Электротехнологические методы и средства повышения эффективности искусственного осеменения коров и восстановления их молочной продуктивности
Сущность комплексной электротехнологии, её место в составе общей технологии воспроизводства крупного рогатого скота на основе искусственного осеменения коров. Установка необходимых параметров электромагнитных полей, требующих контроля и измерения.
| Рубрика | Сельское, лесное хозяйство и землепользование |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.02.2018 |
| Размер файла | 2,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Электротехнологические методы и средства повышения эффективности искусственного осеменения коров и восстановления их молочной продуктивности
Специальность: 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
Курзин Н.Н.
Краснодар 2009
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет» (ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ»)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Оськин Сергей Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Загинайлов Владимир Ильич
доктор технических наук,
старший научный сотрудник
Пахомов Виктор Иванович
доктор технических наук, профессор
Никитенко Геннадий Владимирович
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинженерный университет»
Общая характеристика работы
Актуальность темы. В результате аграрной реформы в сельском хозяйстве и в других отраслях агропромышленного комплекса страны произошли значительные социально-экономические преобразования. Однако за годы реформирования заметно сократилось поголовье крупного рогатого скота, свиней и птицы. Восстановление поголовья коров напрямую связано с эффективностью искусственного осеменения животных, так, например, выход телят на 100 коров в Краснодарском крае уменьшился с 86 голов в 1990 году до 75 в 2007 году. Такое положение в животноводческой отрасли не позволяет наращивать производство молока и говядины в необходимых объемах.
Разразившийся мировой кризис экономики ставит страну ещё в большую зависимость от поставок продовольствия, особенно мясомолочных продуктов. Для увеличения производства молока и говядины определяющая роль отводится селекционно-племенной работе, повышению качественных показателей искусственного осеменения животных, своевременной подготовке молодняка к машинному доению с использованием современных электротехнологических методов и технических устройств.
Использование энергии электромагнитных полей различной частоты существенно дополняет возможности увеличения производства сельскохозяйственной продукции. Широкое применение аппаратов электромагнитного воздействия на объекты животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве способствует увеличению продуктивности животных и росту урожайности, получению высококачественной конечной продукции. Экономический эффект от внедрения электротехнологических установок достаточно высок из-за небольших энергетических затрат (потребляемая мощность до 1кВт), простых и надежных в эксплуатации технических конструкций самих аппаратов. Наши исследования продолжили работы М.Г. Ковалева - автора специальных устройств с постоянными магнитами для стимуляции спермиев после размораживания.
Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках научно-исследовательских работ в соответствии с госбюджетной темой ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ» на 2006-2010гг. (№ГР01200606851).
Рабочая гипотеза. Под воздействием силы Лоренца в процессе обработки спермо-доз возникает дополнительная составляющая электромагнитного поля, создающая движение жидкости разбавителя навстречу спермиям. Таким образом, увеличивается число спермиев, двигающихся прямолинейно поступательно, что позволит сократить количество спермо-доз для плодотворного осеменения животных.
Целью диссертационной работы является определение места и методов электрофизического воздействия на сперму животных в технологической цепочке воспроизводственного цикла КРС, разработка комплекса электротехнологических устройств для повышения качественных показателей спермо-доз и сокращения времени восстановления молочной продуктивности коров после отёла.
Задачи исследования.
1. Разработать комплексную электротехнологию и определить её место в составе общей технологии воспроизводства КРС на основе искусственного осеменения коров и тёлок, установить необходимые параметры воздействия, подлежащие исследованию.
2. Получить математическую модель, определяющую диапазон электромагнитных сил, действующих в растворе спермы, в зависимости от конструктивных и физических факторов.
3. Разработать математическую модель электромагнитных сил индуктора, учитывающую его основные параметры, действующие на спермии.
4. Установить необходимые параметры электромагнитных полей (ЭМП), требующие контроля и измерения. Разработать структурную схему прибора цифровой оценки электромагнитных характеристик с математическим обоснованием основных блоков.
5. На основе многофакторного планирования экспериментов получить регрессионные модели влияния электромагнитного воздействия на качественные показатели спермы, позволяющие определить оптимальные параметры электротехнологической обработки в зависимости от места применения в общем технологическом процессе воспроизводства КРС.
6. Спроектировать и изготовить устройства электротехнологического воздействия с заданными параметрами. Проверить их работоспособность в лабораторных условиях, внедрить на племенных предприятиях и животноводческих фермах с оценкой целесообразности их практического применения.
7. Произвести экономическую оценку эффективного использования устройств электромагнитного воздействия на сперму быков-производителей на племенном предприятии и пунктах искусственного осеменения животноводческих ферм.
Объекты исследования - технологические процессы в воспроизводстве КРС, лечебно-терапевтическое воздействие электрического тока при профилактике маститов и подготовке первотёлок к раздою, растворы спермо-доз, опытные образцы разрабатываемых электротехнологических устройств для искусственного осеменения и стимуляции животных с контролем параметров обработок.
Предмет исследования - электрофизические методы воздействия на биологические объекты с математическим моделированием динамических процессов, происходящих в сперме; терапевтическое воздействие устройств на биологически активные точки животных; зависимости электромагнитных сил от параметров индуктора и физических свойств растворов.
Методологическая база и методы исследования. В основу конструирования устройств электрофизического воздействия и средств диагностики рассматриваемых объектов, обеспечивающих условия максимальной реализации своего генетического потенциала для увеличения производства животноводческой продукции, положен методологический прием, где сами объекты и технология их обработки рассмотрены как сложные системы, в которых происходят скоротечные по времени изменения параметров жизнедеятельности, определяющие в итоге энергетические и экономические показатели производства конечной продукции. Поставленные задачи решались с использованием методов схемотехники, теории исследования электромагнитных полей, теории исследования объектов животного происхождения, теории вероятности и математической статистики, теории корреляционного и регрессионного анализов, методов активного планирования эксперимента.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- определено место комплекса электротехнологических устройств в структуре воспроизводства КРС при искусственном осеменении животных и выделены основные параметры электрофизических воздействий, что позволяет применять разработанные аппараты, не нарушая общий технологический процесс;
- получена математическая модель электромагнитных сил, действующих в растворе из спермы и разбавителя для установления зависимости предельной концентрации разбавителя в общем объеме при различных значениях магнитной восприимчивости разбавителя и спермий животных;
- определена математическая модель влияния параметров индуктора на силы, действующие на спермии, с учетом их пространственного расположения, направления вращения магнитного поля от отдельных гармоник и количества пар полюсов обмотки, на основании которой предложена рациональная конструкция индуктора с необходимостью метрологической оценки уровней воздействия на конкретные биообъекты;
- теоретически обосновано использование метода быстрого преобразования Фурье в приборе цифрового контроля гармоник пространственного распределения электромагнитного поля, что позволяет с помощью современных процессоров производить расчёты и измерения в реальном времени.
Практическая значимость и ценность работы заключается в следующем:
1. Представлено несколько оригинальных конструктивных решений аппаратов и устройств, предназначенных для воздействия электромагнитными полями различной интенсивности на сперму животных, растворы и жидкости, новизна которых подтверждена 16 патентами на изобретение.
2. Установлены оптимальные параметры воздействия электромагнитных полей на сперму быков-производителей для улучшения качественных показателей спермо-доз животных, используемых на племенных предприятиях и на пунктах искусственного осеменения животноводческих ферм.
3. Разработан и изготовлен комплекс электротехнологических устройств, используемый в цикле воспроизводства КРС и подготовке телят основного стада, который позволяет повысить качественные показатели искусственного осеменения коров и подготовки первотёлок для дойного стада, адаптированных к машинному доению.
4. Экспериментально, с помощью разработанного прибора цифровой оценки сигналов, получена конфигурация пространственной структуры с семейством составляющих электромагнитного поля активной части индуктора для обработки спермы быков-производителей. Предложенная методика расчёта источника излучения может использоваться в целях оптимизации характеристик подобных аппаратов в зависимости от их назначения.
5. Выявлены особенности работы электрофизических аппаратов, используемых для профилактики мастита у коров и первотелок при машинном доении, которые основаны на электростимуляции высокочастотными импульсами и модулировании низкочастотной составляющей с заданной частотой следования импульсов, что позволяет в более короткие сроки восстановить молочную продуктивность коров.
6. Подготовлены рекомендации для сельскохозяйственных предприятий по применению и инструкции по эксплуатации разработанных в лаборатории университета аппаратов и устройств, использующих энергию электрических и магнитных полей.
Изданы монографии: «Методология проектирования устройств и оценка электрофизического воздействия на биологические объекты сельскохозяйственного производства» и «Электротехнологические методы и средства повышения эффективности искусственного осеменения коров и восстановления их молочной продуктивности после отёла», предназначенные для научных и инженерно-технических работников, студентов, аспирантов и преподавателей высших учебных заведений.
Реализация и внедрение результатов работы.
В департамент сельского хозяйства администрации Краснодарского края переданы результаты научных исследований по данной тематике, разработаны и утверждены рекомендации по применению и инструкции по эксплуатации комплекса устройств электрофизического воздействия на животных в сельскохозяйственных предприятиях АПК.
В конструкторское бюро производственного объединения «Протон», г. Харьков, передана техническая документация и налажено промышленное производство приборов Стимул-2 и Стимул-3, используемых в системе мероприятий по борьбе с маститами в хозяйствах края.
Разработаны, изготовлены и более 10 лет успешно эксплуатируются аппараты магнитной обработки спермы быков-производителей (АМОБО), эмбрионов яиц птицы, семян растений, спиртовых растворов и воды с цифровым контролем воздействующих параметров на государственном племенном предприятии «Гулькевичское» Гулькевичского района, на птицефабриках Выселковского, Кореновского и Динского районов Краснодарского края.
Материалы результатов научно-исследовательской работы используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» при изучении дисциплин: «Электротехнология», «Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства».
На защиту выносятся:
- математическая модель электромагнитных сил, действующих в растворе из спермы и разбавителя, устанавливающая зависимости предельной концентрации разбавителя в общем объеме при различных магнитных восприимчивостей разбавителя и спермий животных;
- математическая модель влияния параметров индуктора на силы, действующие на спермии, с учетом их пространственного расположения, направления вращения магнитного поля от отдельных гармоник и количества пар полюсов обмотки;
- теоретическое обоснование метода быстрого преобразования Фурье в приборе цифрового контроля гармоник пространственного распределения электромагнитного поля;
- конструктивные решения аппаратов и устройств, предназначенных для воздействия электромагнитными полями различной интенсивности на сперму животных, растворы и жидкости;
- результаты экспериментальной проверки теоретических положений и регрессионные модели по оптимальным параметрам электромагнитной обработки спермо-доз быков;
- результаты экономической эффективности используемого аппарата электрофизического воздействия на сперму животных.
Апробация работы. Основные результаты исследований и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО КубГАУ по энергосберегающим технологиям (г. Краснодар, КубГАУ, 1998…2007);
- на международном симпозиуме по электротехнологии (г. Кишинев, 1998г.);
- на 1-й и 2-й Российской научно-практической конференциях «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК» (г. Ставрополь, 2001г., 2003г.);
- на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы оптимизации затрат при передачи и распределении электрической энергии» (с.Дивноморское, 2003г.);
- на Всероссийских научных конференциях «Разработка новых южнороссийских технологий и технической базы для возделывания зерновых в зоне засушливого земледелия» (г. Зерноград, 2004-2005гг.);
- на международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования (г. Волгоград, 2006г.).
На IV Московском международном салоне инноваций и инвестиций (ВВЦ, г. Москва, 2004) получена золотая медаль.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 50 печатных работах, включая 2 монографии и 16 патентов на изобретения. Девять научных работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, библиографического списка (314 наименований) и приложения. Диссертация изложена на 269 страницах, включая 27 таблиц и 88 рисунков.
Содержание работы
Во введении обоснована и раскрывается актуальность проблемы, сформулированы цель работы, её научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о внедрении и использовании результатов научных исследований.
В первой главе проведен анализ современного состояния воспроизводства КРС с использованием искусственного осеменения сельскохозяйственных животных и их роль в повышении производства отечественной мясомолочной продукции. Статистика показывает, что в последние годы сокращается важный воспроизводственный показатель - выход телят на 100 коров, что заметно снижает количественные показатели конечной продукции животноводства. Это связано с использованием спермо-доз неизвестного происхождения: хотя в банках хранения они имеются в достаточном количестве, но качество этой продукции часто низкое. Не придается должного значения подготовке молодняка КРС к машинному доению через раздой. В этой связи рассмотрены электрофизические факторы, влияющих на объекты животного происхождения при электромагнитном воздействии полей различной интенсивности с использованием аппаратов и устройств магнитной обработки, разработанных в лабораториях Кубанского государственного аграрного университета. Их характерной особенностью является низкое энергопотребление, простота изготовления и оригинальность самих устройств, защищенных патентами РФ.
В разное время изучению процессов электромагнитного влияния на системы биологического происхождения и математическому моделированию конструкций электромагнитных устройств посвятили свои работы зарубежные и отечественные ученые В.И.Классен, О.Зенкевич, Е.Шуман, Т. Вермайер, И.Ф. Бородин, В.И.Загинайлов, В.И. Пахомов, Г.В. Никитенко, М.Г.Ковалев, В.Н.Гурницкий, Е.Ф.Тебенихин, А.Н.Куценко, А.В.Карнаухов, М.Н.Жадин, Б.М.Владимирский, Н.А.Тимурьянц, Ф.А.Мамедов, О.В. Михайлова, А.Г. Возмилов, В.Ф. Сторчевой, Н.В. Цугленок, В.И. Чарыков, М.Г.Барышев и многие другие.
Накопленные экспериментальные данные в области магнитобиологии убедительно доказали, что биологические системы обладают избирательной восприимчивостью к действию электромагнитных полей в зависимости от их напряженности, времени воздействия и частоты.
Воздействие электромагнитного поля на биологические объекты приводит к некоторому увеличению температуры биологической системы и, как следствие, к повышению скорости химических и биохимических реакций, что отражается в повышенной активности биохимических процессов в этих объектах на начальной фазе формирования животного и растительного организма. Другого объяснения требует расшифровка механизма воздействия на клетку животного при искусственном оплодотворении. Здесь определяющее значение отводится процессу придаче прямолинейного поступательного движения спермию в яйцеводе матки, то есть следовало бы рассмотреть, как действуют на спермии электромагнитные силы, придавая им необходимую направленность.
Существующие устройства и аппараты электрофизического воздействия на биологические объекты, как правило, в своей основе содержать источники электромагнитных или других излучений. Их конструктивные решения зависят не только от геометрических размеров обрабатываемых объектов, но должны учитывать физиологические параметры в зависимости от поставленных задач, например, предпосевной обработки, сроков хранения, стимуляции восстановительных функций организма.
Для такого специфического объекта как сперма животных требуется особый теоретический и экспериментальный подходы. Здесь необходимо учитывать способ получения и хранения биологического материала до его практического использования по физиологическим параметрам. Так для спермы животных очень важно в процессе консервации при глубоком замораживании уменьшить количество центров кристаллизации, повреждающих жизненные функции спермиев в период хранения.
Применение устройств электромагнитного воздействия на объекты растительного и животного происхождения позволяет при незначительных энергетических затратах и относительно несложных технических решениях изменять физико-химические свойства растворов в зависимости от требований технологии.
Однако отсутствие комплексных методических и научных подходов к конкретным технологическим процессам сельскохозяйственного производства не позволяет провести широкое внедрение современных электронанотехнологий.
Исходя из проведенного анализа и поставленной цели, определены задачи исследования.
Во второй главе проводится теоретическое обоснование параметров электротехнологии в воспроизводственном цикле КРС. Технология воспроизводства КРС на основе искусственного осеменения может быть представлена структурной схемой, изображенной на рисунке 1. Сама структурная схема включает два обобщающих блока: племенное предприятие и ферма КРС.
В таком воспроизводственном цикле можно предложить два места применения электромагнитной обработки спермы: перед консервацией и после размораживания спермо-доз. Кроме того, есть место для применения комплекса аппаратов по профилактике и борьбе с маститами при подготовке первотелок к раздою. Предлагаемая структурная схема позволяет комплексно оценить значение электротехнологических приемов, определить для них конкретные задачи и контролируемые качественные показатели.
Состав спермы быка включает следующие компоненты: спермии, плазма и 70-90 % воды. Спермии составляют до 14 % всего объема спермы и содержат около 25 % сухого вещества и 75 % воды. Сухое вещество состоит, в основном, из сложного и простого белка, липидов, минеральных веществ, находящихся в спермиях в виде солей фосфорной, хлористоводородной и серной кислот, а также в виде солей органических кислот. Способность к движению является характерной особенностью спермиев. Имеется несколько видов движения спермиев: прямолинейно-поступательное (спермии активно перемещаются вперед по прямой линии); манежное (спермии вращаются вокруг своей головки или перемещаются по кругу с радиусом, равным примерно длине спермия); колебательное (спермии на одном месте изгибаются вправо и влево).
Рисунок 1. - Технология воспроизводства КРС на основе искусственного осеменения с использованием электротехнологии
1
Нормальным является только прямолинейно-поступательное движение спермиев. При определении магнитной восприимчивости слабомагнитных тел, какими являются сперма животных и применяемые разбавители, широко используются методы Фарадея, Кюри-Шенево и Гуи. Они основаны на измерении сил Лоренца, действующих на тело в неоднородном магнитном поле.
На диамагнитную жидкость в ампуле, помещенной в неоднородное магнитное поле, будет действовать сила:
, (1)
где m -масса жидкости; l - длина части сосуда, занятого жидкостью; - магнитная, массовая восприимчивость; - магнитная восприимчивость; - плотность жидкости.
Подготовленная сперма находится в разбавленном состоянии. В состав разбавителя и спермы входит много компонентов, с различной магнитной восприимчивостью. В общем виде раствор разделен на разбавитель и спермии, и отдельные силы, действующие на его основные компоненты можно определить по формулам:
; (2)
, (3)
где , - магнитные восприимчивости соответственно разбавителя и спермы; , - объемы, занимаемые соответственно разбавителем и спермой.
Так как общий объем сосуда постоянен, то можно выразить отдельные объемы через относительную концентрацию и определить результирующую силу:
электромагнитное поле осеменение корова
(4)
где - площадь поперечного сечения общего сосуда, , - относительные концентрации в общем объеме соответственно разбавителя и спермиев.
Минимальный эффект магнитной обработки будет в случае равенства результирующей силы нулю, то есть
(5)
(6)
В соответствии с ранее проведенными нами исследованиями магнитная восприимчивость спермиев равна 6,83?10-6. Следовательно, отношение магнитных восприимчивостей =1,9, а предельная концентрация разбавителя составит 0,34.
Представим формулу (4) в виде:
. (7)
Определение сил, действующих в растворе при диаметре сосуда 1,5 см, напряженностью магнитного поля порядка 0,3 Тл (расчеты проводились в системе СГС) показало, что они находятся в интервале 193 - 226 дин.
Результирующая сила, действующая в растворе, будет зависеть от напряженности магнитного поля, его неоднородности и от радиуса сосуда, что также можно представить графически (рис. 2).
Рисунок 2. - График зависимости результирующей силы от напряженности магнитного поля при различных радиусах сосуда.
Составляющие электромагнитного поля индуктора в цилиндрических координатах могут быть представлены следующими выражениями:
(8)
(9)
где - отношение текущего значения расстояния от точки до центра индуктора к радиусу индуктора; - пазовый угол статора.
При угле ц, равном 15° выражения (8, 9) принимают вид:
(10)
(11)
На рисунках 3 и 4 показаны графические зависимости амплитуд отдельных гармоник от относительного значения расстояния до центра индуктора. Кривые представлены в отношении к значению амплитуды первой гармоники при r=ro, которая принята за 1.
Рисунок 3.- Зависимость амплитуды пятой гармоники индукции поля от расстояния до центра
Если рассматривать точку у магнитопровода статора, то относительное значение гармоник составит: 5-й - 0,2; 7-й - 0,14; 11-й - 0,09.
Рисунок 4. - Зависимость амплитуды седьмой и одиннадцатой гармоник индукции поля от расстояния до центра
Анализ полученных графиков показывает, что с увеличением номера гармоники возрастает неравномерность амплитуды гармоники в воздушном зазоре машины. Влияние высших гармоник до r/r0=0,8 практически не сказывается. Также нужно отметить, что влияние 11-й гармоники будет сказываться только около магнитной системы статора.
Представляет интерес и пространственное распределение магнитодвижущей силы в зависимости от угла б. На рисунке 5 показано пространственное распределение гармонических составляющих в зависимости от количества пар полюсов и угла б.
Рисунок 5. - Зависимость амплитуды гармоник индукции поля от угла альфа при р=1 и r/r0=1
После преобразований полученных выражений для индукции Br и B были определены формулы для средних значений составляющих силы, действующей на спермии во вращающемся магнитном поле:
, , (12)
, (13)
Полученные функциональные зависимости можно преобразовать с учетом направления вращения магнитного поля от отдельных гармоник и представить в следующем виде:
(14)
В дальнейшем анализе рассматривались первые четыре гармоники и учитывалось, что первая и пятая вращают магнитное поле в одном направлении, а седьмая и одиннадцатая - в обратном.
На основании полученного выражения построены характеристики, которые показывают зависимость от отношения r/ro для различных значений числа пар полюсов р (рис. 6).
Рисунок 6. - Зависимость от r/ro для различных значений р
Анализ характеристик показывает, что при увеличении числа пар полюсов р возрастает неравномерность силы frср по ширине воздушного зазора. С увеличением числа пар полюсов рабочий зазор необходимо уменьшать. Полученные графики также показывают, что лучше использовать машину с количеством пар полюсов, равным двум - для получения более равномерных сил, действующих на спермии.
Учитывая, что радиус спермия равен 7,5 микрон и, задаваясь индукцией поля от 0,1 Тл до 0,5 Тл, можно получить графики зависимости силы, действующей на спермий от напряженности магнитного поля (рис. 7). Полученные теоретические зависимости показывают большое влияние неоднородности магнитного поля в воздушном зазоре индуктора на действующие силы. Следовательно, необходимы средства контроля фактического значения индукций в зоне обработки с фиксацией отдельных гармонических составляющих и их фазовых сдвигов.
Рисунок 7. - Зависимость силы, действующей на спермий от напряженности магнитного поля при различных радиусах индуктора
Произведена теоретическая разработка отдельных блоков устройства контроля воздействия в зоне обработки. Необходимым условием при проектировании цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС) является представление аналоговых входных сигналов в цифровой форме. На рисунке 8 представлена упрощенная функциональная схема проектируемого устройства. Ветвь АЦП на кристалле включает анти-элайсинговый фильтр. После формирования цифровых данных, они поступают на выход в последовательном формате вместе с сигналами управления процессора. Как АЦП, так и ЦАП имеют высокую разрядную разрешающую способность. Ветвь ЦАП предполагает на входе цифровые данные в последовательном формате. Выходной сигнал ЦАП сглаживают, используя фильтр, размещенный внутри кристалла с программируемой частотой среза. Это устройство сопрягается с последовательным портом устройства ЦОС.
Рисунок 8. - Функциональная схема проектируемого устройства
Учитывая, что процессор работает во временной области, необходимы математические средства преобразования сигналов из временной области в частотную и обратно. Введение фазорной модели необходимо для представления дискретного и непрерывного сигналов. Фазоры имеют амплитуду, пропорциональную амплитуде сигнала и вращаются со скоростью, пропорциональной частоте сигнала. Известно, что процессоры не могут обрабатывать непрерывные сигналы и могут только работать с отсчетами дискретизированного сигнала. Поэтому в этом случае выражение х(t) = A ejt необходимо преобразовать к такому виду, чтобы значения сигнала можно было определить с помощью вычислительной процедуры. Для этого введены две новых переменных: T1 - период дискретизации и п - номер отсчета. Тогда, например, если мы хотим представить сигнал через 10 мс от начала при периоде дискретизации T1 = 2 мс, получим n = 5.
Не все сигналы имеют одинаковую фазу, поэтому вводится фазовый сдвиг и, в результате определяем, что
х(t) = A ej(t+) (15)
при замене непрерывного времени на дискретное время имеем:
х(n) = A ej(nТ1+) (16)
Таким образом, получены способы представления сигналов, как в дискретной, так и в непрерывной форме. Зная, что (ejt) - фазор, то получается, что косинусоидальный сигнал состоит из двух фазоров, которые представляют собой взаимно дополняющие векторы, амплитуды которых одинаковы и равны половине амплитуды «вещественного» косинусоидального сигнала. Синусоидальное колебание может быть представлено двумя сопряженными фазорами. Но электромагнитные составляющие - это наиболее сложные сигналы, с которыми приходится сталкиваться при воздействии на объекты биологического происхождения. В действительности потребуется найти способ выражения подобного соотношения в более общей форме. Использование фазоров дает следующее выражение:
, (17)
а это уравнение можно представить в общем виде:
. (18)
Для обработки реальных сигналов, содержащих множество различных частот необходимо отфильтровать нежелательные частоты. Многие сигналы содержат высокочастотные и низкочастотные составляющие. В проектируемом устройстве эффект фильтрации максимально используется как в частотной так и во временной области. Повышение быстродействия ЦПОС сделало возможным реализацию таких сложных структур цифровых фильтров, как адаптивные фильтры. Для того, чтобы использовать ряд Фурье в цифровой обработке сигнала его надо преобразовать применительно к дискретизированному аналоговому входному сигналу. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) требует очень большого количества вычислений. Так для любого N-точечного ДПФ нужно осуществить N2 умножений и N(N-1) сложений. На практике обычно имеют дело с последовательностями чуть более 1000 точек, что потребует выполнить примерно 106 комплексных умножений и 106 комплексных сложений. Но это неэффективно, т. к. не учтены свойства симметрии и периодичности поворачивающего множителя (). Указанные два свойства используются для повышения эффективности вычислений ДПФ с помощью различных алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ). Свойство симметрии означает, что . Поворачивающий множитель является периодическим относительно N, а увеличение k на N/2 дает то же значение множителя, взятое с обратным знаком. Свойство периодичности означает, что . Поскольку является периодической функцией с ограниченным числом известных значений, можно ускорить вычисление ДПФ, если сократить количество вычислений этой функции. Для этого надо разбить ДПФ на два ряда: один - по четным, а второй - по нечетным членам последовательности x(n), как показано ниже:
. (19)
Можно увеличить число идентичных слагаемых с помощью следующего разложения:
. (20)
Так как поворачивающий множитель в уравнении (20) не зависит от индекса r, его выносим за знак суммы и в результате получим:
. (21)
Математические действия с поворачивающим множителем приводят к окончательному выражению быстрого преобразования Фурье (БПФ) в виде уравнения:
. (22)
Это метод вычисления ДПФ, несколько быстрее, чем предыдущий, так как для 1000-точечного ДПФ выполняется 5002 + 5002 + 500 = 500500 умножений вместо 1 миллиона умножений для исходного ДПФ. Такая экономия позволяет вычислять ДПФ в реальном времени. Однако процесс можно еще ускорить, используя «прореживание по времени», поскольку разбиение осуществляется во временной области. Для реализации 1024-точечного ДПФ на процессоре с длительностью цикла 50 нс потребовалось бы 1 048 576 комплексных умножений и 1 047 552 комплексных сложений. Полагая, что комплексное умножение и сложение может быть выполнено за один цикл, время обработки ДПФ составило бы 104 мс. Время вычисления 1024-точечного БПФ по основанию 2 составляет 768 мкс. Отношение количества умножений ДПФ к количеству умножений БПФ равно 204,8, что означает возможность вычисления БПФ в реальном времени. Простая структура БПФ позволяет достаточно быстро выполнить преобразование на кристалле ЦПОС, специально предназначенном для его реализации. Основной недостаток подобных устройств состоит в том, что они не программируются и не способны выполнять другие функции обработки сигналов. Однако ЦПОС общего назначения могут осуществлять разнообразные операции с входным сигналом, включая БПФ. С помощью алгоритмов БПФ современные процессоры легко могут вычислять 1024-точечное ДПФ менее чем за 5 мc, что приемлемо для практических измерений.
В третьей главе изложена методика и приведены результаты экспериментальных исследований влияния обработки ЭМП на качество спермы быков. Главным показателем качества используемой спермы на племенных предприятиях и пунктах искусственного осеменения является количество спермиев, обладающих прямолинейным поступательным движением (ППД). Каждая серия спермы быков оценивается по нескольким показателям, в том числе по подвижности (не ниже 4 баллов) и количеству спермиев с ППД в спермо-дозе (не менее 15 млн. единиц). Лабораторное оборудование для обработки спермы с помощью ЭМП включает индуктор и систему управления. Спермо-дозы помещаются в ячейки только напротив зубцовых зон. Целью эксперимента является получение регрессионных моделей параметров магнитной обработки, влияющих на качество спермы быков-производителей для искусственного осеменения. Для достижения цели произведено планирование эксперимента.
В качестве независимых переменных приняты основные параметры обработки:
х1 - индукция магнитного поля в рабочем зазоре устройства, B, Тл (4 уровня -0,1; 0,2; 0,3; 0,4); интервал варьирования 0,1 Тл.
х2 - время воздействия t, с (4 уровня - 60; 120; 180; 240); интервал варьирования 60 с.
Основными параметрами оценки качества спермы быков при искусственном осеменении являются: выживаемость и подвижность спермы. Обработку производили для двух электротехнологических вариантов. В первом варианте осуществлялась обработка спермы после получения, разбавления и перед замораживанием. Оценка качества спермы производилась после размораживания. Во втором варианте осуществлялась обработка спермы после размораживания, затем также производилась оценка качества спермы.
В качестве зависимых переменных были приняты:
y1 - выживаемость спермы обрабатываемой до замораживания, ВС1, ч;
y2 - подвижность спермы обрабатываемой до замораживания, ПС1, баллы;
y3 - выживаемость спермы обрабатываемой после размораживания, ВС2, ч;
y4 - подвижность спермы обрабатываемой после размораживания, ПС2, баллы.
Лабораторные исследования проводились в ОАО «Гулькевичское» по искусственному осеменению сельскохозяйственных животных. Регрессионный анализ факторов и определение значимости коэффициентов уравнений были проведены при помощи программы STATISTICA 6.0. Корреляционный анализ произведен методом Пирсона. Аппроксимация была проведена методом полинома. С позиции дальнейшего применения наибольшую ценность представляет эмпирическая математическая модель. Данная математическая модель позволяет оценить влияние индукции электромагнитного поля и времени обработки в абсолютных единицах на выживаемость спермы быков, обрабатываемой до замораживания.
. (23)
Вид поверхности отклика по полученному уравнению модели представлен на рисунке 9.
Проводилось исследование функции двух переменных на экстремум. Для этого определены частные производные исходного уравнения поверхности второй степени. Полученная модель устанавливает оптимальные параметры обработки спермы быков до замораживания: индукция ЭМП - 0,265 Тл; время обработки - 145,01 с.
Математическая модель определяет повышение выживаемости спермы на 46,6 % . Важную роль играет исследование функции в окрестностях экстремума. Это связано с эксплуатационными параметрическими отклонениями. Так при изменении параметров обработки (рис. 10): индукции ЭМП от 0,196 до 0,336 Тл; времени обработки от 108 до 183 с, происходит стабильное улучшение качества спермы по параметру выживаемости на 33,3 %.
Получена также эмпирическая математическая модель по подвижности спермиев, представленная полиномом второй степени (рис. 11). Данная математическая модель позволяет оценить влияние индукции электромагнитного поля и времени обработки в абсолютных единицах на подвижность спермий быков, обрабатываемых до замораживания.
(24)
Таким образом, полученная в результате экспериментальных исследований модель, устанавливает оптимальные параметры обработки спермы быков до замораживания: индукция ЭМП 0,252 Тл; время обработки 143,4 с. Данная математическая модель обосновывает увеличение подвижности спермы на 30,5 % .
При отклонении параметров обработки от оптимальных (рис. 12): индукции ЭМП от 0,202 до 0,304 Тл; времени обработки от 112 до 176 с происходит стабильное улучшение качества спермы по параметру подвижности на 27,7 %.
Если наложить проекции математических моделей выживаемости друг на друга, то пересечение линий оптимумов даст общую зону оптимальных параметров по двум показателям (рис. 13).
Рисунок 13. - Изображение совмещенных проекций выживаемости (y1) и подвижности (y2) спермы обрабатываемой до замораживания на оси индукции ЭМП (x1) и времени воздействия (x2).
Тогда получаем оптимальные параметры обработки спермы быков до замораживания: индукция ЭМП - 0,252 Тл; время обработки - 143,4 с. Данная математическая модель обосновывает увеличение выживаемости спермы более чем на 35 % и подвижности спермы более чем на 27% при изменении параметров обработки в окрестностях оптимального значений индукции ЭМП от 0,2 до 0,3 Тл; времени обработки от 112 до 176 с.
Аналогичным образом была проведена обработка экспериментальных данных после размораживания спермо-доз. Эмпирическая математическая модель по оценке влияния индукции электромагнитного поля и времени обработки в абсолютных единицах на выживаемость спермий быков, обрабатываемых после размораживания, выглядит следующим образом:
. (25)
Рисунок 14. - Изображение совмещенных проекций выживаемости (y3) и подвижности (y4) спермы обрабатываемой после размораживания на оси индукции ЭМП (x1) и времени воздействия (x2).
Эмпирическая математическая модель оценки влияния индукции электромагнитного поля и времени обработки в абсолютных единицах на подвижность спермы имеет вид:
(26)
По данным моделям также были построены поверхности отклика и определен контур после наложения двух проекций (рис. 14). Из рисунка 14 следует, что для получения максимального эффекта по двум качественным показателям необходимо поддерживать индукцию ЭМП в интервале 0,212 - 0,258 Тл, а время обработки в пределах 120 - 166 с.
Для проверки теоретических исследований по наличию гармонических составляющих в отдельных точках индуктора была изготовлена лабораторная установка, изображенная на рисунке 15.
Для регулировки тока в индукторе использовался трехфазный автотрансформатор. Цель эксперимента - определить уровни отдельных гармонических составляющих ЭМП в зависимости от места расположения обрабатываемого объекта и естественном уровне несимметрии в сети.
Рисунок 15. - Вид индуктора с прибором по определению гармоник в индукторе
Для этого фиксировались по прибору относительные значения гармоник при перемещении датчиков вдоль расточки статора. Как и предполагалось, основное отличие значений наблюдалось при переходе датчика от зубцовой зоны к пазу статора. При этом эти изменения повторялись вдоль всего статора. В процессе эксперимента ток в обмотке статора поддерживался на уровне 50% от номинальной величины (для уменьшения интенсивности нагрева обмоток, из-за отсутствия обдува индуктора). Расчет относительного уровня 5-й и 7-й гармоник показал, что для зубцовой зоны соответственно составили 0,33 и 0,19; а для пазовой зоны 0,24 и 0,12. Это несколько превышает расчетные теоретические значения, что можно объяснить наличием в питающей сети высших гармонических составляющих. Если учесть дисперсию от среднего значения измеренных параметров, то полученный интервал накрывает расчетные данные.
Во втором этапе эксперимента производилось увеличение тока статора до номинального значения. В этом случае фиксировалось значение гармоник только в зубцовой зоне статора, отмечено возрастание высших гармоник, особенно 7-й. При этом относительное значение 5-й и 7-й гармоник составило 0,41 и 0,67 соответственно. Такое увеличение высших гармонических составляющих объясняется насыщением магнитопровода статора, что приводит к искажению синусоид потребляемого тока и магнитодвижущих сил.
В четвертой главе рассматривается работа предлагаемых устройств электромагнитного воздействия на объекты биологического происхождения.
Большинство аппаратов и устройств, разработанных в лабораториях Кубанского государственного аграрного университета, защищены патентами РФ.
На рисунке 16 приведена структурная схема цифрового процессора для инструментальной оценки воздействия спектральных составляющих электромагнитного поля на биологические объекты.
Рисунок 16.- Структурная схема прибора оценки спектральных составляющих электромагнитного поля
Для оценки магнитной составляющей используется датчики индуктивности. В данном цифровом приборе оценки сигналов (ЦПОС) электромагнитного воздействия на биологические объекты использованы цифровые процессоры для обработки как аналогового, так и цифрового источников. Внешний вид прибора цифровой оценки представлен на рисунке 17. Он позволяет оценивать уровень электромагнитных полей по дисплею или путем передачи данных на ПЭВМ. В случае передачи данных на ПЭВМ дальнейший анализ лучше проводить со специальным программным обеспечением, например, при использовании пакета МВТУ.
1
Рисунок 17. - Внешний вид прибора цифровой оценки уровней электромагнитных полей
В результате моделирования в пакете МВТУ были получены фазовые портреты выходных сигналов и их вид в зависимости от взаимного расположения датчиков и источника электромагнитных излучений (рис. 18).
Рисунок 18. - Результаты измерений уровня гармоник и вид осциллограммы при моделировании
Гармонический состав изменяется в зависимости от места расположения датчиков и обрабатываемого объекта. Можно выбрать наиболее рациональное его размещение с учетом конфигурации самого материала (сперма животных, эмбрион яйца, семена растений, растворы жидкостей и другие биообъекты). Для этого потребовалось определение влияния параметров индуктора, исходя из его конструктивных особенностей, непосредственно на конкретный обрабатываемый материал. На основании рассмотренных теоретических предпосылок и соответствующей экспериментальной проработке нами была предложена модернизированная конструкция аппарата для магнитной обработки биологических объектов (АМОБО-М). Аппарат АМОБО-М (рис. 19) предназначен для магнитной обработки биологических объектов в переменном магнитном поле, вращающемся в пространстве со скоростью 1500 об/мин (157 с-1) с регулируемой и фиксируемой выдержкой времени.
Рисунок 19. - Внешний вид АМОБО-М
С помощью устройства для электромагнитной обработки спермы быков-производителей на Гулькевичском государственном унитарном племенном предприятии с 1988 года обработано и отправлено на животноводческие фермы (9 районов Краснодарского края) более 3-х млн. спермодоз. По данным племенного предприятия оплодотворяемость коров возросла на 19%, снижены затраты на осеменение животных на 25,8%. Выход телят на 100 коров увеличился с 75 голов по краю до 86 голов в хозяйствах, где применяется разработанная нами электротехнология.
Экспериментально не установлено возникновение побочных явлений при использовании обработанной в электромагнитном поле спермы, а выход телят по половому признаку не изменился. В настоящее время продолжается контрольное наблюдение за получаемым потомством коров различных пород, осемененных спермой, обработанной магнитным полем с помощью АМОБО-М.
Совместно с учеными факультета ветеринарной медицины разработан и внедряется в сельскохозяйственное производство способ диагностики мастита у коров и устройство для его осуществления.
Проведенные исследования послужили основой к разработке устройства для электростимуляции родовспоможения, повышения тонуса гладкой мышцы и её нервно-гуморальной реакции в целом, а также предотвращения субинволюции гладкой мышцы, метритов и послеродового патогенеза. Для этого разработаны электростимулятор "Стимул-2" - двухканальный (рис. 20) и "Стимул-3"- одноканальный. Предложенный электростимулятор может являться прототипом для создания ряда устройств, реализующих импульсы электрофизиотерапевтического воздействия различной формы и мощности.
Рисунок 20. - Внешний вид аппарата «Стимул-2»
Государственное управление ветеринарии Краснодарского края утвердило рекомендации по применению и инструкцию по эксплуатации комплекса устройств, используемых в системе мероприятий по борьбе с маститами. В хозяйствах Гулькевичского и Выселковского районах применение данных устройств показало их высокую эффективность и надежность.
Так молочная железа у первотелок развивалась лучше у тех животных, на которых воздействовали электростимуляцией. Обхват вымени увеличился на 19,2%, длина - на 13,8%, ширина - на 14,7%; продуктивность и интенсивность молокоотдачи возросли соответственно на 12,4% и 14,6%. Восстановление функции молочной железы коровы при высокочастотном импульсном воздействии происходит в более короткие сроки за 3-4 дня. При определении ранней стадии мастита у коров точность его определения возрастает на 11,2%.
В пятой главе приводятся результаты экономического расчета аппаратов электромагнитного воздействия на объекты сельскохозяйственного назначения. Расчеты экономической эффективности проводились в два этапа: на стадии организации серийного производства и при внедрении аппаратов обработки спермы непосредственно на пунктах искусственного осеменения. Для внедрения в пункты осеменения аппараты магнитной обработки необходимо начать серийное производство с объемом в 100 штук в год, на протяжении первых трех лет. При отпускной цене аппарата 29500 руб. ежегодная прибыль составит 375300 руб. и срок окупаемости капитальных вложений 1,8 года. Произведен расчет эффективности приобретения и применения аппарата магнитной обработки спермо-доз в хозяйствах, расположенных в зоне обслуживания ОАО «Гулькевичское» (38 шт.) на начало 2008 года. Чистый дисконтированный доход составит около 22,2 млн. руб.
Общие выводы
1. Определено место злектротехнологических устройств, в структуре воспроизводства КРС на основе искусственного осеменения с использованием ЭМП и основные параметры электротехнологических воздействий, не нарушающих основную технологию.
2. Получена математическая модель для определения электромагнитных сил действующих в растворе из спермы и разбавителя в виде зависимости предельной концентрации разбавителя в общем объеме от отношения магнитных восприимчивостей разбавителя и спермий животных. Так для применяемых разбавителей и спермы быков предельная концентрация разбавителя составляет 0,34. Силы, действующие в растворе, при диаметре сосуда 1,5 см и напряженности магнитного поля порядка 0,3 Тл находятся в пределе 190 - 230 дин. Определен наилучший радиус фасовочной емкости спермо-дозы, который находится в интервале 0,125 - 0,75см.
3. На основе исследований характеристик магнитного поля в месте установки сосуда, с обрабатываемым раствором спермы получена математическая модель влияния параметров индуктора на силы, действующие на спермии. Полученные выражения учитывают направления вращения магнитного поля от отдельных пространственных гармоник и количество пар полюсов статорной обмотки. Так для спермы, находящейся непосредственно у магнитопровода, относительное значение гармоник составит: 5-й - 0,2; 7-й - 0,14; 11-й - 0,09. Доказано, что для определения рационального места установки сосудов с обрабатываемым материалом по периметру статора индуктора необходимо разработать прибор контроля отдельных гармоник в воздушном зазоре.
4. Теоретически обоснована структура прибора цифрового контроля гармоник пространственного распределения электромагнитного поля, с использованием метода быстрого преобразования Фурье, что позволяет с помощью современных процессоров производить расчёты и измерения в реальном времени. С помощью алгоритма БПФ процессор вычисляет 1024 -точечное ДПФ менее чем за 5 мс.
5. Получена математическая модель, устанавливающая оптимальные значения параметров обработке спермы быков до замораживания на племенных предприятиях: индукция ЭМП 0,252 Тл; время обработки 143,76 с. Данная математическая модель обосновывает увеличение выживаемости спермиев и их подвижности более чем на 35 % и 27% соответственно при изменении параметров обработки в окрестностях оптимального значения индукции ЭМП от 0,2 до 0,3 Тл и времени обработки от 112 до 176 с. После размораживания на пунктах искусственного осеменения сельскохозяйственных животных получена математическая модель, устанавливающая оптимальные параметры обработки спермы быков: индукция ЭМП 0,235 Тл; время обработки 143 с. Математическая модель обосновывает увеличение выживаемости и подвижности спермиев соответственно более чем на 33 % и на 25% при изменении параметров обработки в окрестностях оптимального значения индукции ЭМП от 0,212 до 0,258 Тл и времени обработки от 120 до 166 с.
Подобные документы
Критерии воспроизводительных способностей крупного рогатого скота. Рациональное использование бычков в воспроизводстве стада. Подготовка коров и сроки осеменения коров после отела. Расчет среднегодового поголовья и структуры стада. Режим кормления скота.
курсовая работа [90,1 K], добавлен 16.02.2015Материалы и методы исследований. Характеристика Бестужевской породы крупного рогатого скота и чистопородных коров мини-стада. Экстерьер и конституция, развитие коров в зависимости от возраста и происхождения. Оценка животных по молочной продуктивности.
курсовая работа [61,2 K], добавлен 08.10.2009Сравнительная характеристика линий крупного рогатого скота молочного направления продуктивности. Особенности выращивания, кормления и содержания коров. Анализ белковомолочности коров и пути ее повышения. Сущность проблемы оздоровления стад от лейкоза.
курсовая работа [32,1 K], добавлен 11.05.2010Использование искусственного осеменения, характеристика его преимуществ. Организация пунктов искусственного осеменения лошадей. Получение спермы от жеребцов. Проведение осеменения кобыл. Техника искусственного осеменения кобыл мано-утеральным способом.
реферат [17,7 K], добавлен 22.10.2014Совершенствование работ по воспроизводству стада крупного рогатого скота и повышение эффективности в хозяйствах Брестской области. Мероприятия по диагностике, лечению и профилактике акушерско-гинекологической патологии у коров. Акушерские болезни коров.
курсовая работа [56,5 K], добавлен 16.04.2012Изучение гинекологических заболеваний коров, встречающихся в хозяйстве "Пригородное". Методы осеменения животных. Патологии послеродового периода. Исследование коров на стельность. Диагностика и лечение заболеваний половых органов и молочной железы.
отчет по практике [30,3 K], добавлен 05.02.2015Характеристика хозяйства ЗАО "Агрофирма "Бобино-М" Слободского района Кировской области. Организация и оплата труда, кормовая база и кормление крупного рогатого скота. Показатели молочной продуктивности и воспроизводительных способностей коров в стаде.
дипломная работа [92,9 K], добавлен 23.06.2010Понятие о витаминной питательности кормов. История открытия витаминов, их классификация. Биологическая роль витамина D (кальциферола), единицы его измерения. Развитие гиповитаминозов у сельскохозяйственных животных, признаки рахита у телят и его лечение.
курсовая работа [46,8 K], добавлен 15.02.2017Половая и хозяйственная зрелость крупного рогатого скота, возраст первой случки, его влияние на молочную продуктивность коров. Сервис-период и его влияние на продолжительность лактации, регулирование отелов. Мероприятие по борьбе с яловостью коров.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 21.12.2009Молочная продуктивность коровы, способы ее определения. Факторы, от которых зависит уровень молочной продуктивности. Нормирование кормления коров, уход за скотом и его содержание, уход за выменем и способы доения. Методы оценки молочной продуктивности.
курсовая работа [308,3 K], добавлен 11.05.2010
