом (рис. 3).
а) б)
Рис. 2. Наличие или отсутствие воздушного зазора между устройством ввода энергии и обрабатываемым материалом: а - слой воздуха, б - непосредственный контакт
Рис. 3. Классификация СВЧ-установок
Программа исследования. Очевиден тот факт, что только самые простые установки могут служить примером для рассмотрения какого-либо одного классификационного признака. С целью экспериментальной проверки действия представленной классификации проведены экспериментальные исследования по следующей программе:
- изучение параметров электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМП СВЧ);
- получение частотных характеристик коэффициентов стоячей волны (КСВ) различных сельскохозяйственных материалов;
- получение значений коэффициентов отражения Г разнообразных сельскохозяйственных материалов при различной влажности образца.
Исследование частотных характеристик сельскохозяйственных материалов производились на измерителе КСВ панорамном Р2-42, предназначенном для панорамного отображения на экране осциллографа и измерения значений КСВ. Диапазон рабочих частот
от 2,29 до 6,14 ГГц, сечение волноводного тракта 48 х 24 мм. Структурная схема измерения КСВ представлена на рис. 4.
В основе работы измерителя КСВ лежит работа рефлектометра. Рефлектометр выделяет сигналы волны, падающей от генератора, и волны, отраженной от измеряемого объекта. Два направленных детектора, включенных последовательно, осуществляют раздельное выделение сигналов.
ПКЧ
Г=) отрая
г-Э ПАЛ
б- АРМ
оТД и х
о» о
у
+- +
10
V
V
X
с
Рис. 4. Структурная схема измерения КСВ: 1 - генератор качающейся частоты, 2 - кабель, 3 - индикатор Я2Р-67, 4 -коаксиально-волноводный переход, 5 - аттенюатор, 6 - детектор направленный «падающая», 7 -детектор направленный «отраженная», 8 - измеряемый объект, 9,10 - кабели соединительные
У каждого образца (семян пшеницы, ячменя, сои, кукурузы, гороха, чая, цикория, сухофруктов и т.д.) изменялась влажность (10, 20, 30%), на всем частотном диапазоне с шагом 500 МГц определялся КСВ в единицах КСВ, по известным выражениям рассчитывался коэффициент отражения Г.
(1)
Результаты исследования. В результате проведенных экспериментальных исследований получены зависимости КСВ целого ряда сельскохозяйственных материалов при различной влажности образцов в диапазоне частот от 2290 до 6140 МГц, которые приведены на рис. 5.
КСВ 4
КСВ
о о 2 22 °°°ооо
О О о СО о О О О О О
□ по «го ч) о т о ¡75 о
нн н г-чп (л ч1 тг ¡75 ¡л чЕ
МГц
Ш
ооооооооо^о
ООООООООООО 1\Ц ц 1—11—
а) б)
Рис. 5. Кривые зависимостей КСВ образцов сельскохозяйственных материалов: а - кукуруза; б - горох
Соответствующие количественные изменения коэффициента стоячей волны КСВ и отражения Г семян подсолнечника, измеренные в панорамном режиме при различной влажности образцов, приведены в таблице.
Таблица. Коэффициенты стоячей волны КСВ и отражения Г семян подсолнечника,
измеренные в панорамном режиме
Исследуемый материал Семена подсолнечника
Частота, МГц 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Исследуемые характеристики (КСВ, Г) ксв г ксв г ксв г ксв г ксв г ксв г ксв г
Влажность образца 10% 2.3 0.62 2.4 0.64 1.3 0.36 2.0 0.57 2.0 0.57 1.6 0.48 1.5 0.46
Влажность образца 20% 3.2 0.72 2.9 0.69 2.8 0.68 3.0 0.70 3.25 0.72 3.35 0.73 3.0 0.70
Влажность образца 30% 4.8 0.80 4.7 0.80 3.1 0.71 2.8 0.68 2.75 0.68 2.8 0.68 3.1 0.71
Выводы:
1. Приведенная классификация СВЧ-технологий показывает, что к использованию в сельском хозяйстве предлагается наиболее опасный вариант с открытым излучающим устройством.
2. Установленные частотные зависимости большого ряда образцов различных сельскохозяйственных материалов при различных влажностях образца показали значительное снижение коэффициентов отражения при самой низкой влажности. Поэтому, с позиции безопасности, наиболее предпочтительной является обработка материалов ЭМП СВЧ в сочетании с традиционной сушкой [4, 5].
3. Экспериментальные исследования частотных характеристик сельскохозяйственных материалов в диапазоне частот от 2290 МГц до 6140 МГц показали, что из двух частот, разрешенных к использованию (2450 МГц, 5800 МГц), более безопасной является 5800 МГц [4, 5, 6].
Исследование процессов формирования электромагнитных полей необходимы для определения безопасных условий труда людей. Результаты проведенных исследований могут быть использованы в основных направлениях: в нормировании, то есть определении параметров действующего фактора, его предельно допустимых значений; в контроле действующего опасного фактора; в разработке защитных мероприятий [4-7].
Литература
1. Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление. - М.: Наука, 1991. - 270 с.
2. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 № 197-ФЗ (ред. от 01.04.2019).
3. Изаков Ф.Я. Основные направления научных исследований по применению сверхвысокочастотной энергии в сельком хозяйстве // Применение энергии высоких и сверхвысоких частот в технологических процессах с.-х. производства: сб. научных трудов. - Челябинск, 1983. - С.5-9.
4. Логачева Е.А., Жданов В.Г. Электромагнитная безопасность производственного оборудования // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. научных трудов по мат. 74-й науч.-практ. конф. электроэнергетического факультета СтГАУ (г. Ставрополь, 2010 г.). - Ставрополь, 2010. - С. 120-122.
5. Логачева Е.А., Жданов В.Г. Так ли безопасны экологически чистые СВЧ-установки? Сельский механизатор. - 2012. - № 5. - С. 26-27.
6. Atanov I.V., Mastepanenko M.A., Ivashina A.V., Zhdanov V.G., Logacheva E.A., Avdeeva V.N. Seed treatment by pulsed electric field before sowing/Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. Т. 7. № 6. С. 1664-1671.
7. Изаков Ф.Я., Матвеев Б.А. К расчету поля в рупорном сверхвысокочастотном излучателе // Применение энергии высоких и сверхвысоких частот в технологических процессах с.-х. производства.: сб. научных трудов. - Челябинск, 1983. - С.9-15.
Literatura
1. Vernadskij V.I. Nauchnaya mysl' kak planetnoe yavlenie. - M.: Nauka, 1991. - 270 s.
2. Trudovoj kodeks Rossijskoj Federacii ot 30.12.2001 № 197-FZ (red. ot 01.04.2019).
3. Izakov F.YA. Osnovnye napravleniya nauchnyh issledovanij po primeneniyu sverhvysokochastotnoj energii v sel'kom hozyajstve // Primenenie energii vysokih i sverhvysokih chastot v tekhnologicheskih processah s.-h. proizvodstva: sb. nauchnyh trudov. - CHelyabinsk, 1983. - S.5-9.
4. Logacheva E.A., ZHdanov V.G. Elektromagnitnaya bezopasnost' proizvodstvennogo oborudovaniya // Metody i tekhnicheskie sredstva povysheniya effektivnosti ispol'zovaniya elektrooborudovaniya v promyshlennosti i sel'skom hozyajstve: sb. nauchnyh trudov po mat. 74-y nauch.-prakt. konf. elektroenergeticheskogo fakul'teta StGAU (g. Stavropol', 2010 g.). -Stavropol', 2010. - S. 120-122.
5. Logacheva E.A., ZHdanov V.G. Tak li bezopasny ekologicheski chistye SVCH-ustanovki? Sel'skij mekhanizator. - 2012. - № 5. - S. 26-27.
6. Atanov I.V., Mastepanenko M.A., Ivashina A.V., Zhdanov V.G., Logacheva E.A., Avdeeva V.N. Seed treatment by pulsed electric field before sowing/Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2016. T. 7. № 6. S. 1664-1671.
7. Izakov F.YA., Matveev B.A. K raschetu polya v rupornom sverhvysokochastotnom izluchatele // Primenenie energii vysokih i sverhvysokih chastot v tekhnologicheskih processah s.-h. proizvodstva.: sb. nauchnyh trudov. - CHelyabinsk, 1983. - S.9-15.
