Сорняку — электрический стул!
Текст: Е.В. Тышкевич
Необходимость применения электроразрядного способа борьбы с сорными растениями вызвана стремительным развитием высоковольтной импульсной техники и очевидными преимуществами по сравнению с традиционными: агротехническим и химическим.
К числу основных недостатков агротехнического способа борьбы с сорняками следует отнести негативные последствия интенсивной обработки почвы: увеличение потерь влаги, усиление ветровой и водной эрозии почвы, ускорение распада гумуса, уплотнение подпахотного слоя, появление вновь отрастающих сорняков.
Химический способ борьбы с сорняками также имеет ряд серьёзных недостатков. Во-первых, гербициды, как биологически активные вещества, наносят вред культурным растениям, здоровью человека, животным и окружающей среде. Во-вторых, многие химикаты способны накапливаться в почве и воде в количествах, превышающих предельно допустимые уровни. В конечном итоге, их длительное применение способствует постепенной адаптации к ним сорной растительности.
В отечественной и зарубежной практике широко известны два метода электрообработки растений: импульсными разрядами и продолжительным контактом между электродом и растением.
Традиционные методы основаны на использовании электрического тока высокого напряжения как поражающего фактора. Для этих целей может использоваться постоянное, переменное или импульсное напряжение различной частоты, длительности и формы. Электрическая энергия воздействия подается в момент соприкосновения активного электрода с поверхностью биообъекта. Для проведения такой процедуры необходимо использовать источник с выходным напряжением как минимум 3—5 кВ, поскольку напряжение пробоя собственной изоляции большинства объектов растительного происхождения составляет не менее 1,0—1,5 кВ. Таким образом, эквивалентная нагрузка для источника высокого напряжения представляет собой сопротивление с нелинейной характеристикой, которое первоначально в момент касания активного электрода биообъекта имеет высокое сопротивление (1,5—30 мОм), а после пробоя изоляции падает в десятки и сотни раз. Такой режим «ударной» нагрузки для высоковольтного источника является крайне неблагоприятным, поскольку ток в момент пробоя изоляции имеет высокую скорость нарастания и большую величину мгновенного значения, близкую к току короткого замыкания. После пробоя изоляции внутри биообъекта образуется множество разветвленных токопроводящих каналов, которые «размывают» электрическую энергию, превращая ее в тепло, поэтому эффективность воздействия в данном случае оказывается крайне низкой.
Применение способа дуплексного воздействия электрическим током на биообъекты позволяет кардинально решить вышеперечисленные проблемы борьбы с сорной растительностью.
Физика уничтожения
Процедура дуплексного воздействия на сорные растения электрическим током состоит из двух этапов. На первом этапе происходит исследование биообъекта в микроваттном режиме последовательностью тестовых импульсов, которые отличаются друг от друга напряжением, длительностью и формой. Это необходимо для того, чтобы идентифицировать объект и определить его дифференциальную проводимость при различных возмущающих воздействиях, не изменяя физического состояния.
На втором этапе осуществляется дуплексное воздействие. На биообъект, учитывая полученные данные тестирования, подается пилотный импульс, который пробивает собственную изоляцию и создает внутри объекта проводящий канал, при этом падение напряжения на нем резко уменьшается. В момент образования проводящего канала в заданной (благоприятной) точке вольтамперной характеристики для силового воздействия на него накладывается операционный импульс, определяющий конечный результат всей процедуры. Если энергия операционного импульса достаточно велика, то объект будет уничтожен. В ином случае, при низком значении энергии операционного импульса, результатом воздействия может быть стимуляция или замедление роста биообъекта, изменение его морфологической структуры, восприятия окружающей среды и так далее.
Принцип дуплексного воздействия позволяет решить две принципиальные проблемы: существенно снизить напряжение операционного или силового импульса и сосредоточить электрическую энергию в пределах одного проводящего канала, не распыляя ее по всему объему объекта. Практически, напряжение силового источника при воздействии на биообъекты растительного происхождения может быть снижено до 0,7—2,5 кВ, а его установленная мощность уменьшена в 3—5 раз.
Напряжение тестового сигнала, также как и пилотного импульса, должно быть достаточно высоким. Это необходимо для того, чтобы беспрепятственно преодолеть изоляционный барьер биообъекта. Напротив, ток, прикладываемый к объекту до момента поступления операционного импульса необходимо ограничивать. Он не должен вызывать каких-либо физических или структурных изменений, или нарушать внутриобменные процессы, следовательно, тестовый источник должен вырабатывать высокое напряжение и небольшой ток, достаточный для формирования проводящего канала. Благодаря наличию проводящего канала скорость нарастания тока операционного источника во много раз превосходит скорость нарастания тока в обычном режиме, в результате этого эффективность воздействия возрастает пропорционально увеличению плотности тока, проходящего через биообъект.
Рисунок 1. Функциональная схема электроразрядного устройства.
Рисунок 2. Эпюры напряжений и токов дуплексного электроропропольщика в режиме уничтожения сорных растений
Управляемый процесс
Электроразрядное устройство состоит из генератора тестовых импульсов, тестового анализатора проводимости, источника операционного напряжения, операционного анализатора проводимости, активного электрода и системы управления, соединенной с информационными каналами обоих анализаторов проводимости, генератора тестовых импульсов и источника операционного напряжения. Процедурные импульсы подаются на объект воздействия с помощью активного электрода. Система управления обеспечивает ввод, вывод, контроль и управление всеми данными в процессе работы устройства по заданной программе.
Генератор тестового сигнала вырабатывает последовательность высоковольтных импульсов, которые через анализатор проводимости поступают на активный электрод, подключенный к объекту воздействия. Каждый тестовый импульс, проходя через объект, создает проводящий канал, параметры которого фиксируются анализатором проводимости и передаются в виде данных в систему управления по информационному каналу. Затем, на основании полученных данных тестирования и программы, заложенной в систему управления, генератор вырабатывает пилотный импульс, который на объекте формирует оптимальный канал проводимости. Состояние этого канала отслеживает анализатор. Когда его проводимость достигает необходимого значения, анализатор вырабатывает сигнал управления, который поступает на вход синхронизации операционного источника и запускает его. Операционный импульс от источника через анализатор поступает на активный электрод и накладывается на проводящий канал, сформированный пилотным импульсом. Таким образом, происходит дуплексное воздействие на растительный объект от двух источников: первый формирует оптимальный канал проводимости, а второй в заданной точке его характеристики осуществляет силовое воздействие, обеспечивая желаемый результат. Появление операционного импульса возможно в любой фазе сформированного проводящего канала. Анализатор проводимости отслеживает прохождение операционного импульса через объект и по окончании его выдает данные системе управления о результате силового воздействия. На основании полученной информации система управления принимает решение: достигнут ли желаемый результат, или требуется повторная процедура воздействия.
Количество и параметры тестовых импульсов определяются программой, заложенной в систему управления. В процессе тестирования общее энергетическое воздействие на объект должно быть индифферентным, чтобы не нарушить его исходное состояние. В момент образования проводящего канала напряжение на объекте воздействия резко падает, поскольку происходит пробой его собственной изоляции, поэтому величина напряжения операционного источника может быть значительно снижена по отношению к напряжению тестового генератора. Устройство прекращает однократное или многократное воздействие после того, как на систему управления поступят данные с анализатора о достигнутом результате.
Контроль и малые габариты
К преимуществам дуплексного электроразряда следует отнести способность самоадаптирования системы к изменяющимся условиям окружающей среды, а также автоматический контроль результатов процедуры без привлечения дополнительных аппаратных средств.
Дуплексный способ способствует созданию разнообразных аппаратных средств воздействия электрическим током на сорную растительность, имеющих небольшие габариты и массу, обладающих высокой выходной мощностью, широким спектром используемых частот и диапазоном применения, позволяет максимально использовать энергию операционного импульса, обеспечивая высокий КПД. Также к достоинствам данного способа следует отнести возможность создания устройств уничтожения сорных растений в малогабаритном переносном исполнении, работающих от аккумуляторной батареи напряжением 6—12В.