СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРЕДПОСЕВНОЙ СТИМУЛИРУЮЩЕЙ И ОБЕЗЗАРАЖИВАЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН
METHOD AND DEVICE FOR PRE-SOWING STIMULATING AND DISINFECTING TREATMENT OF SEEDS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к предпосевной стимулирующей и обеззараживающей обработке семян преимущественно овощных культур в низкочастотном импульсном электрическом поле высокой напряженности, и может быть использовано как в селекционно-генетическом процессе, так и в сельскохозяйственном производстве.
Известны способы формирования воздействующего на семена низкочастотного электрического поля высокой напряженности и устройства для их реализации. Одни из них связаны с использованием для обработки семян электрического поля, генерируемого от сети переменного тока промышленной частоты с помощью повышающих трансформаторов. В других способах и устройствах для их реализации эффект стимулирующего и обеззараживающего воздействия на семена создается путем перемещения (просыпки) обрабатываемых семян под действием силы тяжести через неподвижную электродную систему, формирующую пространственно неоднородное регулярно повторяющееся в направлении движения семян постоянное во времени электрическое поле высокой напряженности. Результирующее воздействие на семена создаваемого указанным способом электрического поля эквивалентно действию низкочастотного импульсного электрического поля с глубиной модуляции, определяемой конструкцией электродов полеобразующей системы. Стимулирующий эффект для семян овощных культур различного сорта зависит как от напряженности электрического поля и длительности экспозиции результирующего воздействия, так и от частоты его изменения.
Известен способ предпосевной обработки семян в электрическом поле переменного тока высокого напряжения при частоте 50 Гц с экспозицией 30-180 с (Прищеп Л.Г. Эффективная электрификация защищенного грунта. - М.: Колос. 1980. - С.172-174).
Недостатком способа является невысокий эффект воздействия на семена, в результате чего лишь незначительно повышаются всхожесть, выживаемость и урожайность растений.
Известен способ и устройство предпосевной обработки семян электрическим полем промышленной частоты с напряженностью поля 1,25 или 5 кВ/см и экспозицией 3-10 мин. Воздействие осуществляют при помощи опытно-экспериментальной установки электрического поля, состоящей из источника высокого переменного напряжения, реостата и бокса из оргстекла с горизонтально расположенными металлическими пластинами, на одну из которых подается высокое напряжение. Напряженность электрического поля в этой схеме регулируется как напряжением, так и расстоянием между пластинами. (А.с. СССР №1752220, МКИ A01C 1/00. Способ предпосевной обработки семян / О.В.Бляндур, А.Ю Щеглов // Бюл. 1992, №29).
Недостатком данных способа и устройства является необходимость обеспечения большого времени экспозиции воздействия при обработке, а также отсутствие возможности регулирования и выбора оптимального значения частоты воздействующего электрического поля высокой напряженности.
Известно устройство просыпного типа для стимулирующей и обеззараживающей обработки семян в электрическом поле коронного разряда (ЭПКР) (А.с. СССР №665834, МКИ А01С 1/00. Машина для предпосевной обработки семян в электрическом поле / В.М.Ким, Б.П.Копылов, В.В.Гиринский, Ю.В.Белотелов // Бюл. 1979, №21), использующее в качестве электродной системы формирования электрического поля гофрированные пластины, расположенные относительно друг друга на расстоянии, с образованием каналов, в которых установлены потенциальные электроды, выполненные в виде шайб, насаженных на полые перфорированные стержни, и разделенные распорными втулками.
Известно устройство просыпного типа для стимулирующей и обеззараживающей обработки семян в ЭПКР (А.с. СССР №1713467, МПК A01C 1/00. Устройство для обработки семян в электрическом поле / Л.А.Астраханцев, Н.М.Астраханцева // Бюл. 1992, №7), содержащее рабочую камеру, распределитель семян, размещенный над рабочей камерой, и источник высокого напряжения (ИВН). Рабочая камера снабжена системой поярусно закрепленных электродов: центрального (коронирующего) электрода, выполненного в виде пирамиды с вершиной, направленной в сторону распределителя семян, промежуточных электродов, выполненных в виде уголков, и боковых заземленных электродов в виде наклонных пластин. Коронирующий и заземленные электроды связаны с источником высокого напряжения. Коронный разряд формируется в зазорах во все стороны пространства рабочей камеры по направлению к заземленным электродам.
Недостатками всех этих установок являются опасность поражения людей электрическим током, сложность и трудоемкость изготовления, высокая материалоемкость и большой вес, приводящие к неудобствам в их обслуживании.
Известно устройство просыпного типа для стимулирующей и обеззараживающей обработки семян (А.с. СССР №1486075, МКИ А01С 1/00. Устройство для предпосевной обработки семян. / С.Д.Кутис, Т.Л.Кутис // Бюл. 1989, №22), содержащее рабочую камеру, снабженную регулярной электродной системой формирования ЭПКР, обеспечивающей периодически изменяющийся в пространстве градиент напряженности электрического поля в направлении движения семян, источник постоянного тока и регулируемый источник высокого напряжения. Электродная система формирования ЭПКР выполнена в виде установленного в центральной части камеры потенциального электрода с коронирующими выступами. Корпус камеры заземлен. На корпусе установлена обмотка по всей длине рабочей камеры для создания дополнительно однородного магнитного поля. Постоянное высокое напряжение между потенциальными и заземленными электродами камеры для создания ЭПКР в рабочем объеме подается от внешнего ИВН.
Основной недостаток установки - необходимость использования внешних источников высокого напряжения с питанием от силовой сети. При использовании таких установок в полевых условиях на зерноскладах и хранилищах возникают проблемы с безопасностью их эксплуатации. Второй недостаток - сложность конструкции и отсутствие возможности регулирования частоты воздействующего фактора.
8
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому способу и устройству является способ предпосевной стимулирующей и обеззараживающей обработки семян, включающий воздействие на семена электрическим полем высокого напряжения, напряженность которого выбирают индивидуально, в зависимости от обрабатываемой культуры и цели обработки, и который можно осуществить запатентованным устройством (Патент РФ №2302096, МПК: A01C 1/00, «Устройство просыпного типа для стимулирующей и обеззараживающей обработки семян (варианты)» / Г.М.Спиров, Н.Б.Лукьянов, В.И.Климкин, С.И.Шлепкин, Т.К.Крючкова, Н.М.Селемир, А.Ф.Верхова // Бюл. 2007, №19). Данные устройство и способ выбраны в качестве прототипа. Режим обработки устанавливают с помощью регулятора напряженности поля от 0 до 6 кВ/см. Внутри рабочей камеры создают градиентное электрическое поле, обеспечивающее возникновение коронного разряда. Обрабатываемые семена от погрузчика через загрузочный рукав подают в верхнюю часть рабочей камеры, и они под действием собственного веса движутся вниз в градиентном электрическом поле. Устройство просыпного типа для стимулирующей и обеззараживающей обработки семян имеет электродную систему формирования ЭПКР и встроенный источник высокого напряжения. Электродная система формирования ЭПКР расположена в рабочей камере и выполнена в виде расположенных вертикально на равном расстоянии между собой и параллельно друг другу знакочередующихся эквипотенциальных групп, подключенных к разнополярным выводам источника высокого напряжения, каждая из которых, по первому варианту, образована проволочными электродами, установленными с равномерным шагом в вертикальной плоскости перпендикулярно направлению движения семян и электрически соединенными между собой. По второму варианту электродная система образована нанесенными на обе стороны диэлектрической пластины с равномерным шагом перпендикулярно направлению движения семян противолежащими токопроводящими полосами, электрически соединенными между собой.
Основной недостаток прототипа - ограничение времени (длительности экспозиции) воздействия на семена при нахождении их в электрическом поле, связанное с высокой скоростью продвижения семян в электродной системе и с ее конструктивно ограниченными размерами. В этой связи необходимая доза воздействия для ряда овощных культур может быть получена лишь путем многократного пропускания семян через электродную систему.
Второй недостаток связан с ограничением глубины модуляции воздействующего электрического поля, обусловленным конечными размерами и особенностями пространственного расположения электродов системы, что приводит к снижению качества обработки.
Третий недостаток связан с ограничением возможностей регулирования частоты воздействия на семена электрическим полем, обеспечиваемого лишь путем изменения расстояний между электродами.
Большие конструктивные размеры полеобразующей системы, обеспечивающие требуемый режим воздействия и высокую производительность при массовой предпосевной обработке зерновых культур, практически являются избыточными для овощных культур, поскольку количество семян, обрабатываемых перед посевом, как правило, ограничено.
Техническим результатом заявляемого способа и устройства является повышение эффективности предпосевной обработки семян преимущественно овощных культур (повышения параметров всхожести, энергии прорастания, темпов развития проростков и выживаемости) в процессе одной технологической операции. Дополнительный технический результат, который может быть получен при применении заявляемого устройства, выражается в повышении электробезопасности, удобстве эксплуатации, а также уменьшении материалоемкости и веса устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что по сравнению с известным из предшествующего уровня техники и наиболее близким способом предпосевной стимулирующей и обеззараживающей обработки семян, включающим воздействие на семена электрическим полем высокого напряжения, напряженность которого выбирают индивидуально, в зависимости от обрабатываемой культуры и цели обработки, воздействие осуществляют импульсным электрическим полем, частоту которого и время его воздействия на семена выбирают также индивидуально в диапазоне 1-60 с.
А по сравнению с устройством для стимулирующей и обеззараживающей обработки семян, содержащим рабочую камеру, снабженную электродной системой формирования однородного электрического поля, выполненной в виде параллельных электродов, подключенных к разнополярным выводам источника высокого напряжения, новым является то, что электроды выполнены в виде двух металлических пластин, а в качестве источника высокого напряжения используют импульсный источник с регулируемой частотой и встроенным таймером для возможности установки времени воздействия.
Рабочая камера может быть снабжена закрывающейся крышкой, снабженной контактами блокировки, обеспечивающими снятие высокого напряжения при несанкционированном доступе в рабочую камеру.
Физическим фактором, оказывающим стимулирующее и обеззараживающее действие на семена, является импульсное электрическое поле высокой напряженности. Электрическое поле, необходимое для воздействия на семена, создается в зазоре между соседними противоположно заряженными электродами, роль которых выполняют плоскопараллельные пластины, расположенные на расстоянии, обеспечивающем заданную напряженность электрического поля в зазоре между ними.
Известно несколько объяснений тому, что в результате воздействия низкочастотного импульсного электрического поля происходит повышение энергии прорастания и всхожести семян различных культур. Господствующая гипотеза заключается в том, что при нормальных условиях молекулы воды за счет водородных связей образуют устойчивые ассоциаты, при воздействии же импульсных электрических полей низкой частоты эти ассоциаты расшатываются и разрывают водородные связи. Вода становится менее вязкой, более насыщенной ионами, легче усваивается растениями. В то же время имеет место подавление жизнедеятельности паразитических грибов на поверхности семян, что в свою очередь способствует увеличению энергии прорастания и всхожести.
В предлагаемом устройстве, где плоскопараллельные электроды выполнены в виде металлических пластин, в результате генерирования импульсного высокого напряжения заданной формы и частоты, прикладываемого к неподвижным плоскопараллельным электродам полеобразующей системы, в пространстве между ними, где размещены обрабатываемые семена, формируется пространственно однородное импульсное электрическое поле низкой частоты и высокой напряженности, обеспечивающее режим импульсного воздействия на семена.
Повышение производительности установки при обработке семян овощных культур происходит за счет обеспечения заданного времени пребывания семян в однородном электрическом поле без дополнительной перезагрузки устройства в сравнении с прототипом.
Выбор времени воздействия на семена в диапазоне от 1 до 60 с обусловлен высокой интенсивностью энергетического воздействия электрического поля, что позволило уменьшить время обработки семян при повышении параметров их всхожести, энергии прорастания, темпов развития проростков и их выживаемости.
Электробезопасность и удобство при эксплуатации достигаются тем, что в заявляемом устройстве ИВН и рабочая камера размещены внутри диэлектрического корпуса и представляют собой единый моноблок. Крышка отсека с загружаемыми семенами имеет блокировку, отключающую высокое напряжение источника и с электродов полеобразующей системы при несанкционированном открывании изолирующей крышки. Преимуществом заявляемого устройства является также наличие встроенного ИВН, с питанием от аккумулятора, что дает возможность применения его в полевых условиях. В качестве повышающего трансформатора напряжения использована катушка от автомобильной системы зажигания, в первичной обмотке которой включен электронный коммутатор с регулируемой частотой переключений. Имеется возможность регулировки и стабилизации напряженности импульсного электрического поля рабочей камеры в диапазоне 0-6 кВ/см, частота следования воздействующих импульсов принимает фиксированное значение из диапазона 60-180 Гц, в зависимости от обрабатываемой культуры и цели обработки. В ИВН предусмотрена электронная защита от перегрузки выходной цепи при межэлектродном замыкании в рабочей камере инородными электропроводящими предметами.
На фиг.1 показана функциональная схема формирования импульсного электрического поля высокой напряженности. На фиг.2 и 3 приведены диаграммы импульсных напряжений питания электродной системы и параметры импульса выходного напряжения источника. На фиг.4 изображен внешний вид устройства.
3
2
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства, которое и осуществляет заявляемый способ, может служить устройство для стимулирующей и обеззараживающей обработки семян под названием «ПОЛЮШКО». Данное устройство содержит регулируемый по частоте и амплитуде выходного напряжения высоковольтный источник и встроенную электродную систему 2. Рабочая камера 1 выполнена из диэлектрического материала в форме параллелепипеда, имеющего размеры 200×150×100 мм, в нижней части которого расположен потенциальный электрод, а заземленный электрод закреплен на верхней поворотной крышке 4 камеры, закрывающейся на время обработки семян. Электроды выполнены из стальных плоских пластин размером 180×120 мм и подключены они к выводам ИВН. Открывающаяся крышка связана с контактами блокировки 5, отключающей высокое напряжение с выхода ИВН при несанкционированном открывании рабочей камеры. Устройство снабжено встроенным таймером для возможности установки времени воздействия.
Устройство работает следующим образом. При подключении прибора к аккумулятору G1 (фиг.1) или выпрямителю AC-DC, преобразующему напряжение промышленной сети переменного тока 220 В, 50 Гц в постоянное напряжение, выбираемым переключателем S1 «Режим питания» (фиг.1, 4), зажигается световой индикатор VD «Высокое» на передней панели блока ИВН. Режимы обработки устанавливаются индивидуально для каждой культуры и цели обработки с помощью регулятора «Напряженность», в диапазоне 1-6 кВ/см, установленного в цепи конвертера DC-DC, и переключателя «Частота», меняющего частоту: 60, 120, 180 Гц, управляющего работой генератора импульсов G2. Продолжительность времени обработки семян задается таймером с помощью переключателей «Время обработки», в диапазоне 1-60 с, установленным на передней панели, и контакта в цепи питания SB (фиг.1). Так, например, для обработки укропа наилучший результат получен при частоте 60 Гц и длительности 20 с, а при обработке лука-севка - при частоте 120 Гц и длительности 20 с. Высокое импульсное напряжение (фиг.2, 3), прикладываемое к электродам 2 (фиг.1, 4) электродной системы рабочей камеры 1, формируется при работе электронного коммутатора, собранного по полумостовой схеме на транзисторах VT1 и VT2, конденсаторах С1 и С2. К диагонали питания моста прикладывается регулируемое постоянное напряжение конвертора DC-DC (50-300 В), а к другой диагонали подключена первичная обмотка повышающего трансформатора Т (используется катушка от системы автомобильного зажигания) 5 (фиг.4). Один из выводов высоковольтной обмотки трансформатора заземлен, а другой подключен к потенциальному электроду системы (фиг.1). При несанкционированном открывании крышки 4 рабочей камеры 1 высокое напряжение с высоковольтного источника и питание электродной системы отключаются блок-контактом 5 (фиг.4), SF (фиг.1). Внутри рабочей камеры 1 создается воздействующее на семена, размещенные в пространстве между электродами 2, регулируемое по амплитуде и частоте низкочастотное импульсное электрическое поле высокой напряженности. Режим обработки семян для каждой сельскохозяйственной культуры, сорта, а также в зависимости от цели обработки (стимулирование или обеззараживание) подбирается индивидуально.
3
Установка имеет вес не более 2 кг и габаритные размеры 350×200×150 мм. Конструкция обладает повышенной механической и электрической прочностью. Малый вес установок позволяет использовать их в лабораторных и полевых условиях.
Установка апробирована при проведении лабораторных экспериментов при стимулирующей обработке семян овощных культур и показала эффективность воздействия на повышение параметров всхожести, энергии прорастания, темпов развития проростков и выживаемости в процессе одной технологической операции.