Способ и установка промышленной предпосевной обработки семян

Изображения

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к предпосевной обработке семян биофизическими методами. В способе промышленной предпосевной обработки семян излучением плазмы газового разряда обработку осуществляют излучением импульсного разряда. Разряд сформирован в излучающем объеме плазмы гелия, или водорода, или атмосферного воздуха, или пара жидкости. Состав жидкости выбирают для конкретного посевного материала. Семена под источником излучения пропускают в 1-2 слоя. Обработку осуществляют не более чем за 3-е суток до посева. Установка промышленной предпосевной обработки семян содержит входной бункер, камеру обработки, в которой расположен генератор плазменного излучения с дополнительными электродами, подключенными к формирователю импульсов, механизмы подбора, раскладки, транспортировки и выгрузки семян, канал обратного ссыпания из входного бункера, механизмы передвижения установки и систему автоматического управления установкой. Камера обработки выполнена пылезащитной. Она имеет входную и выходную щели для транспортера, совмещенные с выходными щелями воздуховодов системы охлаждения источника излучения. В механизме подбора семян ковши загрузочного элеватора и входной бункер выполнены по ширине раскладки семян на ленте транспортера. Механизм подбора семян снабжен подвижной заслонкой с электроприводом, соединенным с системой автоматического управления. Канал обратного ссыпания семян из входного бункера объединен с корпусом загрузочного элеватора. Приводной вал загрузочного элеватора снабжен датчиком крутящего момента, соединенного с системой автоматического управления. Использование изобретения позволит увеличить стимулирующий эффект предпосевной обработки семян. 2 н.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к предпосевной обработке семян биофизическими методами.

Известны различные способы предпосевной обработки семян как с помощью воздействия одного из факторов, например электромагнитного излучения, магнитного поля, электрического поля, концентрированного солнечного света, лазерного излучения, инфракрасного и ультрафиолетового излучения, так и комплексного воздействия нескольких указанных факторов, включая биохимическую обработку.

Известен способ предпосевного стимулирования жизнеспособности и продуктивности семян сельскохозяйственных культур (патент РФ №2076556, опубл. 10.04.1997). Способ предусматривает воздействие на семена, помещенные в газоплазменную среду, образованную электрическим разрядом частотой 1-40 МГц и мощностью разряда не более 0,003 Вт/см3 с экспозицией 5-300 секунд, при давлении неорганического газа в диапазоне 666-1333 Па. Обработку проводят не позднее чем за 7 мес до посева. Способ позволяет ускорить процесс прорастания семян, увеличить продуктивность сельскохозяйственных культур. Физиологически активными компонентами газоплазменной среды являются электромагнитное поле, поток слабого ультрафиолетового излучения с длиной волны 300-400 нм, электроны, ионизированные частицы газа.

Известно также устройство для плазменной обработки семян растений (патент РФ №2076555, опубл. 10.04.1997), реализующее данный способ. Семена засыпают в загрузочный бункер, из которого они попадают на несущий элемент транспортирующего механизма в камере обработки. Транспортирующий механизм подает семена в зону плазменного разряда, создаваемого между корпусом камеры и внутренним электродом. Охлаждение внутреннего электрода осуществляется за счет циркуляции в нем охлаждающего агента. Необходимое давление в камере поддерживается вакуумной системой, а газовый состав - подачей неорганического газа от внешнего источника. Обработанные плазмой семена выгружаются из камеры через сбросовый бункер.

К недостаткам способа следует отнести потенциальную необходимость чистого производства в связи с наличием вакуумной системы и низкую производительность, связанную с необходимостью разгерметизации системы при загрузке и выгрузке семян с последующим процессом создания низкого давления для проведения обработки.

Известно также воздействие на семена излучением плазмы дугового разряда постоянного тока (Гордеев А.М. и др. Действие излучений плазмы инертных газов УФ - диапазона на прорастание семян: Труды III международного Конгресса "Слабые и сверсхлабые поля и излучения в биологии и медицине": Тезисы. - СПб., 2003 г. - с.62). Промышленное применение этого метода ограничено тем, что подбор параметров излучения для эффективного воздействия на конкретный посевной материал сопряжен с большими техническими трудностями.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ предпосевной обработки семян (патент РФ №2109429, опубл. 27.04.1998), в котором обработку ведут мощным импульсным излучением электрического разряда микросекундного диапазона длительностей в воздухе при атмосферном давлении. При инициировании электрического разряда воздушный промежуток пробивается, и электрическая энергия от накопителя вводится в канал разряда. По мере нарастания тока разряда его канал нагревается до высоких температур (десятки тысяч градусов) и газоразрядная плазма излучает. Для инициирования каналов разряда в атмосфере воздуха используют явления электрического взрыва проводников, формирования скользящего разряда вдоль диэлектрической подложки и т.п.

Оптимальный режим обработки (мощность источника, количество импульсов и расстояние от источника до обрабатываемого образца) выбирают в зависимости от ботанической и сортовой принадлежности культуры, качества семян и т.п. Так, например, обрабатываемая площадь семян кабачков, рассыпанных в один слой, занимала около 3 м2. В процессе обработки расстояние от источника до облучаемых семян составляло 100 см. Количество световых воздействий - 40 импульсов, генерируемых через 10 секунд. Биомасса их проростков увеличилась на 37% по сравнению с проростками, выращенными из необлученных семян.

Недостатками данного способа являются относительно большое (200-400 секунд) время обработки, а следовательно, низкая производительность, практически не контролируемые временные и спектральные характеристики разряда в производственных условиях, связанные с уровнем напряжения питающей сети, с состоянием электродов и состоянием атмосферы: влажностью, давлением, запыленностью и т.д., что ухудшает качество обработки. Кроме этого, данный способ не позволяет определить оптимальные сроки проведения обработки семян, при которых сохраняется последействие обработки.

Известны также устройства для раскладки и транспортировки семян под излучателями (например, патенты РФ №2083072, опубл. 10.07.1997, №2015634, опубл. 15.07.1994 и др.). Общим недостатком известных устройств является их стационарность, что усложняет процесс обработки при промышленном применении. Кроме этого, в них не указываются меры ограничения пыли в зоне обработки, которая существенно влияет на эффективность воздействия плазменного излучения на семена.

Следует отметить, что обработка семян излучением плазмы включает комплексное воздействие на семена. Это следует из физических процессов, протекающих в плазме, спектр излучения которой простирается от рентгеновского излучения до колебаний акустического диапазона. В нем присутствуют ультрафиолетовое, инфракрасное, электромагнитное излучение разных длин волн. Известно, что при определенных параметрах газового разряда обработка может оказать ингибирующее воздействие. Такими параметрами являются температура, жесткое ультрафиолетовое излучение, например, плазмы аргона, повышенная электрическая мощность разряда, наличие в спектре свечения паров окиси меди или окиси вольфрама, избыток озона и т.д. Причем к настоящему времени доподлинно неизвестно, что именно и какой мощности оказывает стимулирующее, а что ингибирующее воздействие и какие процессы при этом происходят в биологических объектах. Учитывая тот факт, что, как правило, биологический объект откликается на воздействие малой и сверхмалой энергетики и носит резонансный характер, применение в предпосевной обработке излучения плазмы требует особой осторожности (Ковалев В.М. Теория урожая. - М.: МСХА, 1997, стр.184).

Начальная стадия образования плазмы - искровой разряд в газе - имеет сложный, практически не управляемый, стохастический переходный процесс. Это обстоятельство не позволяет гарантировать постоянство параметров излучения при его промышленном применении. С другой стороны, формирование управляемого эффективного излучения установившейся плазмы, например, в дуговом плазмотроне также сопряжено с трудностями. Это связано с тем, что изменение режима энергоснабжения плазмотрона непременно затрагивает весь спектр излучения, меняя как стимулирующие, так и ингибирующие его составляющие, что существенно сужает диапазон допустимых воздействий на семена и не позволяет эффективно подбирать режим воздействия на конкретный тип посевного материала и управлять процессом обработки.

Основной задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание условий, при которых обеспечивается управляемое стимулирующее воздействие излучения плазмы на посевной материал при промышленном применении.

Изобретение направлено также на решение задачи увеличения стимулирующего эффекта предпосевной обработки, поиска метода получения требуемых параметров плазменного излучения.

В число задач, решаемых изобретением, входит также разработка установки для эффективного производственного применения способа.

В соответствии с изобретением поставленные задачи решаются следующим образом.

Известно, что существенное резонансное воздействие на семена растений оказывают излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн (характерные максимумы 150-200 нм и 300-400 нм), в инфракрасном и миллиметровом (2 мкм - 2 мм), высокочастотном (1-40 МГц) и низкочастотном (1-100 Гц), причем наиболее эффективны - импульсные воздействия. Для комплексной генерации излучений в указанных диапазонах идеальным источником является плазма газового разряда.

Отличительной чертой изобретения является то, что любым известным методом в генераторе плазменного излучения (например, в плазмотроне) предварительно формируют установившийся объем плазмы, излучение которой обеспечивает стимулирующее воздействие на семена (например, плазма гелия, водорода и т.д.). Затем также любым известным методом (например, между дополнительными электродами в плазмотроне) в этом объеме плазмы формируют периодические импульсные разряды с управляемыми параметрами (длительностью, формой, мощностью и т.д.). Таким образом, предварительно подготовленный объем плазмы обеспечивает требуемый стабильный спектральный состав, а импульсные разряды формируют резонансные характеристики излучения, оказывающего селективное стимулирующее воздействие на семена.

Характерная для заявляемого способа возможность резонансного воздействия позволяет существенно сократить время и повысить скорость промышленной обработки семян по сравнению с аналогами. Опытным путем установлено, что предпосевную обработку можно вести пропусканием семян под источником излучения в 1-2 слоя без снижения эффекта воздействия (что важно для обеспечения скорости обработки в производстве) и не более чем за 3-е суток до посева. Кроме этого, установлено, что существенное влияние на эффект воздействия оказывает наличие пыли в пространстве между плазмотроном и обрабатываемыми семенами и требуются дополнительные меры для ее минимизации при промышленном применении.

Также в соответствии с изобретением задача получения требуемого спектрального состава излучения, повышения эффективности и увеличения скорости обработки решается путем использования пара жидкости в качестве основной плазмообразующей среды для формирования исходного объема плазмы. Химический состав пара выбирают в зависимости от ботанической и сортовой принадлежности культуры, качества семян и т.п.

В частности, отличительной чертой при плазмообразовании из пара воды является тот факт, что основной вклад в излучение вносят процессы рекомбинации атомов и ионов водорода, кислорода и гидроксила. На этих же частотах происходит излучение при элементарных актах жизнедеятельности в клетках семян растений. Разбавление в воде различных спиртов, аминокислот и т.д. и использование этих растворов для плазмообразования также позволяет оперативно формировать резонансные параметры излучения для стимулирующего воздействия на конкретный посевной материал.

Установка промышленной предпосевной обработки семян содержит камеру обработки, механизмы подбора, раскладки, транспортировки и выгрузки семян, механизмы передвижения установки и систему автоматического управления.

В соответствии с изобретением она отличается тем, что в камере обработки расположен генератор плазменного излучения с дополнительными электродами, подключенными к формирователю импульсов, сама камера выполнена пылезащитной и имеет входную и выходную щели для транспортера, совмещенные с выходными щелями воздуховодов системы охлаждения.

Предложенное решение позволяет гарантированно минимизировать содержание пыли в зоне обработки при относительно больших скоростях перемещения посевного материала необходимых для промышленного применения способа. Система охлаждения является неотъемлемой частью источника плазменного излучения и обеспечивает заданный температурный режим работы как самого генератора плазмы, так и источников его питания.

Также согласно изобретению установка промышленной предпосевной обработки семян отличается тем, что в механизме подбора семян ковши загрузочного элеватора и входной бункер выполнены по ширине раскладки семян на ленте транспортера. Такое решение позволяет, с одной стороны, обеспечить равномерную раскладку семян по ширине транспортера и тем самым максимальную производительность установки, а с другой, избавиться от вибролотков, пылящих прямо у входной щели камеры обработки.

Кроме этого, механизм подбора семян установки согласно изобретению отличается тем, что снабжен подвижной заслонкой с электроприводом, соединенным с системой автоматического управления. Каналом обратного ссыпания семян из входного бункера является корпус загрузочного элеватора. Приводной вал загрузочного элеватора снабжен датчиком крутящего момента, который также соединен с системой автоматического управления.

Наличие обратного канала позволяет достаточно просто обеспечить постоянный уровень семян во входном бункере и, соответственно, равномерную скорость их высыпания на транспортерную ленту, а следовательно, и стабильную производительность установки. Однако использование обратного канала совместно с элеватором неизбежно связано с проблемой накопления в нем семян и вынужденными остановками для его чистки. Эта проблема в изобретении решается управлением движением установки и положением заслонки, перекрывающей избыточный поток семян во входной элеватор по сигналу с датчика крутящего момента на приводном валу элеватора таким образом, чтобы обеспечить максимальную производительность за счет непрерывности работы установки в процессе промышленного применения способа.

На фиг.1 изображена схема реализации источника излучения, где 1 - сопло плазмотрона, 2 - электрод плазмотрона, 3, 6 - изоляторы, 4 - каналы охлаждения плазмотрона, 5 - дополнительные электроды, 7 - плазмообразующий газ, 8 - излучающий объем плазмы, 9 - формирователь импульсов, 10 - источник электропитания плазмотрона;

на фиг.2 изображена установка промышленной предпосевной обработки семян, где 11 - камера обработки, 12 - воздуховоды, 13 - входной бункер, 14 - механизм подбора семян, 15 - ковши элеватора, 16 - подвижная заслонка, 17 - пылезащитные шторки, 18 - транспортер, 19 - выходной бункер, 20 - выгрузной механизм, 21 - механизм передвижения, 22 - щели воздуховодов, 23 - канал обратного ссыпания семян.

При промышленном применении вначале проводят экспериментальную обработку контрольной партии семян. Цель эксперимента - уточнить параметры режима воздействия при минимально возможном времени обработки и удовлетворительной эффективности воздействия. Оценку эффективности определяют по сравнению динамик роста, всхожести, параметров проращивания контрольных (не подвергавшихся воздействию) семян и обработанных. По данным эксперимента строят, например, математическую модель режима воздействия на данные семена, в которую включают значимые параметры режима обработки и прогнозируемую прибавку урожая.

Для реализации способа используют источник излучения (фиг.1), состоящий из плазмотрона (1, 2, 3) с дополнительным оборудованием электрического (10) и газового питания, системы охлаждения, оборудования формирования импульсов излучения (9) и системы контроля и управления. В плазмотрон по каналам (4) подают охлаждающую жидкость, подают плазмообразующую среду (7), в частности газ гелий, и возбуждают дуговой разряд постоянного тока путем пробоя межэлектродного промежутка осциллятором. По-истечении 2-3 минут, необходимых для стабилизации процесса плазмообразования, устанавливают требуемые значения тока и избыточного давления газа. Затем подают питание на формирователь разрядных импульсов (9), подключенный к дополнительным электродам (5) в плазмотроне, и устанавливают требуемые параметры импульсов. В итоге на выходе сопла (1) плазмотрона формируется излучающий объем плазмы (8) с требуемыми параметрами.

Далее последовательно включат механизмы выгрузки, транспортировки, раскладки и подбора семян. Включают механизм передвижения установки и управляют ее движением вдоль края бурта семян. Толщину слоя семян (1-2 семени) на транспортерной ленте регулируют заслонкой в приемном бункере. Через смотровое окно осуществляют визуальный контроль работы генератора плазмы в камере обработки. Периодически, в зависимости от конструкции плазмотрона, проводят регламентные работы по обслуживанию его теплонагруженных элементов. Обработанные семена выгружают на пол или в кузов автомобиля. Рекомендуемый срок посева - не позднее 3-х суток после обработки.

При посеве на полях формируют контрольные зоны, на которые высевают не подвергавшиеся воздействию семена. После уборки урожая оценивают эффективность предпосевной обработки и при необходимости корректируют исходную математическую модель режима воздействия.

Так, например, при промышленных испытаниях по обработке 45,2 тонн яровой пшеницы производительность установки составила 5 т/ч, прибавка урожая по сравнению с контрольными посевами - от 29% до 48% в различных почвенно-климатических и производственных условиях.

Существенным фактором, определяющим эффективность биофизического воздействия на семена, является, как указывалось выше, плазмообразующая среда.

В связи с этим был взят промышленный плазмотрон (Алплаз), позволяющий получить требуемый объем плазмы водяного пара и проведены сравнительные лабораторные испытания по проращиванию семян, обработанных излучением плазмы гелия и излучением плазмы водяного пара.

Испытания показали, что при обработке семян пшеницы и семян подсолнечника излучением плазмы гелия средняя длина колеоптиле и корней 7-ми дневных проростков на 10-40% устойчиво меньше, чем при обработке излучением плазмы пара дистиллированной воды.

Установка промышленной предпосевной обработки семян (фиг.2) состоит из камеры обработки (11), воздуховодов системы охлаждения (12), входного бункера (13), механизма подбора семян (14), транспортера (18), выходного бункера (19), механизма выгрузки (20), механизма передвижения (21). Отдельно на фиг.2 показаны ковши (15) элеватора механизма подбора, заслонка семязаборника механизма подбора (16), месторасположение входной и выходной щелей камеры обработки (22) и канала обратного ссыпания семян (23), пылезащитная шторка (17).

Отличительной чертой промышленной обработки большого количества семян, расположенных в помещении хранилища, является чрезвычайная запыленность, связанная с процессами подбора семян, их раскладки и выгрузки. Без принятия дополнительных мер обработка по заявляемому способу становится существенно зависимой от параметров внешней среды, находящейся между открытым источником плазменного излучения и обрабатываемыми семенами.

Эта проблема в промышленной установке решена следующим образом. На крыше камеры обработки (11), в которой находится генератор излучения, расположены источники его электропитания и система охлаждения. Система охлаждения состоит из жидкостного контура и охладителей, обдуваемых вентиляторами. Камера не имеет дна и крепится к раме транспортера (18), при этом на торцах по ходу транспортера образуются щели (22) между транспортерной лентой и каркасом камеры, причем эти щели расположены рядом с "пылящими" щелями входного (13) и выходного бункеров (19). Размер щелей мал, но достаточен для прохода несколько слоев семян. Для исключения попадания пыли внутрь камеры через эти щели они объединяются со щелями воздуховодов (12), в которые нагнетается воздух от вентиляторов системы охлаждения. Воздух выдувается от щели вдоль поверхности транспортера, создавая барьер для попадания пыли внутрь камеры. Боковые проемы камеры закрыты пыленепроницаемыми шторками (17) (ткань ПВХ).

Одним из требований заявляемого способа является равномерная раскладка семян заданным слоем на транспортерную ленту. Для этих целей в устройстве используется входной приемный бункер (13) с регулируемой выходной щелью. Скорость прохождения семян через различные участки выходной щели существенно зависит от объема и равномерности заполнения бункера. Одним из приемов обеспечения равномерности раскладки является использование вибролотков между бункером и транспортерной лентой. Однако при больших скоростях движения ленты (от 0,8 м/с и более) вибролотки практически не успевают разравнивать семена. В заявляемой установке задача равномерного заполнения входного бункера решается за счет применения в механизме подбора семян (14) элеватора с узкими ковшами (15), выполненными по ширине раскладки семян на ленте транспортера. Входной бункер (13) тоже имеет указанную ширину. В нижней части элеватора семена черпаются ковшами, далее за счет естественной вибрации при перемещении ковшей семена в них разравниваются и высыпаются в бункер равномерно по его ширине, обеспечивая тем самым равномерную скорость прохождения семян через его выходную щель.

Кроме этого, для решения задачи равномерной раскладки семян на ленту транспортера служит применение совмещенного с корпусом элеватора канала обратного ссыпания семян (23). Для нормальной работы установки требуется, чтобы производительность механизма подбора семян была выше производительности транспортера. С другой стороны, для равномерной раскладки семян требуется, чтобы входной бункер был всегда равномерно заполнен в процессе работы. Это обеспечивается тем, что, когда уровень семян во входном бункере достигает канала обратного ссыпания, лишние семена равномерно по всей ширине ссыпаются в нижнюю часть элеватора. Такое решение позволяет поддерживать постоянный уровень семян по ширине входного бункера, а значит, и равномерность раскладки семян на ленту транспортера.

Использование обратного канала - достаточно эффективное средство для поддержания постоянного уровня семян во входном бункере, но при постоянном заборе семян из бурта они накапливаются в нижней части обратного канала, что в конечном итоге приведет к резкому увеличению нагрузки на ковши и привод элеватора и, как следствие, к останову работы. В связи с этим в установке приводной вал элеватора снабжен датчиком крутящего момента, соединенным с системой автоматического управления. Кроме этого, вход семязаборника, через который производится забор семян из бурта, снабжен подвижной заслонкой (16) с электроприводом, также соединенным с системой автоматического управления.

В процессе предпосевной обработки установка с помощью механизма передвижения (21) движется с малой скоростью вдоль бурта и через семязаборник семена подаются на обработку. При увеличении крутящего момента на валу элеватора до определенного уровня, что соответствует накоплению семян в обратном канале, система автоматического управления выключит привод механизма передвижения и остановит установку, ограничивая тем самым поступление семян в элеватор. Однако если бурт достаточно высокий, то за счет инерционности наполнения семян в обратном канале и ссыпания бурта на семязаборник при останове установки семена продолжат подаваться в элеватор и накапливаться в обратном канале. При этом крутящий момент на валу элеватора продолжит расти, и при достижении следующего порогового уровня система автоматического управления включит электропривод заслонки (16), закрывая вход семязаборника и перекрывая подачу семян из бурта. В это время семена из обратного канала вычерпываются ковшами элеватора во входной бункер установки, крутящий момент на валу элеватора уменьшается, и при достижении определенного уровня система управления откроет заслонку (16). Если крутящий момент начнет расти за счет поступления семян, то система автоматического управления снова закроет заслонку и т.д. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока после открытия заслонки крутящий момент не будет падать. При уменьшении крутящего момента до порогового значения, соответствующего практически пустому обратному каналу, система автоматического управления включит привод механизма передвижения (21), и установка продолжит движение. При этом уровень семян во входном бункере в процессе непрерывной работы не изменяется и не изменяется толщина их раскладки на ленте транспортера.

Таким образом, практическое осуществление заявляемого способа позволяет решить поставленные в изобретении задачи, а установка - реализовать его промышленное применение.

Формула изобретения

1. Способ промышленной предпосевной обработки семян излучением плазмы газового разряда, отличающийся тем, что обработку осуществляют излучением импульсного разряда, сформированного в излучающем объеме плазмы гелия, или водорода, или атмосферного воздуха, или пара жидкости, состав которой выбирают для конкретного посевного материала, при этом семена под источником излучения пропускают в 1-2 слоя, а обработку осуществляют не более чем за 3-е суток до посева.

2. Установка промышленной предпосевной обработки семян, содержащая входной бункер, камеру обработки, в которой расположен генератор плазменного излучения с дополнительными электродами, подключенными к формирователю импульсов, механизмы подбора, раскладки, транспортировки и выгрузки семян, канал обратного ссыпания из входного бункера, механизмы передвижения установки и систему автоматического управления установкой, при этом камера обработки выполнена пылезащитной и имеет входную и выходную щели для транспортера, совмещенные с выходными щелями воздуховодов системы охлаждения источника излучения, в механизме подбора семян ковши загрузочного элеватора и входной бункер выполнены по ширине раскладки семян на ленте транспортера, механизм подбора семян снабжен подвижной заслонкой с электроприводом, соединенным с системой автоматического управления, канал обратного ссыпания семян из входного бункера объединен с корпусом загрузочного элеватора, а приводной вал загрузочного элеватора снабжен датчиком крутящего момента, соединенного с системой автоматического управления.

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 06.07.2007

Извещение опубликовано: 20.02.2009        БИ: 05/2009