СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УНИЧТОЖЕНИЯ СОРНЫХ РАСТЕНИЙ
METHOD AND DEVICE FOR DESTRUCTION OF WEED PLANTS

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности, к способам и устройствам уничтожения сорных растений без применения гербицидов, в частности, с использованием электрофизических методов воздействия на сорные растения электрическими импульсами высокого напряжения.
Наиболее близкими к предлагаемым являются способ и устройство уничтожения сорных растений, предусматривающие применение размещенных на тяговом мобильном подвижном агрегате источника электроэнергии высокого напряжения, выполненного из пяти одинаковых модулей, несущей рамы с размещенными на ней на изоляционных стойках пяти секций рабочих органов, состоящих из поворотных электродных секций горизонтально расположенных друг за другим, пяти рабочих органов с диэлектрическими экранами для защиты культурных растений в рядках от поражения электрическим током и заземляющим электродом [А.Г.Бан и В.Н.Топорков Способ уничтожения сорных растений. А.с. СССР №1817955. кл. А01В 47/00; А01М 21/04 опубл. 30.05.93. Бюл. №20. А.Г. Бан, А.В. Донцов и А.А Старченко Устройство для уничтожения сорняков А.с. СССР №1692471 А1 кл. А01М 21/00 опубл. 23.11.91, Бюл. №43]. Рабочие органы смонтированы в передней части агрегата по фронту его движения. Модули источника электроэнергии вырабатывают импульсы высокого напряжения амплитудой 10÷30 кВ со скоростью нарастания напряжения (du/dt) не менее 10 кВ/мкс и изменяющейся дискретно мощностью импульса от 5 до 30 кВт. При контакте рабочих органов с сорными растениями под действием импульсного высокого напряжения происходит разрушение растительных клеток стеблей и корней сорных растений. Недостатком известных способа и устройства уничтожения сорных растений является не высокая эффективность уничтожения сорных растений, Поскольку значения электрических проводимостей сорных растений зависят от большого числа факторов (вид, возраст, состояние поверхности сорных растений и т.д.) и различаются на порядок и более, значительная часть энергии поступает на сорные растения, электрическая проводимость которых наибольшая, а на сорные растения с низкой электрической проводимостью поступает меньше энергии, и ее может быть недостаточно для их уничтожения. Высоковольтные электрические импульсы «привязываются» к сорным растениям с высокой электрической проводимостью, а остальные сорные растения остаются необработанными, т.е сорные растения электрическая проводимость которых небольшая, «шунтируются» сорными растениями с большей электрической проводимостью и воздействию не подвергаются или подвергаются воздействию с незначительной энергией. В результате этого полного уничтожения сорных растений не происходит, и приходится операции уничтожения сорных растений проводить снова. Эффективность уничтожения сорных растений в такой ситуации падает, а неэффективные энергозатраты возрастают. Другим недостатком известного устройства является сложность его конструкции из-за применения большого числа рабочих органов (по пять в каждой секции) и каждый из электродов в секции подключен к разным высоковольтным модулям.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности технологических процессов уничтожения сорных растений, уменьшение затрат электроэнергии, упрощение технической реализации устройства уничтожения сорных растений.
В результате использования предлагаемого изобретения возрастает эффективность процессов уничтожения сорных растений при сокращении времени и энергозатрат при выполнении этих процессов, а конструкция технического средства уничтожения сорных растений существенно упрощается.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе уничтожения сорных растений, включающем поражение их стеблей и корней высоковольтными электрическими импульсами, уничтожение сорных растений осуществляют в два этапа, причем, на первом этапе производят пробой мембран растительных клеток и уравнивают значения электрических проводимостей сорных растений, при этом используют высоковольтные импульсы амплитудой напряжения 30-35 кВ, энергией 0,05-0,1 Дж, частотой следования импульсов 800-1200 Гц и воздействуют на каждое сорное растение в течение 0,004-0,06 с, а на втором этапе производят полное уничтожение сорных растений, при этом используют высоковольтные импульсы амплитудой напряжения 10-15 кВ, энергией 5-20 Дж, частотой следования импульсов 400-800 Гц и воздействуют на каждое сорное растение в течение 0,025-0,75 с.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве уничтожения сорных растений, состоящем из размещенных на тяговом мобильном подвижном агрегате источника электроэнергии высокого напряжения, несущей рамы, установленной в передней части тягового мобильного подвижного агрегата по ходу его движения, на которой размещены электродные секции с рабочими органами, закрепленными друг за другом на изоляторах, изоляционные экраны защиты, культурных растений и заземляющий электрод, отличающееся тем, что каждая электродная секция состоит из двух рабочих органов, а источник электроэнергии высокого напряжения имеет два выхода, при этом первый выход источника электроэнергии высокого напряжения вырабатывает электрические импульсы амплитудой 30-35 кВ, энергией 0,05-0,1 Дж и частотой следования импульсов 800-1200 Гц, а второй выход источника электроэнергии высокого напряжения вырабатывает электрические импульсы амплитудой 10-15 кВ, энергией 5-20 Дж и частотой следования импульсов 400-800 Гц, при этом первый выход источника электроэнергии высокого напряжения подключен к первому по ходу движения мобильного подвижного агрегата рабочему органу, а второй выход источника электроэнергии высокого напряжения подключен ко второму по ходу движения мобильного подвижного агрегата рабочему органу.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Технологический процесс уничтожения сорных растений разделяют на два этапа.
На первом этапе уравнивают значения электрических проводимостей сорных растений. Для этого сорные растения подвергают воздействиям электрических импульсов высокого напряжения малой энергии (амплитуда - 30-35 кВ, энергия - 0,05-0,1 Дж и частота следования импульсов 800-1200 Гц) и воздействуют на каждое сорное растение в течение 0,004-0,06 с.
Из строения растительной клетки следует, что для ее гибели, необходимо разрушить мембрану. Разрушение мембран происходит по дефектам (порам, неровностям и т.д). При подаче импульса напряжения на растительную клетку поры мембран клеток сорных растений оказываются под воздействием электрического поля высокой напряженности. Если поры мембран клеток сорных растений вытянуты вдоль направления приложенного электрического поля, возникает эффект концентрации поля на концах пор мембран клеток сорных растений. Здесь напряженность электрического поля возрастает (приблизительно на порядок), по сравнению с напряженностью внешнего электрического поля, и происходит микроразряд, который разрушает поры, увеличивая их диаметр, и когда диаметр пор превышает критический, мембрана разрывается. После разрушения мембраны клеточная жидкость выходит из клетки и частично заполняет окружающее клетку пространство, увеличивая общую электропроводность растительной ткани. Поскольку энергия высоковольтных импульсов незначительна и время их воздействий мало, глобальных нарушений структур сорного растения (клетки и межклеточника) не происходит, и электропроводность сорных растений растет до пределов, определяемых электропроводностью клеточной жидкости в клетке и окружающем клетку пространстве. При этом в других сорных растениях, одновременно подвергнутых воздействию электрического поля, также происходит пробой ионизированных пор и разрушение мембран в центральной части стеблей и корней сорных растений и увеличение электропроводности, определяемой электропроводностью клеточной жидкости в клетке и окружающем клетку пространстве.
Таким образом, значения электропроводностей сорных растений после первого этапа обработки становятся близкими, соответствующими электропроводности протоплазмы разрушенных клеток сорных растений. Тем не менее, разрушения всех структур и частей сорного растения на первом этапе технологической операции не происходит, так как энергия импульса незначительна. В результате воздействия высокой напряженности разрушаются только мембраны растительных клеток в центре стебля и корня сорного растения, и если процесс уничтожения сорного растения прекратить, то через небольшое время после снятия воздействий, в результате регенерации живых тканей, сорные растения могут полностью восстановить свои функции.
На втором этапе производят полное уничтожение сорных растений. Для этого воздействуют на сорные растения электрическими импульсами пониженного напряжения и повышенной энергии импульсов (амплитуда - 10-15 кВ, энергия - 5-20 Дж, частотой следования импульсов 400-800 Гц) и воздействуют на каждое сорное растение в течение 0,025-0,75 с.
Поскольку электрические проводимости сорных растений после первого этапа технологической операции приблизительно одинаковы, энергия высоковольтных импульсов распределяется равномерно по всем сорным растениям, контактирующим с рабочим органом устройства, и энергия от источника распределяется по всем сорным растения равномерно. В результате этого эффективность уничтожения всех сорных растений возрастает.
Сущность предлагаемого устройства для уничтожения сорных растений поясняется чертежом, на котором приведена общая схема устройства.
Устройство уничтожения сорных растений размещено на тяговом мобильном подвижном агрегате 1 и состоит из источника электроэнергии высокого напряжения 2, несущей рамы 3, установленной в передней части тягового мобильного подвижного агрегата 1 по ходу его движения. Источник электроэнергии высокого напряжения 2 выполнен в виде первичного источника электроэнергии 4 и преобразователей электроэнергии высокого напряжения 5. На несущей раме 3 размещены электродные секции 6, преобразователи электроэнергии высокого напряжения 5 и защитные экраны 7. В каждую электродную секцию 6 входят передний рабочий орган 8 и задний рабочий орган 9, закрепленные на несущей раме 3 с помощью изоляторов 10, при этом передний рабочий орган 8 размещен перед задним рабочим органом 9. Каждый преобразователь электроэнергии высокого напряжения 5 имеет два выхода 11 и 12. На фиг.1 поле возделываемого угодья обозначено поз.13, а сорные растения, подвергаемые воздействию электрических импульсов высокого напряжения обозначены поз.14, заземляющий электрод поз.15. Выход первичного источника электроэнергии 2 подключен к входам преобразователей электроэнергии высокого напряжения 5. Выходы 11 преобразователя электроэнергии высокого напряжения 5 обеспечивает выработку импульсов амплитудой 30-35 кВ и энергией 0,05-0,1 Дж и частотой следования импульсов 800-1200 Гц. Выход 12 преобразователя электроэнергии высокого напряжения 5 обеспечивает выработку импульсов амплитудой 10-15 кВ, энергией 5-20 Дж и частотой следования импульсов 400-800 Гц. Выходы 11 преобразователя электроэнергии высокого напряжения 5 подключен к переднему рабочему органу 8. Выход 12 преобразователя электроэнергии высокого напряжения 5 подключен ко второму рабочему органу 9.
Устройство работает следующим образом. При движении мобильного подвижного агрегата 1 по возделываемому угодью 13 сорные растения 14 контактируют вначале с первым рабочим органом 8 и подвергаются воздействию электрических импульсов амплитудой 30-35 кВ, энергией 0,05-0,1 Дж и частотой следования импульсов 800-1200 Гц. Параметры энергии на рабочем органе 8 не достаточны для уничтожения сорных растений, контактирующих с рабочим органом 8. Тем не менее, электрические импульсы рабочего органа 8 воздействуют на внутреннюю структуру сорных растений и увеличивают электрические проводимости сорных растений 14 до приблизительно одинаковой величины, определяемой проводимостью протоплазмы разрушенных клеток сорных растений. Затем контакт сорных растений 14 с рабочим органом 8 прекращается и сорные растения 14 начинают контактировать с рабочим органом 9, подвергаясь воздействию электрических импульсов амплитудой 10-15 кВ., энергией 5-20 Дж и частотой следования импульсов 400-800 Гц, которые завершают процессы уничтожения сорных растений 14. Поскольку в результате контакта с первым рабочим органом 8 значения электрических проводимостей сорных растений 14 приблизительно уравнены, «шунтирование» сорных растений с низкой электрической проводимостью сорными растениями с высокой электрической проводимостью не происходит и на отдельные сорные растения 14 поступает приблизительно одинаковое количество энергии, т.е. энергия (ток) электрических импульсов распределяется равномерно по всем сорным растениям 14, контактирующим с рабочим органом 9. В результате этого все сорные растения 14, контактирующие с рабочим органом 9, эффективно уничтожаются.
Разбиение технологического процесса на два этапа существенно повышает эффективность уничтожения сорных растений за счет того, что после обработки на первом этапе сорные растения имеют практически одинаковую проводимость, что исключает «шунтирование» сорных растений с низкой электрической проводимостью при обработке на втором этапе. При этом неэффективные затраты электроэнергии значительно уменьшаются и повышается эффективность уничтожения сорных растений.
Пример выполнения способа.
Для проверки способа уничтожения сорных растений использовали сорные растения в возрасте 2-х месяцев: осот огородный, марь белая и щирица запрокинутая.
1. Осот огородный - на первом этапе обрабатывали импульсами с амплитудой 35 кВ, энергией 0,08 Дж и частотой следования импульсов 900 Гц в течение 0,044 с. На втором этапе обрабатывали импульсами с амплитудой 15 кВ, энергией 10 Дж и частотой следования импульсов 600 Гц в течение 0,2 с. Процент полностью уничтоженных сорных растений составил 96%.
2. Марь белая - на первом этапе обрабатывали импульсами с амплитудой 30 кВ, энергией 0,05 Дж и частотой следования импульсов 800 Гц, в течение 0,03 с. На втором этапе обрабатывали импульсами с амплитудой 12 кВ, энергией 5,0 Дж и частотой следования импульсов 400 Гц в течение 0.15 с. Процент полностью уничтоженных сорных растений составлял 100%.
3. Щирица запрокинутая - на первом этапе обрабатывали импульсами с амплитудой 35 кВ, энергией 0,05 Дж и частотой следования разрядов 800 Гц в течение 0,06 с. На втором этапе обрабатывали импульсами с амплитудой 12 кВ, энергией 6,5 Дж и частотой следования разрядов 400 Гц в течение 0.1 с. Процент полностью уничтоженных сорных растений составлял 98%.