Метод экспресс-анализа электротехнологических показателей и выбор параметров установок электрофизического воздействия на объекты сельскохозяйственного производства

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность темы. За годы реформирования, в ходе которых осуществлялся переход на рыночные механизмы хозяйствования, аграрный сектор оказался в кризисном состоянии: объемы капитальных вложений в АПК (в сопоставимых ценах) уменьшились в 20 раз; парк основных видов сельскохозяйственных машин сократился на 40 - 50%; посевные площади уменьшились на 32,3 млн. гектаров, или почти на треть. Применение органических удобрений снизилось в 6 раз, а минеральных в 7 раз. Поголовье крупного рогатого скота и свиней уменьшилось на 51%, овец и коз - на 75%, птицы - на 48%. Производство зерна сократилось в 1,8 раза, сахарной свеклы - в 2,2, молока - в 1,7, мяса - в 2,2, яиц - в 1,4, шерсти - в 5,6 раза. Общий объем валовой продукции сельского хозяйства во всех категориях хозяйств снизился на 37%, а доля отрасли в валовом внутреннем продукте страны сократилась с 16,5 до 7,1%.

Создание эффективного, конкурентоспособного агропромышленного производства, обеспечивающего продовольственную безопасность страны, наращивание экспорта отдельных видов сельскохозяйственной продукции - важнейшие стратегические цели агропродовольственной политики государства сегодня. В перечень перспективных технологий включены направления, связанные с нанонаукой. Использование энергии электромагнитного поля различной частоты существенно дополняет возможности электротехнологии в сельском хозяйстве. Широкое применение аппаратов электромагнитного воздействия на биосистемы в сельскохозяйственном производстве перспективно с точки зрения затратного механизма при проектировании, изготовлении и эксплуатации подобных устройств. Экспериментальные данные отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о повышении биологической активности при использовании электромагнитных полей (ЭМП) во всех частотных диапазонах. Механизмы действия неинтенсивных полей (электромагнитного излучения естественного поля Земли, современной электронной и электротехнической аппаратуры) изучены не в полной мере, а в то же время большинство биологических объектов проявляют достаточно высокую чувствительность к ним. При наличии большого многообразия индивидуальных особенностей клеточных организмов, подвергаемых воздействию электромагнитных волн искусственного происхождения в сельскохозяйственном производстве, недостаточно разработана методическая и теоретическая концепции, позволяющие проектировать аппараты для электротехнологической обработки биосистем с целью стимулирования процессов жизнедеятельности.

Исследования по теме диссертации выполнялись в рамках научно-исследовательских работ в соответствии с госбюджетной темой ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ» на 2000-2005гг. (№ГР01200113477 и на 2006-2010гг. (№ГР01200606851).

Рабочая гипотеза. Характер перемещения электронов по квазипериодическим молекулярным системам и его изменение при внешних электромагнитных воздействиях можно оценить с помощью аппаратно-программных продуктов, основанных на использовании высокоскоростной обработки сигналов и построении графиков интегральных оценок энергетических процессов в биологических системах.

Целью диссертационной работы является разработка метода экспресс-анализа электротехнологических показателей и выбор параметров установок для стимуляции жизнедеятельности объектов сельскохозяйственного производства при электрофизическом воздействии с его метрологической оценкой.

Объект исследования - биологические объекты сельскохозяйственного производства, подвергающиеся электромагнитному воздействию как естественного, так и искусственного излучения, и опытные образцы разрабатываемых для современных электротехнологий технических устройств и средств диагностики.

Предмет исследования - электрофизические методы определения количественных показателей, воздействующих на параметры сельскохозяйственной продукции с математических моделированием динамических процессов объектов.

Методологическая база и методы исследования. В основу конструирования аппаратов и устройств электрофизического воздействия и средств экспресс-анализа результатов обработки сельскохозяйственных объектов, положен методологический прием, в рамках которого сами объекты и технология их обработки рассмотрены как сложные нелинейные 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 биологических систем животного происхождения, теории вероятности и математической статистики, теории корреляционного и регрессионного анализов, методов активного планирования эксперимента.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложен новый метод экпресс-анализа результатов воздействий электромагнитных полей на биологические системы с использованием методов исследования твердого тела и применением аппаратно-программных изделий, основанных на высокоскоростной обработке сигналов в оценке энергетических процессов в исследуемых системах;

- с помощью полной системы уравнений Максвелла определены пределы применения квазистатического приближения по оценке характера электромагнитных полей с учетом нелинейности, проявляющейся на мембране клетки, что существенно упростило решение электромагнитной задачи;

- получены математические модели на основе дискретного и быстрого преобразований Фурье, которые положены в основу при проектировании прибора цифровой оценки сигналов биоэнергетической природы;

- предложена инструментальная оценка спектральных составляющих электромагнитных полей разрабатываемых устройств электрофизического воздействия на биологический материал на основе современных быстродействующих микроконтроллеров в составе аппаратно-программного изделия;

- обоснована методика электромагнитной обработки объектов биологического происхождения с определенными параметрами, влияющей на рост их активности в процессе жизнедеятельности.

Практическая значимость и ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны технические конструкции аппаратов магнитной обработки биосистем, использующие пульсирующее электромагнитное поле, вращающееся с заданной частотой и амплитудой, которые используются в сельскохозяйственном производстве ряда предприятий Южного федерального округа.

2. Создан цифровой прибор метрологической оценки электромагнитных составляющих полей с пакетом прикладных программ, обеспечивающих автоматизацию математических расчетов различных параметров проектируемых устройств.

3. Экспериментально получена конфигурация пространственной структуры с семейством составляющих электромагнитного поля активной части индуктора предпосевной установки, что позволяет использовать эти характеристики в целях оптимизации параметров подобных аппаратов в зависимости от их назначения.

4. Математически доказана возможность машинного проектирования отдельных технических узлов без их реального изготовления с целью ускорения самого процесса проектирования и снижения затрат.

5. Изучены вопросы использования индукторов с различными источниками питания и, как наиболее приемлемый вариант предложен источник промышленной частоты с изменяющимся электромагнитным полем в зависимости от требований биотехнологии.

6. Установлены общие закономерности обрабатываемых биологических сред по оптимальным зонам с учетом практического внедрения на предприятиях АПК края, включая вопросы генетики.

7. Представлено несколько оригинальных конструктивных решений аппаратов и устройств, предназначенных для воздействия электромагнитными полями различной интенсивности на семена растений, животных, эмбрионы птиц, растворы и жидкости, новизна которых подтверждена 16 патентами на изобретение.

8. Подготовлены для сельскохозяйственных предприятий рекомендации по применению и инструкции по эксплуатации разработанных в лаборатории университета аппаратов и устройств, использующих энергию электромагнитных полей.

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 9 лет успешно эксплуатируются аппараты магнитной обработки спермы быков-производителей, эмбрионов яиц птицы, семян растений, спиртовых растворов и воды на государственном племенном предприятии «Гулькевичское» Гулькевичского района, на птицефабриках Выселковского, Кореновского и Динского районов Краснодарского края, на ОАО «Биохимзавод «Кавказский» и ОАО «Ладожское» Усть-Лабинского района.

Материалы результатов научно-исследовательской работы используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Кубанский ГАУ» при изучении дисциплины: «Электротехнология». Издана монография «Методология проектирования устройств и оценка электрофизического воздействия на биологические объекты сельскохозяйственного производства», предназначенная для научных и инженерно-технических работников, студентов, аспирантов и преподавателей высших учебных заведений.

На защиту выносятся:

- концепция проектирования аппаратов, работающих на принципе высокоскоростной обработке сигналов биоэнергетической природы с применением микропроцессорной техники;

- метод экспресс-анализа результатов электрофизического воздействия на биологические системы с использованием современных микроконтроллеров в составе аппаратно-программного изделия;

- математические модели статических и динамических процессов, протекающих в электромагнитных аппаратах, исследованные на основе дискретного и быстрого преобразования Фурье и позволившие применить предложенную теорию конструирования устройств;

- функциональные зависимости спектральных составляющих и параметры электромагнитных полей индукторов, полученные по предложенной методике, подтвержденные экспериментальными исследованиями;

- новые конструкции электромагнитных аппаратов для биосистем различного назначения, у которых на стадии проектирования определены оптимальные воздействующие параметры;

- результаты экономической эффективности используемых аппаратов и устройств электрофизического воздействия на объекты сельскохозяйственного назначения АПК.

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 гг.);

- 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 46 печатных работах, включая монографию и 16 патентов на изобретения. Восемь научных работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, библиографического списка (332 наименования) и приложения. Диссертация изложена на 334 страницах, включая 16 таблиц и 96 рисунков.

1. Анализ факторов, влияющих на объекты сельскохозяйственного производства в случае электромагнитного воздействия полей различной интенсивности с использованием аппаратов и устройств магнитной обработки

Приведены конструкции, в том числе разработанные в лабораториях Кубанского ГАУ, характерной особенностью которых является низкое энергопотребление, простота изготовления и оригинальность самих устройств, защищенных патентами РФ.

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. Влияние электромагнитного поля на биологические организмы, которыми могут быть яйцо, яйцеклетка, сперматозоиды, семена растений и другие объекты, в конечном итоге спускается на уровень отдельной клетки, в которой протекают различные физические и химические процессы, в общей совокупности представляющие основу жизнедеятельности организма.

В соответствии с современными представлениями, структурную основу живого организма составляют микромолекулы, прежде всего важнейшие биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты. Специфика полимерных молекул в отличие от малых молекул определяется большим числом однотипных звеньев (мономеров), связанных в линейную цепь. Тепловое движение входящих в полимерную цепь атомов и атомных групп, повороты и вращения их вокруг единичных связей обусловливают большое число внутренних степеней свободы макромолекулы. Это заставляет рассматривать макромолекулы как макроскопическую систему, статистический характер поведения которой проявляется в наличии средних значений таких параметров, как размеры, форма, степень свернутости макромолекулы. Вместе с тем существующие между атомами химические связи и взаимодействия ближнего и дальнего порядка накладывают определенные ограничения на число возможных конформаций макромолекул. Изменение конформации биополимеров, происходящие в процессах клеточного метаболизма и трансформации энергии, также носят вполне определенный характер и отражают внутриклеточную динамическую организацию биополимеров. Таким образом, своеобразие биологической макромолекулы как физического объекта заключается в тесном сочетании статистических и детерминистских (механических) особенностей ее поведения: с одной стороны, большое число взаимодействующих атомов и внутримолекулярных степеней свободы и, как следствие, возможность осуществления огромного числа разных конформаций, с другой - определенный химический характер и конформационные изменения при функционировании биополимеров.

В макромолекулах происходят сложные процессы трансформации энергии, включающие миграцию энергии электронного возбуждения и транспорт электронов.

Для бесконечного малого изменения состояния системы уравнение первого начала термодинамики примет вид:

dQ = du + dA = du + pdV ± d/, (1)

где du - изменение внутренней энергии; dA - сумма всех элементарных работ, pdV - работа преодоления внешнего давления; d/ - работа против действия электрических, магнитных и прочих сил, либо полезная работа над системой внешних сил.

Принято считать, что с помощью энтропии можно количественно охарактеризовать ту направленность изменений, происходящих в природе при протекании необратимых процессов, которой следует из второго начала термодинамики.

Максимально полезная работа d/max следующим образом связана с термодинамическими функциями свободной энергии F и полного термодинамического потенциала G.

При T = const и V = const:

d/max - d(U - TS) = TdS - dU = - (dF)T,V, (2)

а при Т = const и р = const:

d/max - d(U+pV - TS) = TdS - dU - pdV = - (dG)T,P . (3)

Знак «» соответствует необратимым процессам. При отсутствии полезной работы (dF)T,P 0, (dG)T,P 0,т.е. величины F и G убывают при неравновесных процессах, а при равновесии остаются постоянными и достигают при этом минимальных значений.

В большинстве случаев изменение объема и давления в биохимических превращениях незначительно, поэтому величины:

dF = - SdT - pdV; и dG = - SdT + Vdp = dF + pdV + Vdp; (4)

практически совпадают, то есть: dF dG

В термодинамическом отношении открытые (биологические) системы в процессе своего изменения проходят через ряд неравновесных состояний, что, в свою очередь, также сопровождается соответствующими термодинамическими переменными.

В целом поддержание неравновесных состояний в открытых системах возможно лишь за счет создания в них соответствующих потоков вещества и энергии. Таким образом, открытым системам присущи неравновесные состояния, параметры и свойства которых, вообще говоря, есть функции времени. Для термодинамического потенциала G и свободной энергии F это означает:

G = G(T,p,t); F = F(T,V,t). (5)

Решение термодинамических задач сводится к нахождению характеристических функций состояния и изопроцессов, при которых один или два термодинамических параметра (p,V,T) постоянны, причем во всех случаях «полезная» работа d/ принимается равной нулю.

Таким образом, в отличие от общепринятых понятий работы расширения (pdV), которая не считается полезной, введено понятие “полезной” работы d/, под которой понимается работа электрического тока, магнитного поля или других физических полей. Воздействие электромагнитного поля на биологические объекты приводит к некоторому увеличению температуры биологической системы и, как следствие, к повышению скорости химических и биохимических реакций и возможным фазовым переходам, что отражается в повышенной активности биохимических процессов в этих объектах на начальной фазе формирования животного и растительного организма. Этим можно объяснить многочисленные экспериментальные результаты ученых и практиков, занимающихся стимулированием сельскохозяйственных культур в процессе предпосевных обработок.

Анализ существующих электромагнитных аппаратов для воздействия на сельскохозяйственные объекты как выпускаемых серийно, так и лабораторных разработок ученых и практиков показал что, не смотря на разнообразные конструкции они не решают проблему быстрой оценки получаемых результатов в процессе проектирования новых изделий и не позволяют определить оптимальные параметры облучения исходного материала. В то же время сегодня имеется большое количество микропроцессорных разработок, новейших датчиков, которые могут позволить производить ускоренные вычисления и фиксацию малоинтенсивных сигналов.

Исходя из сделанных выводов и в соответствии с целью работы, поставлены следующие задачи исследования:

1. Найти решение электромагнитной задачи построения магнитных полей в исследуемых системах с учетом нелинейности, проявляющейся на мембране клетки.

2. Разработать математические модели магнитных полей в нейронных цепях с использованием дискретных и быстрых преобразований Фурье, которые будут положены в основу прибора экспресс-анализа и оценки сигналов биоэнергетической природы.

3. Обосновать систему инструментальной оценки и метод экпресс-анализа спектральных составляющих электромагнитных полей для установления характера микробиологических сигналов и их изменения в условиях воздействия внешних электромагнитных полей.

5. Разработать и изготовить прибор для экспресс-анализа сигналов биоэнергетической природы и от индукторов, воздействующих на биологические объекты.

6. Выявить особенности проектирования устройств с определенными оптимальными параметрами, предназначенных для воздействия электромагнитными полями на биологические системы на примере создания аппаратов для ферм КРС и инкубаторов птицеферм.

6. Экспериментально получить функциональные зависимости спектральных составляющих и параметры электромагнитных полей от индукторов и биологических объектов. Изготовить и внедрить электрофизические установки в сельскохозяйственное производство и убедиться в их эффективности.

7. Провести технико-экономическую оценку результатов исследования.

2. Волновой характер образования солитонов в молекулярных цепях с определением их энергии и массы для инструментальной оценки нервного импульса

Как известно, создание сельскохозяйственной продукции начинается на уровне электронанотехнологии, где происходит синтез ионов, атомов, неорганических молекул, белков, жиров и углеводов в соответствии с генетической программой ДНК каждой клетки живого организма. Для синтеза органических веществ необходимо производство энергии, транспорт вещества, создание и преобразование информации биологическими системами. Все это следует рассматривать в свете одного из современных синтетических научных направлений - теории солитонов. Как математические объекты - солитоны это точные аналитические решения нелинейных уравнений математической физики как функциональные зависимости ut , ux, uxxx, включая уравнения синус - Гордон и Кортевега-де Фриза (КдФ):

ut = 6 uux - uxxx. (6)

Уравнение Кортевега-де Фриза описывает любую слабо нелинейную и слабо диспергирующую систему плоских волн. Для уединенной волны нелинейность uuх точно уравновешивает дисперсию uххх. В теории гравитационных волн на мелкой воде это уравнение естественно возникает в виде:

.(7)

Независимая переменная - это х - Vst, а скорость звука (линеаризованная скорость) есть ; здесь h - глубина в отсутствии возмущения, - поверхностное натяжение воды, - ее плотность; решение типа уединенной волны всюду положительно при / (qh2) > 1/3 и всюду отрицательно при / (qh2) 1/3. При / (qh2) 1/3 для предотвращения несостоятельности теории необходимо учитывать производную более высокого порядка u.

Более точная модель волн на воде, снимающая это ограничение, дается уравнением Буссинеска:

,(8)

а это уравнение допускает решения типа уединенной волны вида:

.(9)

и может совершать движения в положительном или отрицательном направлении оси х. Уравнение Буссинеска превращается в уравнение Кортевега-де Фриза с одним направлением распространения заменой при = х - Vt, = t и отбрасыванием членов порядка (2). В результате математических преобразований конечным решением этого уравнения в виде функции одной переменной u = u() получено выражение для одиночного солитона:

.(10)

С математической точки зрения здесь получено сведение цепочки с квадратичной нелинейностью к нелинейному уравнению с частными производными, которое описывает нелинейные волны малой амплитуды на больших пространственных отрезках. С их помощью описывается одномерная нелинейная решетка, а машинное моделирование доказывает, что уравнение (8) обладает солитонными решениями.

Солитоны уравнения Буссинеска (8) объясняют эффект локализации Фурье-мод в нелинейной цепочке задачи Ферми-Паста-Улама. Волны, описываемые уравнением (10), будучи бесконечно гладкими и не изменяющими своей формы при любых t , могут быть разложены в ряд Фурье, в котором коэффициенты экспоненциально быстро убывают. Такими же свойствами обладают коэффициенты Фурье для кинетической энергии [Qn (t)]2 единичной частицы, что подтверждается экспериментальными данными, полученными при исследовании воздействия электромагнитных полей различного происхождения на биологические системы. Это будет необходимо учитывать при проектировании прибора цифровой оценки электромагнитного влияния на объекты животного и растительного происхождения.

Исследование устройства гладкого нервного волокна (рис.1) и процесса распространения нервного импульса (рис.2) позволяет понять главные его особенности, которые необходимо учитывать при оценке электромагнитного воздействия на биосистемы.

квазистатический электромагнитный дискретный

Рисунок 1 - Структура миелинированного нервного волокна



Рисунок 2 - Идеализированная модель нервного волокна

Изменение биопотенциала действия приводит к возникновению разности потенциалов, а, следовательно, к возникновению тока в аксоплазме, что в свою очередь создает электромагнитное поле объекта. Электромагнитное поле в диэлектриках приводит к поворотам дипольных молекул, т.е. к поляризации, происходящей с частотой определяемой частотой самого поля. На приведение в движение электронов, ионов и дипольных молекул поле затрачивает энергию, и в зависимости от того, какой механизм взаимодействия поля с веществом имеет место, принято говорить об энергетических потерях проводимости или о диэлектрических энергетических потерях электромагнитного поля.

Поскольку задача о распространении потенциала действия в аксоне похожа на задачу о пороговом распространении, то можно принять, что скорость распространения импульса будет пропорциональна корню квадратному из диаметра аксона, или корню четвертой степени из площади поперечного сечения. У гигантских аксонов головоногих диаметр может достигать 0,5мм, а скорость импульса - около 20 м/с. Чтобы удвоить скорость распространения импульса, диаметр аксона должен быть увеличен в 4 раза. Но так как соотношение g/с2 обратно пропорционально активной площади, то большая скорость может быть получена при заданном диаметре просто уменьшением активной площади. Именно такое уменьшение активной поверхности наблюдается в моторных нервных клетках позвоночных животных. Почти весь аксон покрыт изолирующим слоем миелина, а открытыми остаются лишь активные узлы (или перехваты Ранвье), что и показано на рисунках 1 и 2. Скорости импульсов порядка 20м/с достигаются теперь уже при гораздо меньших диаметрах волокон (~15мкм), а это приводит к тому, что для моторных нервных волокон становится выгодным быть пучком аксонов. Это увеличивает надежность и емкость переносимой информации. Такие миелинированные нервные аксоны можно проанализировать с помощью уравнений для стационарного распространения в линиях с сосредоточенными параметрами. Но надо подчеркнуть, что независимо от сечения любое волокно может передать лишь один бит информации.

Среди поисков различных подходов к решению некоторых биологических проблем на молекулярном уровне привлекает внимание возможность применения метода теории твердого тела, основанного на представлении об элементарных возбуждениях выделенных коллективных степеней свободы. Чаще всего делаются попытки использовать метод теории твердого тела при выяснении высокой эффективности переноса энергии и электронов вдоль больших белковых молекул, обладающих квазипериодической структурой. Пока еще не существует фундаментальной связи между динамическим описанием нервной мембраны и основами биохимии, поэтому необходимы специальные знания физики твердого тела, которые применимы для метрологической оценки результатов электромагнитного воздействия. Изучение нервного волокна потребовало решения задач импульсного взаимодействия и их свойств, порогового эффекта, электромагнитного рассмотрения неоднородных волокон и других проблемных задач их диссипативного поведения.

С учетом нелинейного характера природы электромагнитных полей различного происхождения, оценка уровня электромагнитного воздействия и соответственно система диагностики должны работать в следующих режимах:

а) первичная обработка сигналов;

б) анализ функциональной зависимости электромагнитных полей;

в) интерпретация с учетом различных приближений на структуре аддитивной схемы;

г) анализ точности результатов;

д) задающие управляющие параметры;

е) обработка полученных данных и численные оценки.

Электромагнитное поле на нервных волокнах формируется по аналогии с электрическими проводами и кабелями преимущественно носителями передаваемой электромагнитной энергии, когда между проводником (аксоплазмой) и волокном (миелином) имеется заполненная среда с различной диэлектрической проницаемостью и удельной электропроводностью (рис. 3).

В нервах животных аксон представляет собой однородный цилиндр, покрытый мембраной, которая определяет активный характер аксона. По электрическим свойствам аксон напоминает кабель с проводящей сердцевиной (аксоплазма) и изолирующей оболочкой (миелин). Проводящая (внутренняя) часть волокна содержит ионы и является хорошим проводником тока. Расчеты показывают, что в волокне диаметром 1 мкм, содержащем аксоплазму с удельным сопротивлением 100 Ом/см, сопротивление на единицу длины будет равно 1010 Ом/см. Мембрана аксонов покрыта миелином - веществом, содержащим много холестерина и мало белка. Удельное сопротивление миелина значительно выше удельного сопротивления других органелл клетки ~ 107 Ом•см. В связи с большим сопротивлением миелиновой оболочки по поверхности аксона токи протекать не могут, и затухание сигнала резко уменьшается. Мембрана нервного аксона очень тонка (50-100 Е) и в состоянии покоя поддерживает остаточный потенциал в 60-90 мВ.

Согласно классическому уравнению электромагнитного поля, его решение является достаточно простым для линейных и изотропных сред. Электрические и магнитные свойства среды (в нашем случае клетки) описываются с помощью трех величин: относительной диэлектрической проницаемостью е, относительной магнитной проницаемостью м и удельной электропроводностью ?. В случае применения его для биологических объектов, создающих собственное поле, необходимы ряд допущений. Так, м = Const и е = Const, а биопотенциалы нейрона с собственной электропроводностью создают собственные поля и реагируют на внешнее воздействие в виде каждого из слоев плоской, поляризованной, монохроматической волны, которая падает на поверхность нейрона и подчиняется условиям:

(11)

где .

Для параметрического режима управления полем в цилиндрических координатах уравнение (11) приобретет следующий вид:

(12)



Рисунок 3 - Эквивалентное изображение модели нейрона: 1 - аксоплазма; 2 - миелин; 3 - соединительная ткань; 4 - нейрон

Учитывая, что имеет место осевая симметрия векторов поля, т.е. то при этом имеется следующая система трех уравнений в системе прямоугольных координат:

(13)

Применяя подстановку и произведя соответствующие преобразования с учетом, что поле зависит только от одной переменной r, т.е., подставляя новую комплексную переменную, можно получить два типа уравнений Бесселя для и :

,(14)

для Еmz:

.(15)

Тогда общее решение уравнения можно представить в виде:

либо , (16)

где - функция Бесселя первого рода; - функция Бесселя второго рода, первого порядка, называемая функцией Неймана; - взаимно сопряженные функции Ханкеля первого порядка.

В рассматриваемом практическом приложении это значит, что при контроле значений амплитуд гармонических составляющих спектра смена знака амплитуды выражает изменение фазы, что используется как информационный признак при распознавании, например, внешних характеристик поля.

Используя метод определения характеристик электромагнитного поля снаружи цилиндрического волокна, имеющего проницаемость и охватывающего проводники для векторного магнитного потенциала тока i:

(17)

Векторный потенциал двух проводников будет иметь только составляющую Az , направленную перпендикулярно плоскости:

. (18)

Применяя так называемые круговые гармоники, получим выражение для векторного потенциала в третьей наружной области (рис. 2):

. (19)

Поле снаружи нейрона определяется на основании, выраженного в цилиндрических координатах:

и . (20)

Для формализации схемы диагностики необходимо разделить каналы считывания информации с целью исключения наложения признаков двух различных сигналов с обязательным учетом наличия переходного сопротивления. Глубина проникновения электромагнитного поля на частоте 1000Гц, типичной для потенциалов действия должна быть соизмерима с размером потенциала действия проводящей среды, так как только в таком случае можно рассматривать возможность создания собственных электромагнитных полей организмом с оценкой его физических параметров. При соблюдении этих условий можно реально оценить полученные сигналы, формирующие пространственную структуру электромагнитных полей, независимо от их происхождения.

Для более полного понимания механизмов влияния электромагнитных полей различного происхождения и последующей выработки экологически обоснованных нормативов, необходимо наряду с интенсивностью, временем воздействия необходимо включить и дополнительные параметры - частоту следования импульсов, их длительность, форму и другие показатели, характеризующие результаты исследования биологических систем. Геометрия решения этой задачи показана на рисунке 4. Цилиндрическая мембрана отделяет внутреннюю область с проводимостью 1 и диэлектрической постоянной 1 от внешней области с проводимостью 2 и диэлектрической постоянной 2 мембраны. Такой подход дает очень хорошее приближение для потенциалов, которые меняются достаточно медленно, как показано на рис. 4 (б).



Рисунок 4 - Геометрия идеального нервного волокна (а), компоненты электрического поля вблизи мембраны (б)

Для определения более точного предела применимости квазистатического приближения необходимо воспользоваться переходом к полной системе уравнений Максвелла:

, (21)

где i = 1 внутри мембраны и i = 2 во внешней области. Эти уравнения полностью нелинейные. Нелинейность проявляется на мембранной поверхности, где плотность тока J12 представляет собой нелинейную функцию от напряжения на мембране. Для волокна бесконечной длины обе области как внутри, так и снаружи мембраны инвариантны по отношению к переносу вдоль оси х, вращениями по углу и сдвигам по времени t. Представим угол - компоненту вектора магнитной интенсивности в виде:

Н = Н(r) exp[i(x - t)]. (22)

Аналогичные формулы записаны для Еr и Ех где индексы 1,2 добавляются соответственно для полей внутри и снаружи мембраны. Тогда уравнения Максвелла преобразуются к следующему виду:

,

, (23)

.

В этих уравнениях представляет собой комплексную проводимость. Последнее выражение - это уравнения Бесселя, решением которого являются функции I1(kr) и К1(kr). Поскольку К1 стремится к бесконечности в начале координат, а I1 - к большим значениям r, то необходимым решением внутри волокна будет I1(kr), а снаружи волокна К1(kr). Из полученных уравнений также видно, что напряженность магнитного поля нейрона Н представляет собой удобную переменную, зная которую можно определить Еr и Ех. Величину Н при r=a можно определить из закона Ампера. Согласно этому закону получены следующие выражения:

внутри мембраны(24)

снаружи мембраны(25)

где для внутренней стороны мембраны и для наружной стороны мембраны.

Необходимо отметить, что уравнения (24) и (25) были получены без привлечения нелинейности. В то же время, соответствующие величины для частоты и , определяющие потенциал действия, пока остаются полностью неопределенными. Для вывода нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных воспользуемся формулами (24) и (25), которые связывают полный продольный ток i (x, t), текущий внутри мембраны, с напряжением на мембране (x, t), не зависящих от угловой переменной , как показано на рисунке 4,а.

Чтобы получить эти уравнения, содержащие производную по х, воспользуемся рисунком 4,б, где указаны выбранные направления х - компоненты электрического поля внутри мембраны.

В этих обозначениях сумма напряжений вдоль пути ABCD в каждый момент записывается в виде:

(x + dx) + [E1 (a, x, t)]x dx - x + [E2 (a, x, t)]x dx = 0, (26)

следовательно:

. (27)

Уравнение (27) служит основанием для вывода искомых уравнений в частных производных. Оно может быть связано с продольным током i(x,t) следующим образом. Сначала рассмотрим Фурье-разложение для (Е1)х в виде:

. (28)

Учитывая:

Е1х (а) = z1I; E2x (a) = z2I, (29)

где z1 и z2 - соответствующие реактивные сопротивления. Полагая, что Н 0 при r , получено:

,(30)

(31)

В результате математических преобразований выражение (27) приобретает вид:

,(32)

где I (, ) - пространственно-временная Фурье-компонента i(x, t).

Частота в типичных потенциалах действия имеет порядок 103 с-1 , а проводимость как внутри, так и снаружи волокна приблизительно та же, что и в морской воде (4 См/м). Поэтому с высокой точностью можно считать, что (действительная константа) как внутри, так и снаружи волокна. Радиальный параметр k определяется формулой:

k2 = 4i/2 + 2, (33)

где - глубина проникновения электромагнитного поля на частоте в проводящую среду. Для у 4 См/м, 103 с-1 и 0 = 4 10-7 Гн/м имеем 20м, что много больше пространственного размера типичного потенциала действия. Поэтому с достаточным приближением можно принять k .

Пространственный размер типичного потенциала действия - того же порядка или даже много больше радиуса волокна а (рис. 4). Поэтому при описании функций Бесселя можно воспользоваться приближением малого аргумента и r1 (сопротивление волокна для продольного внутреннего тока) в виде:

r1 = 1/a21. (34)

Отношение внешнего продольного полного сопротивления к внутреннему, согласно уравнений (30, 31), равно:

z2 /z1 = (1 /2) [К0 (a) I1 (a) /К1 (a) I0 (a)].(35)

Вид функции, стоящей в квадратных скобках в уравнениях (30,31), и анализ графических исследований, позволяет сделать вывод, что, пренебрегая z2 по сравнению с z1, мы вносим ошибку не более одного процента.

Уравнение (32) сводится к виду:

, (36)

где rs = r1 + r2 r1. Это одно из двух искомых уравнений в частных производных. Другое нелинейное уравнение связывает пространственную производную тока с напряжением на мембране. Оно получается из выражений (23), если учесть, что (Н) пропорционально току i и значение (Е)r при r = а дает нормальную к мембране компоненту плотности тока, которая введена в уравнение (6) плоских волн. Следовательно\6

.(37)

Часто бывает полезно объединить уравнения (36, 37) и записать их в виде уравнения второго порядка, содержащего только напряжение на мембране:

.(38)

В уравнении (38) выражение N() представляет сложную нелинейную функцию. Если же принять - проводимость на единицу площади мембраны, то тогда при изменении постоянной времени мембраны :

,(39)

где для характерных значений параметров правая часть уравнения равна примерно 10-4/n. Следовательно, можно ожидать, что для однородного цилиндрического тела зависимостью поля от угла можно пренебречь за время, очень короткое по сравнению с временным масштабом решения этого уравнения.

3. Метод проектирования устройств электрофизического воздействия на биологические объекты и прибор его оценки

Математические модели при облучении эмбрионов яиц и спермы животных, что, впрочем, применимо и к другим продуктам сельскохозяйственного производства на различных стадиях их жизненного цикла. Исследования выявили возможность оценки основных параметров яйца, используя минимальное количество исходных измерений без его разрушения. Исходя из математической модели контуров яйца, предложена конструкция устройства для воздействия на эмбрион птиц, которая основана на работе линейного двигателя в заторможенном режиме. Получена функциональная зависимость для расчета электромагнитной системы индуктора для конкретного биологического объекта с учетом его геометрической интерпретации и заданных параметров магнитного воздействия.

Широкое использование метода искусственного осеменения в скотоводстве во многом определяется эффективностью длительного хранения спермы быков-производителей в жидком азоте при температуре -196С. Известно, что существующие технологии криоконсервации спермы быков приводят к гибели 50-70% спермиев на клеточном уровне, что значительно снижает качественные показатели размороженной спермы по сравнению со спермой, разбавленной непосредственно перед осеменением. Под действием магнитных силовых полей на разбавленную сперму межмолекулярные пространства в разбавителе заполняются ионами, молекулами или другими микрочастицам, и это, в свою очередь, способствует исчезновению объемов, которые в неразбавленных растворах были заняты микрокристаллами. Исчезновение последних, как центров кристаллизации, приводит к изменению характера кристаллизации разбавленной спермы, обработанной магнитным полем в процессе замерзания. Необработанная в магнитном поле разбавленная сперма при замораживании представляет собой массу мелких игольчатых кристаллов, которые повреждают жизненно важные функции спермиев. Таким образом, исследование и разработка способов и устройств увеличения переживаемости и повышения оплодотворяемости спермы с использованием электрофизических методов является актуальной задачей в процессе воспроизводства КРС.

Если связь между спинами электрона и орбитальным моментом вращательного движения всей молекулы больше, чем связь между спинами и моментом вращательного движения всей молекулы, то энергию магнитного поля можно представить в виде:

(40)

Энергия, линейно зависящая от напряженности магнитного поля, соответствует ориентации молекулы по полю:

, (41)

где - магнитон Бора для молекулы; - масса электрона; - число электронов в молекуле;- характеризует полный момент количества движения; - зависит от природы вещества.

Квадратичный член магнитной энергии состоит из поляризационной и прецессионной частей:

. (42)

Первый член соответствует процессу своеобразной магнитной деформационной поляризации молекулы под действием поля ; -разность энергий между нормальным и соседним возбужденным состоянием;

-определяется недиагональными матричными элементами энергии возмущения; m - масса молекулы, равная сумме масс входящих в нее атомов; е - заряд.

Второй член отражает эффект прецессии молекулы в магнитном поле, так как линейные размеры малы. Отсюда можно заключить, что чем асимметричнее молекула, тем больше должен быть первый член, выражающий поляризационный парамагнетизм. При этом поляризационный магнитный момент ориентирован перпендикулярно к главной оси молекулы.

Из уравнений (41) и (42) можно определить магнитную восприимчивость. Для определения энергии необходимо знать напряженность магнитного поля, образующегося у спермия и его скорость. Тогда, по известным формулам магнитной гидродинамики, можно определить все необходимые величины. Приняв допущение, что спермий - цилиндр с радиусом основания - а, магнитное поле внутри цилиндра можно выразить следующими уравнениями:

(43)

где; ; - плотность; - масса спермия; - объем дозы.

Сперму быка разбавляют лактозо-глицерино-желточной средой (ЛГЖ), состоящей из дистиллированной воды (100 мл), лактозы (11,5 г), глицерина (5 мл), желтка (20мл), спермосана (50 тыс. ед.). Интервал допустимого разбавления спермы ЛГЖ от 2 до 11раз, оптимум 35 раз.

Давление внутри спермия постоянно, и его связь с потоком разбавителя может быть представлена в виде:

.

Таким образом, найдя внутри спермия, можно пересчитать этот параметр на один диполь и, следовательно, учесть магнитную поляризацию.

Из постоянства рц.вн следует, что grad(рц.вн) = 0, но grad(рц.вн)=, значит jп=0, т.е. jп - ток, возникающий при изменении магнитного поля отсутствует, следовательно, спермии оказываются электрически изолированными.

Равенство jп = 0 вытекает из следующих уравнений магнитной гидродинамики:

(44)

где - скорость жидкости.

Из последнего выражения следует, что в системе координат связанной с движущимися жидкими частицами не происходит возникновение электрического поля. Из уравнения магнитной гидродинамики для вектора следует:

, (45)

где - магнитная вязкость; ; n- число зарядов;

; , (46)

где и - число круговых движений, которые проходит спермий за время между двумя столкновениями. Так как х = , что соответствует равновероятному количеству столкновений спермиев, то .

Сила, действующая на физически бесконечно малый объем среды:

, (47)

где Vа - скорость спермия.

Вектор силы F параллелен и перпендикулярен и , причем он не может производить работу при воздействии магнитного поля, поскольку . Так как бесконечно мал, то и . Тогда, представив , получаем, что составляющая силы перпендикулярна полю, а - и поэтому работы не производит. Отсюда =const и, следовательно, =const, а так как , то конечное движение будет равномерным по окружности. Тогда из равенства и , где - центростремительная сила, следует зависимость, описывающая характер движения элементарной массы заряда по окружности радиуса .

Таким образом, предположение о дипольном строении спермия оказывается справедливым. Следовательно, при воздействии магнитного поля этот диполь ориентируется по силовым линиям поля, отчего и возникает сила и изменяется радиус движения спермиев и их скорость.

Для расчета влияния магнитного поля на спермии можно предложить следующую смоделированную схему расчета, изображенную на рисунке 5. Магнитное поле нормально к плоскости движения спермиев. Выбираем систему координат так, чтобы плоскость Z = 0 была равноудалена от полюсов.

Рисунок 5 - Смоделированная схема расчета действия магнитного поля на спермий

Тогда граничные условия можно записать следующим образом:

u = 0; Hx = 0; Hz = Ho; u1 = u2 = 0, при z = .

С учетом граничных условий, опуская промежуточные преобразования, получено окончательное решение в виде:

; (48)

, (49)

; ; (50)

где Нх - составляющая магнитного поля; - вязкость.

Способность к движению является характерной особенностью спермиев. Нормальным является только прямолинейно-поступательное движение. Спермии быка в окружающей их жидкости движутся со скоростью 5-6 мм в минуту. Манежное движение по кругу присуще ослабленным спермиям. Колебательное движение (вправо и влево) наблюдается так же у ослабленных спермиев. Воздействие электромагнитного поля повышает активность спермиев и их переживаемость, а, зная необходимые интервалы облучения, можно рассчитать параметры проектируемого устройства для любого биологического объекта.

С учетом нелинейного характера внешнего воздействия электромагнитных полей небольшой интенсивности и жестких требований стандартов к обрабатываемому материалу, требуется оценить не только параметры индуктора, но и в динамике контролировать сам технологический процесс. Это возможно осуществить только с помощью специального прибора цифровой оценки сигналов биоэнергетической природы, основанного на высокоскоростной обработке характеристик электромагнитных полей искусственного и естественного происхождения с использованием пакетов Simulink и Power Sistem Blockset MATLAB.

Моделирование процессов инкубации эмбрионов яиц, обработки спермы быков-производителей для искусственного осеменения коров и телок связано с рядом технологических трудностей. Поэтому все расчеты индукторов-излучателей ведутся с учетом геометрии объекта и его биологических особенностей. В каждом конкретном случае расчеты ведутся с целью определения не только оптимальных параметров устройства облучения, но и физические величины доз и времени воздействия для увеличения количественных и улучшения качественных показателей производимой сельскохозяйственной продукции. При реализации режима параметрического управления для диагностики обработка информации строится на формировании конечно-разностных оценок на основе двумерного дискретного прямого преобразования Фурье. Применение двумерного преобразования Фурье для сигналов на основе 512 точек и построение графика спектральной плотности позволяет выделить частоты, на которых амплитуда спектра максимальна. Применение цифровых фильтров при фильтрации сигналов позволяет, имея пакет программ, вычислить все величины требуемых компонентов схемы фильтра, его амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики, изменять отдельные требования теоретически без реального этапа конструирования. Прямое преобразование Фурье переводит описание сигнала из временной области в частотную область, а обратное преобразование Фурье переводит описание сигнала из частотной области во временную. На этом основаны многочисленные методы фильтрации сигналов. В применяемых программах реализуется особый метод быстрого преобразования Фурье-Fast Fourier Transform (FFT или БПФ). Из существующих множества разнообразных способов уменьшения сложности наиболее распространен алгоритм по основанию 2. Простая структура БПФ способна быстро выполнить преобразование на кристалле цифрового процессора обработки сигналов, а поскольку алгоритмы реализуются аппаратно, то такие кристаллы успешно выполняют БПФ. С помощью алгоритмов БПФ современные процессоры вычисление 1024-точечного ДПФ производят менее чем за 5 мс. Стандартный поток ввода информации представляет собой массивы непрерывно измеряемых спектральных составляющих бегущего и осциллирующих электромагнитных полей. Стандартный поток вывода обработанной информации представляет собой отображение на экране дисплея значений амплитуд спектральных составляющих, фазовых соотношений, корреляционных оценок и т.д. Общефизическая проблема представления результата с требуемой точностью прояснила задачу необходимости учета эффекта Гиббса. Стандартные спектральный анализ и синтез применимы для любого числа отсчетов функции, но не свободны от сильного проявления эффекта Гиббса. Для ослабления или подавления этого эффекта применима коррекция амплитуды гармоник с помощью корректирующего множителя, постепенно ослабляющего высшие гармоники спектра.

4. Вопросы цифровой оценки результатов электромагнитного воздействия на объекты биологического происхождения

Поставленная задача программирования для решения проблемы оценки электромагнитного влияния на объекты сельскохозяйственного назначения решается с помощью специальных программ, где реализуется особый метод быстрого преобразования Фурье-Fast Fourier Transform (FFT или БПФ).

В качестве датчиков для оценки магнитной составляющей используются индуктивности, а для контроля отклика биологического объекта применяются датчики контактного типа (иглы, пластины и другие элементы). В данном цифровом приборе оценки сигналов (ЦПОС) электромагнитного воздействия на биологические объекты использованы цифровые процессоры как аналогового, так и цифрового источников. АЦП работает как с внешним, так и с внутренним источником образцового напряжения. Математический аппарат ПЦОС, такой как ДПФ и БПФ позволяет не только значительно сократить время обработки сигналов возмущающего (в нашем случае электромагнитного) воздействия, но и в динамике контролировать отклик биологического объекта растительного или животного происхождения. Программное обеспечение дает возможность теоретически рассчитывать любые технические параметры проектируемых устройств.

Внешний вид прибора оценки электромагнитных воздействий представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Внешний вид прибора оценки электромагнитных воздействий

При помощи прибора цифровой оценки сигналов в лаборатории экспериментально исследована активная часть индуктора одной из установок для предпосевной обработки семян и определена пространственная структура электромагнитного поля. Исследования при использовании данного прибора позволили уточнить параметры ранее разработанных индукторов и показали конкретные места помещения обрабатываемых сред.

После обработки экспериментальных данных, связанных с определением влияния электромагнитных воздействий на выводимость яиц и подвижность спермиев и в результате расчета коэффициентов регрессии были получены соответствующие математические модели. На основании этих моделей получены необходимые данные проектируемого индуктора.