СПОСОБ ДУПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DUPLEX FUNCTION OF ELECTRIC CURRENT ON BIOLOGICAL OBJECTS OF VEGETABLE AND ANIMAL ORIGIN, AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к импульсной электронной технике, охватывающей область биотехнологий, и может быть использовано в биологии, медицине, сельском хозяйстве для воздействия на биологические объекты электрическим током с целью уничтожения, стимуляции, а также повышения их устойчивости к внешним воздействиям окружающей среды.
Известен способ воздействия на биологические объекты, например животных или растения, электромагнитным полем, возникающим между активным и пассивным электродами с необходимой аппаратурой при подключении их к источнику электрического тока. Способ заключается в воздействии на объект электромагнитного поля в течение определенного промежутка времени, при этом воздействие осуществляют в широком диапазоне токов и напряжений (RU, 94003830 А1, 1995.12.27).
К недостаткам данного способа следует отнести ограниченный диапазон использования.
Известен способ повышения урожайности и снижения сроков вегетации растений, в котором на почву в корневой системе растений воздействуют постоянным электрическим током. При этом скорость процесса электролиза поддерживают прямо пропорционально интенсивности фотосинтеза. Это позволяет наиболее эффективно использовать усваивание растением ионов питательных веществ (RU, 2058717 С1, 1996.04.27).
Недостатками данного способа являются ограниченные возможности действия постоянного тока на биологическую среду, а также ограниченная область применения.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является способ воздействия на объекты растительного происхождения, в котором используется принцип изменения расположения силовых линий, обеспечивающий максимальную плотность тока, с применением источника электрической энергии переменного тока высокого напряжения (Попов В.М., Таскаева А.Г. Электрический ток уничтожает сорные растения. Агро, XXI Век, АГРОРУС, 1999, 6).
В данном способе используется принцип прямого воздействия на биообъект электрическим током высокого напряжения. Для этих целей может использоваться переменное или импульсное напряжение различной частоты, длительности и формы. Электрическая энергия воздействия подается в момент соприкосновения активного электрода с поверхностью объекта. Для проведения такой процедуры необходимо использовать источник с выходным напряжением от 3кВ до 25кВ, поскольку напряжение пробоя собственной изоляции большинства объектов растительного происхождения составляет не менее 1,5…2кВ. Таким образом, эквивалентная нагрузка для источника высокого напряжения представляет собой сопротивление с нелинейной характеристикой, которое первоначально в момент касания активного электрода биообъекта имеет высокое сопротивление (от 1,5 мOм до 50 мOм), а после пробоя изоляции падает в десятки раз. Такой режим «ударной» нагрузки для высоковольтного источника является крайне неблагоприятным, поскольку ток в момент пробоя изоляции имеет высокую скорость нарастания и большую величину мгновенного значения, близкого к току короткого замыкания. После пробоя изоляции по всему объему объекта воздействия образуется множество разветвленных токопроводящих каналов, которые «размывают» электрическую энергию, превращая ее в тепло. Поэтому эффективность воздействия данного способа, а также КПД использования источника энергии крайне низкие.
Использование специальных форм электрических импульсов, благоприятных для стимуляции (например, островершинная волна), в данном способе не представляется возможным, поскольку происходит искажение и затяжка фронтов операционных импульсов как во время нарастания, так и во время спада. Реальный частотный диапазон данного способа ограничен на уровне 3…5 кГц.
Другим недостатком известного способа является то, что высоковольтный источник при напряжениях выше 7…10кВ неустойчиво работает в режиме ударных токов в диапазоне от 20А до 150А, необходимых, например, для осуществления процедуры уничтожения сорных растений, а также имеет большие габариты и массу (более 50…100 кг).
Работа с таким оборудованием крайне опасна с точки зрения техники безопасности и требует специальной подготовки высококвалифицированного обслуживающего персонала.
Недостатками известного способа являются низкий КПД, ограниченный частотный диапазон, низкая избирательность воздействия на объект, а так же ограниченная область применения.
Технической задачей изобретения является создание способа дуплексного воздействия электрическим током на биологические объекты растительного и животного происхождения, обладающего расширенным частотным диапазоном, высоким КПД, высокой избирательностью воздействия и широким диапазоном использования.
Эта задача достигается тем, что при воздействии электрическим током на биологические объекты растительного и животного происхождения сначала на биообъект посредством активного электрода подают последовательность тестовых импульсов с целью идентификации объекта и определения его дифференциальной проводимости, затем, на основании полученных данных тестирования, осуществляют дуплексное воздействие электрическим током, которое определяет конечный результат, а именно уничтожение или стимуляцию биообъекта.
В предлагаемом способе процедура воздействия на биообъект электрическим током состоит из двух этапов.
На первом этапе происходит исследование биообъекта последовательностью тестовых импульсов, которые отличаются друг от друга напряжением, длительностью и формой. Это необходимо для того, чтобы идентифицировать объект и определить его дифференциальную комплексную проводимость при различных возмущающих воздействиях, не изменяя его физического состояния.
На втором этапе осуществляется дуплексное воздействие. На биообъект, учитывая полученные данные тестирования, подается импульс инициации, который пробивает собственную изоляцию и создает внутри объекта проводящий канал, при этом падение напряжения на нем резко уменьшается. В момент образования проводящего канала в заданной (благоприятной) точке вольт-амперной характеристики для силового воздействия подается операционный импульс, определяющий конечный результат всей процедуры. Если энергия операционного импульса достаточно велика, то объект будет уничтожен. В ином случае, при низком значении энергии операционного импульса, результатом воздействия может быть стимуляция или замедление роста биообъекта, изменение его морфологической структуры, восприятия окружающей среды и т.д.
Принцип дуплексного воздействия позволяет решить две принципиальных проблемы - существенно снизить напряжение операционного (силового) импульса и сосредоточить электрическую энергию в пределах одного проводящего канала, не распыляя ее по всему объему объекта. Практически, напряжение силового источника при воздействии на биообъекты растительного происхождения может быть снижено до 0,7…1,5кВ, а его мощность уменьшена в 3…5 раз.
Напряжение тестового сигнала, также как импульса инициации, образующего проводящий канал, должно быть достаточно высоким. Это необходимо для того, чтобы беспрепятственно преодолеть изоляционный барьер биообъекта. Напротив, ток, прикладываемый к объекту до момента поступления дуплексного импульса, должен быть ограниченным (щадящим) - он не должен вызывать каких-либо физических или структурных изменений или нарушать внутриобменные процессы биообъекта. Поэтому тестовый источник должен вырабатывать высокое напряжение и небольшой ток, достаточный для формирования проводящего канала.
Благодаря наличию проводящего канала скорость нарастания тока операционного источника во много раз превосходит скорость нарастания тока в обычном режиме, в результате этого эффективность воздействия возрастает пропорционально увеличению плотности тока, проходящего через биообъект, в единицу времени.
Значительное повышение частоты обработки биологических объектов стало возможным благодаря снижению напряжения операционных импульсов. Это позволяет использовать быстродействующие импульсные источники питания, выполненные на полупроводниковых элементах, работающие на частотах до 120кГц, при выходных токах до 1000А и напряжениях до 3кВ.
Предлагаемый способ способствует созданию разнообразных аппаратных средств воздействия электрическим током на биологические объекты растительного и животного происхождения, имеющих высокий КПД, небольшие габариты и массу, обладающих высокой выходной мощностью, высокой эффективностью, широким спектром используемых частот и широким диапазоном использования.
Способ дуплексного воздействия позволяет максимально использовать энергию операционного импульса, обеспечивая высокий КПД, при минимальных затратах электрической энергии.
К достоинствам данного способа следует отнести возможность создания устройств уничтожения или стимуляции биологических объектов в малогабаритном переносном исполнении, работающих от компактной аккумуляторной батареи напряжением 6…12 В.
На чертеже представлена функциональная схема и эпюры вольт-амперных характеристик устройства дуплексного воздействия электрическим током на биологические объекты растительного и животного происхождения, поясняющие работу предлагаемого способа.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является установка для уничтожения сорных растений с помощью электрической энергии "ЭРПИК", содержащая источник электрической энергии, систему управления и электроды (проект «ИНТЕЛЛЕКТ», рубрика ГРНТИ: 68.35, Попов В.М., 2000 г.).
Недостатками данного устройства являются ограниченный спектр используемых частот, большие габариты и масса, низкий КПД, а также ограниченный диапазон использования.
Технической задачей изобретения является создание устройства дуплексного воздействия электрическим током на биологические объекты растительного и животного происхождения, обладающего расширенным частотным диапазоном, небольшими габаритами и массой, высоким КПД и широким диапазоном использования.
Эта техническая задача достигается тем, что в устройство дуплексного воздействия электрическим током на биологические объекты растительного и животного происхождения, содержащее источник электрической энергии (источник операционного напряжения), систему управления и активный электрод, введены генератор тестовых импульсов, тестовый анализатор проводимости и операционный анализатор проводимости, образуя при этом новые дополнительные связи.
Устройство содержит генератор тестовых импульсов 2, выходом соединенный с входом тестового анализатора проводимости 3, источник операционного напряжения 4, выходом подключенный к входу операционного анализатора проводимости 5, активный электрод 6, соединенный с выходом операционного анализатора проводимости 5 и выходом тестового анализатора проводимости 3, управляющий выход которого подключен к входу синхронизации источника операционного напряжения 4, и систему управления 1, соединенную с информационными каналами обоих анализаторов проводимости 3, 5, генератора тестовых импульсов 2 и источника операционного напряжения 4, причем активный электрод 6 подключен к объекту воздействия 7.
Система управления 1 обеспечивает ввод, вывод, контроль и управление всеми данными в процессе работы устройства по заданной программе.
Генератор тестовых импульсов 2 вырабатывает последовательность высоковольтных импульсов различной амплитуды, длительности и формы (а), которые через анализатор проводимости 3 поступают на активный электрод 6 (d), подключенный к объекту воздействия 7. Каждый тестовый импульс, проходя через объект воздействия 7, создает проводящий канал, параметры которого фиксируются анализатором проводимости 3 и передаются в виде данных в систему управления 1 по информационному каналу. На основании полученных данных тестирования и программы, заложенной в систему управления 1, генератор 2 вырабатывает импульс инициации (а), который на объекте 7 формирует оптимальный канал проводимости. Состояние этого канала отслеживает анализатор 3. Когда проводимость канала достигает необходимого значения, анализатор 3 вырабатывает сигнал управления (b), который поступает на вход синхронизации операционного источника 4 и запускает его. Операционный импульс от источника 4 (с) через анализатор 5 поступает на активный электрод 6 (d) и накладывается на проводящий канал, сформированный импульсом инициации. Таким образом, происходит дуплексное воздействие на объект 7 от двух источников 2,4: первый формирует оптимальный канал проводимости, а второй в заданной точке его характеристики осуществляет силовое воздействие, обеспечивая желаемый результат. Появление операционного импульса (с) возможно в любой фазе сформированного проводящего канала. Анализатор проводимости 5 отслеживает прохождение операционного импульса через объект 7 и по окончании его выдает данные системе управления 1 о результате силового воздействия. На основании полученной информации система управления 1 принимает решение, достигнут ли желаемый результат или требуется повторная процедура воздействия.
Количество и параметры тестовых импульсов определяются программой, заложенной в систему управления 1. В процессе тестирования общее энергетическое воздействие на объект 7 должно быть индифферентным, чтобы не нарушить его исходное состояние. В момент образования проводящего канала напряжение на объекте воздействия 7 резко падает, поскольку происходит пробой его собственной изоляции, поэтому величина напряжения операционного источника 4 может быть значительно снижена по отношению к напряжению тестового генератора 2. Устройство прекращает воздействие после того, как на систему управления 1 поступят данные с анализатора 5 о достигнутом результате.
На чертеже представлены эпюры напряжений и токов, поясняющие работу устройства в режиме уничтожения сорных растений.
На эпюре а показаны импульсы напряжения на выходе тестового генератора импульсов 2 (а).
На эпюре b показан синхроимпульс, образующийся на управляющем выходе анализатора 3 (b), который запускает источник операционного напряжения 4.
На эпюре с показан импульс напряжения силового воздействия, образующийся на выходе операционного источника 4 (с) после его запуска.
Эпюра d демонстрирует изменяющийся во времени ток канала проводимости во время тестирования (t0-t3) и во время дуплексного воздействия (t4-t6).
Для простоты восприятия напряжения на выходах обоих источников 2,4 (эпюры а, с) показаны в виде импульсов прямоугольной формы, а количество тестовых импульсов (эпюра а) сведено к одному длительностью t0-t3 (ось абсцисс).
В момент касания сорного растения (объект 7) электродом 6 генератор 2 вырабатывает один тестовый импульс длительностью t0-t3 (эпюра а), в результате которого через объект 7 протекает ток, образующий изменяющийся во времени проводящий канал (эпюра d). Значение дифференциальной проводимости в каждой точке проводящего канала от t0 до t3 фиксируется анализатором 3. Максимальное значение тока проводимости соответствует точке t1, минимальное - точке t2.
В точке t4 генератор 2 вырабатывает импульс инициации (эпюра а), который повторно создает проводящий канал от t4 до t5 (эпюра d). В точке t5, соответствующей максимальному значению тока проводящего канала d1 (эпюра d, ось ординат), анализатор проводимости 3 вырабатывает синхроимпульс (эпюра b), который своим передним фронтом запускает источник операционного напряжения 4 (эпюра с), вследствие чего ток через проводящий канал резко возрастает. В промежутке времени от t5 до t6 (эпюра d) происходит энергетическое воздействие операционного источника 4 на объект 7, результатом которого является уничтожение сорного растения.
Амплитуда и длительность операционного импульса от t5 до t6 (эпюра с) определяется системой управления 1 на основании предварительного тестирования. Изменение тока прохождения операционного импульса в этот период (эпюра d, t5-t6) отслеживается анализатором 5, данные которого показывают, уничтожен сорный объект 7 или требуется повторная операция.
Предлагаемое устройство очень эффективно для борьбы с грызунами. Например, если мышь коснется активного электрода, то через нее проходят тестовые импульсы, которые идентифицируют ее как объект с характерными электрофизическими параметрами, которые присущи именно этому биологическому виду, то есть при помощи тестовых импульсов можно легко отличить мышь от других объектов животного происхождения, например собак, кошек и т.п. Параметры импульсов (интенсивность) дуплексного воздействия выбираются в зависимости от поставленной задачи - уничтожить объект или отпугнуть его. В данном случае диапазон напряжений импульсов, как тестовых, так и операционных, находится в пределах 200 В…1500 В, токов - от 0,1…0,5 мА (тестовые импульсы) до 8…15А (импульсы воздействия).
Известны случаи гибели животных при использовании электропастухов на открытых пастбищах. Чаще всего это происходит тогда, когда животное касается активного проводника, находящегося под высоким напряжением 7...12кВ, слизистой оболочкой полости рта, которая создает наибольшую проводимость при прохождении тока через тело животного. Предлагаемый способ обеспечивает селективное воздействие электрическим током на животное, выбирая максимально безопасный режим, соответствующий проводимости биообъекта в месте его контакта с проводником электропастуха.
При проведении селекционных работ в растениеводстве используются методики электростимуляции растений различными по форме импульсами (прямоугольными, треугольными, экспоненциальными и т.п.) частотой от 200 Гц до 20кГц в диапазоне токов 0,05…50 мА с целью усиления ионообменных процессов корневой системы с окружающей почвой. Применение дуплексного воздействия позволяет дозировать энергию, подводимую к растению, увеличить частотный диапазон операционных импульсов до 55кГц и снизить травматизм биообъектов.
Данное устройство можно использовать на людях и животных в случае электростимуляции биоактивных точек, расположенных на поверхности кожного покрова. В момент соприкосновения активного электрода с кожным покровом через биообъект проходит последовательность тестовых импульсов, которые выявляют биоактивные точки, характеризующиеся повышенной дифференциальной проводимостью по сравнению с индифферентной поверхностью кожи. В зависимости от состояния дифференциальной проводимости исследуемых биологически активных точек на них подаются по заданной программе дуплексные импульсы, которые оказывают на биообъект стимулирующее, анальгезирующее, нормализующее и другие виды воздействий. В приведенном примере дуплексный способ обеспечивает защиту от ошибочного или чрезмерного электрофизического воздействия на биообъект, поскольку дуплексный сигнал обеспечивает оптимальный терапевтический эффект операционного импульса при минимальных значениях энергетических показателей. В этом случае практический диапазон напряжений тестовых и дуплексных сигналов находится в пределах от нескольких вольт до 150…200 В, токов - от 0,01 мА до 20 мА, частотой - от 10 Гц до 90кГц.
По сравнению с поверхностным изоляционным слоем объектов растительного происхождения животные объекты обладают меньшим сопротивлением и напряжением пробоя изоляции эктодермального слоя. Пробой поверхностного изоляционного слоя или эктодермального слоя тестовыми импульсами происходит в микроваттном режиме энергетического воздействия и не изменяет физического состояния биообъекта, к тому же эктодермальные клетки регулярно обновляются.
К преимуществам предлагаемого устройства следует отнести способность самоадаптирования системы к изменяющимся условиям окружающей среды, а также автоматический контроль результатов воздействия без привлечения дополнительных аппаратных средств.
Устройство позволяет использовать широкий частотный диапазон электрических сигналов, от 10 Гц до 120кГц и выше. Это дает возможность воздействовать на энергетическую структуру биоритмов и электрохимическую проводимость тканей биообъектов на клеточном уровне.
Устройство имеет высокий КПД, оно способно вырабатывать импульсы напряжением до 20…25кВ в диапазоне токов до 1000А в амплитудном значении, сохраняя при этом высокую стабильность.
Устройство имеет небольшие габариты и массу.
Его использование особенно эффективно при проведении биотехнологий высокого уровня в научно-исследовательских целях.
Применение устройства не нарушает экологию окружающей среды, а также не вызывает генетических и структурных изменений биологических объектов.