Научная статья на тему 'Исследование частотных характеристик сельскохозяйственных материалов с целью обеспечения безопасности СВЧ-технологий'

Исследование частотных характеристик сельскохозяйственных материалов с целью обеспечения безопасности СВЧ-технологий Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

CC BY
64
6
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
электромагнитные поля / сверхвысокочастотный диапазон / охрана труда / electromagnetic fields / microwave range / labor safety

Аннотация научной статьи по прочим технологиям, автор научной работы — Е А. Логачева, В Г. Жданов, В И. Зобнин

Статья поднимает проблему безопасного внедрения новых технологий с использованием электромагнитных полей СВЧ диапазона. Эксплуатацию СВЧ-установки нельзя свести только к соблюдению правил обслуживания электрооборудования и средств автоматизации. Предлагаемые технологии требуют дополнения в действующие требования охраны труда. С этой целью проведена оценка опасности сельскохозяйственных СВЧ-технологий. Исследования проводились по двум направлениям: плотность потока энергии на рабочем месте оператора, обслуживающего установку по предпосевной обработке семян; коэффициенты отражения различных сельскохозяйственных материалов. Анализ предлагаемых СВЧ-технологий позволил представить классификацию СВЧтехнологий, которая показывает, что к использованию в сельском хозяйстве предлагается наиболее опасный вариант с открытым излучающим устройством. Установленные частотные зависимости 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по прочим технологиям , автор научной работы — Е А. Логачева, В Г. Жданов, В И. Зобнин

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STUDY OF THE FREQUENCY CHARACTERISTICS OF AGRICULTURAL MATERIALS TO ENSURE THE SAFETY OF MICROWAVE TECHNOLOGIES

The article raises the problem of safe introduction of new technologies using electromagnetic fields of microwave range. Operation of the microwave unit cannot be reduced to compliance with the rules of maintenance of electrical equipment and automation. The proposed technologies require additions to the existing requirements of labor safety. For this the hazard assessment of agricultural microwave technologies was carried out. The studies were conducted in two directions: the density of the energy flow in the workplace of the operator serving the pre-sowing seed treatment plant; the reflection coefficients of various agricultural materials. The analysis of the proposed microwave technologies allowed to present the classification of microwave technologies, which shows that the most dangerous option with an open emitting device is proposed for use in agriculture. The established frequency dependences of different agricultural materials at different sample humidity showed a significant decrease in the reflection coefficients at the lowest humidity. Therefore, from a safety point of view, the most preferable is the processing of EMF microwave materials in combination with traditional drying.

Текст научной работы на тему «Исследование частотных характеристик сельскохозяйственных материалов с целью обеспечения безопасности СВЧ-технологий»

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.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.