Устройство для обработки семян электромагнитным полем (варианты)

Устройство для обработки семян электромагнитным полем (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Техническое решение относится к области семеноводства и может найти применение в сельскохозяйственных предприятиях для предпосевной обработки семян различных сельскохозяйственных культур.

Известны установки для предпосевной обработки семян, см. например, SU №1787347, БИ №2, 1993 г., кл. А 01 С 1/00, SU №1738117, БИ №21, кл. А 01 С 1/00, RU №2083072, кл. А 01С 1/00, содержащие источник сверхвысокочастотной электромагнитной энергии, облучатель и движущуюся транспортерную ленту.

Недостатком этих устройств является то, что они не обеспечивают необходимую равномерность обработки семян электромагнитным полем и обладают повышенным уровнем излучения электромагнитного поля в окружающее пространство, что затрудняет защиту персонала от вредного воздействия электромагнитной энергии.

Прототипом технического решения является устройство для обработки семян, патент RU №2187920, БИ №24, 27.08.2002 г., которое содержит горизонтально установленный с возможностью вращения на двух полых полуосях, закрепленных на станине в подшипниках, барабан с загрузочным отверстием с крышкой на цилиндрической поверхности и попарно расположенными внутри него встречно-наклонными ребрами, введенный внутрь барабана через одну из полуосей излучатель электромагнитной энергии СВЧ-диапазона, который соединен с источником электромагнитной энергии СВЧ-диапазона, подключенным к блоку управления, отличающееся тем, что каждая из полуосей выполнена с осевым отверстием диаметром меньше длины волны λ источника электромагнитной энергии СВЧ-диапазона генератора СВЧ-диапазона и жестко закреплена по центру одной из боковых стенок барабана, внутри каждой из полуосей установлена с возможностью вращения металлическая дроссельная втулка длиной (2n+1)λ /4, где n - целое число, имеющая коаксиальную кольцевую выточку глубиной λ /4 на внешнем торце втулки и цилиндрическую поверхность, покрытую слоем высокочастотного диэлектрика, причем через одну из полуосей внутрь барабана пропущена линия СВЧ-диапазона, через другую - линия КВЧ-диапазона, соединенные каждая со своей втулкой, на внутренних концах которых закреплены излучатели электромагнитной энергии СВЧ- и КВЧ-диапазонов соответственно, а наружные концы соединены соответственно с источником электромагнитной энергии СВЧ-диапазона и источником электромагнитной энергии КВЧ-диапазона, подключенным к блоку управления, при этом крышка загрузочного отверстия барабана выполнена из двух металлических дисков и установлена на нем через коаксиально расположенное загрузочному отверстию металлическое кольцо диаметром d_к≅d_отв+λ /2, где d_отв - диаметр загрузочного отверстия, и толщиной h=(3-4)t, где t - толщина дисков, а последние имеют d₁>d_к и d₂<d_к и коаксиально замкнуты между собой с зазором В=(h-t) по диаметру d_з≅d₂-λ /2, кроме того, внутри барабана по задней относительно направления вращения кромке загрузочного отверстия установлен изогнутый на угол α <60° экран высотой 0≤ Н<R и шириной 0<С<l_б, R - радиус барабана, l_б - длина образующей барабана.

Недостатком прототипа является недостаточно высокая производительность установки, связанная с большими затратами времени на загрузку семян и выгрузку их после обработки через загрузочное отверстие на боковой поверхности барабана. Кроме того, из-за интерференции волн, отраженных от торцевых стенок барабана внутри барабана, заполненного семенами, образуются участки с недостаточно высокой интенсивностью электромагнитного поля. Наличие участков с недостаточной интенсивностью поля приводит к увеличению общего времени обработки (см., например, статью Аглиуллина А.Ф., Анфиногентова В.И. и Седельникова Ю.Е. Использование вероятностных подходов при проектировании микроволновых технологических установок. В сб. Трудов 7-й Международной конференции “Радиолокация, навигация, связь” 24-26 апреля 2001 г., Воронеж, 2001 г., т.1, стр. 640-646).

Решаемая техническая задача заключается в сокращении времени обработки и повышении производительности установки, упрощении ее конструкции.

Решаемая техническая задача в устройстве обработки семян электромагнитным полем в его первом варианте, содержащем установленный с возможностью вращения барабан, имеющий загрузочное отверстие с крышкой и попарно расположенные внутри него встречно-наклонные ребра, излучатель электромагнитной энергии, который соединен с источником электромагнитной энергии, и электрический привод, подключенные к блоку управления, достигается тем, что боковая стенка барабана выполнена из радиопрозрачного материала толщиной, кратной где λ - длина волны колебания источника электромагнитной энергии, ε _б - относительная диэлектрическая проницаемость материала боковой стенки, торцевые поверхности барабана выполнены из электропроводящего материала с ребристой внутренней поверхностью, причем глубина ребер выбрана кратной λ /4, а ширина ребер и расстояние между ними выбрано значительно меньшими λ /2, загрузочное отверстие с крышкой выполнено на одной из торцевых стенок барабана, который установлен свободно с возможностью вращения на роликах, механически соединенных с электрическим приводом, причем оси вращения роликов параллельны оси вращения барабана, излучатель электромагнитной энергии установлен снаружи барабана около его боковой стенки, барабан, излучатель электромагнитной энергии и источник электромагнитной энергии заключены в корпус, выполненный из электропроводящего материала, снабженный крышкой.

Решаемая техническая задача в устройстве обработки семян электромагнитным полем в его втором варианте, содержащем установленный с возможностью вращения барабан, имеющий загрузочное отверстие с крышкой и попарно расположенные внутри него встречно-наклонные ребра, излучатель электромагнитной энергии, который соединен с источником электромагнитной энергии, и электрический привод, подключенные к блоку управления, достигается тем, что боковая стенка барабана выполнена из радиопрозрачного материала толщиной, кратной где λ - длина волны колебания источника электромагнитной энергии, ε _б - относительная диэлектрическая проницаемость материала боковой стенки, торцевые стенки барабана выполнены из электропроводящего материала, с внутренней стороны каждой из которых установлена сетка из металлических проводников, параллельных друг другу и торцевой поверхности барабана, причем расстояние от сетки до внутренней торцевой поверхности барабана выбрано кратным где ε _m - диэлектрическая проницаемость материала, расположенного между сеткой из металлических проводников и внутренней поверхностью торцевой стенки, а поперечные размеры проводников и расстояния между ними выбраны значительно меньшими длины волны колебания источника электромагнитной энергии, загрузочное отверстие с крышкой выполнено на одной из торцевых стенок барабана, который установлен свободно с возможностью вращения на роликах, механически соединенных с электрическим приводом, причем оси вращения роликов параллельны оси вращения барабана, излучатель электромагнитной энергии установлен снаружи барабана около его боковой стенки, барабан, излучатель электромагнитной энергии и источник электромагнитной энергии заключены в корпус, выполненный из электропроводящего материала, снабженный крышкой.

На фиг.1 изображено устройство обработки семян электромагнитным полем по его первому варианту (вид спереди), на фиг.2 - вид сбоку (сечение), на фиг.4 изображено схематически формирование электромагнитного поля внутри барабана по первому варианту. На фиг.3 изображено устройство обработки семян электромагнитным полем по его второму (вид спереди), на фиг.5 изображено схематически формирование электромагнитного поля внутри барабана по второму варианту.

Устройство обработки семян электромагнитным полем по первому и второму вариантам содержит барабан 1, установленный свободно с возможностью вращения на роликах 2, установленных на подшипниках 3 на станине 4. Оси вращения роликов 2 выполнены параллельными оси вращения барабана 1. Барабан изготовлен из радиопрозрачного материала с малой величиной потерь, например из полистирола, и имеет толщину, кратную где λ - длина волны колебания источника электромагнитной энергии, ε _б - относительная диэлектрическая проницаемость материала, из которого выполнена боковая стенка барабана 1. Ролики механически соединены с электрическим приводом, состоящим из электродвигателя 5 и редуктора 6. Внутри барабана 1 имеются встречно-наклонные ребра 7 для перемешивания семян при вращении барабана 1. Одна из торцевых стенок 8 барабана 1 выполнена съемной, образующей крышку для загрузки и выгрузки семян, вторая торцевая стенка 9 неподвижно соединена с боковой поверхностью 10 барабана 1. На станине 4 закреплен излучатель электромагнитной энергии 11, соединенный с источником электромагнитной энергии 12 при помощи волновода 13. Источник электромагнитной энергии 12 и электродвигатель 5 при помощи проводников 14 и 15 соединены с блоком управления 18. Источник электромагнитной энергии 12, волновод 13, блок управления 18 и электродвигатель 5 и редуктор 6 выполнены по известным стандартным схемам. Барабан 1, излучатель электромагнитной энергии 13 и источник электромагнитной энергии 12 заключены в корпус 16, снабженный крышкой 17. Корпус 16 установлен на станине 4 и выполнен из металла или диэлектрического материала с металлизированной поверхностью. Источник электромагнитной энергии 12 и электродвигатель 5 присоединены к электрической сети через блок управления 18.

В устройстве для обработки семян электромагнитным полем по его первому варианту торцевые стенки 8 и 9 изготовлены из электропроводящего материала, например из алюминиевых сплавов или из диэлектрического материала с металлизированной внутренней поверхностью (фиг.1). Внутренняя поверхность торцевых стенок барабана выполнена ребристой, причем глубина ребер выбрана кратной λ /4, а ширина ребер и расстояние между ними выбрано значительно меньшими λ /2, где λ - длина волны колебания источника электромагнитной энергии.

В устройстве для обработки семян электромагнитным полем по его второму варианту торцевые стенки 8 и 9 барабана выполнены из электропроводящего материала, с внутренней стороны каждой из которых установлена сетка из параллельных друг другу и торцевой поверхности барабана 1 металлических проводников 19, причем расстояние от сетки до внутренней торцевой поверхности барабана 1 выбрано кратным где ε _m - диэлектрическая проницаемость материала, расположенного между сеткой из металлических проводников 19 и внутренней торцевой поверхностью барабана 1, а поперечные размеры проводников 19 и расстояния между ними выбраны значительно меньшими длины волны колебания источника электромагнитной энергии. Торцевые стенки в устройстве для обработки семян электромагнитным полем по его второму варианту могут быть изготовлены из диэлектрического материала, например полистирола с металлизированными внешней и внутренней поверхностями. Сетка из параллельных друг другу металлических проводников выполняется, например, фотохимическим способом.

Устройство по его первому варианту работает следующим образом. Семена загружают через снятую предварительно крышку 8 в барабан 1, устанавливают барабан 1 на ролики 2, закрывают крышку 17 и через блок управления включают источник электромагнитной энергии. Блок управления обеспечивает управление электродвигателем и включение - выключение источника электромагнитной энергии 12 по определенной программе в зависимости от типа семян и их количества. Например, для семян данного типа и количества требуется обработка в течение времени t, при скорости вращения W₁. Алгоритм работы блока управления состоит в следующем: 1) выдается команда на выбор скорости вращения W₁, 2) выдается команда на включение электродвигателя, 3) выдается команда на включение источника электромагнитной энергии, 4) по истечении времени t вырабатывается команда на выключение источника электромагнитной энергии и электродвигателя. При этом при включенном источнике электромагнитной энергии 12 происходит ее излучение при помощи излучателя 11, излученная волна воздействует на семена через радиопрозрачную боковую поверхность 10 барабана 1. При выполнении стенки барабана из радиопрозрачного материала толщиной, кратной где λ - длина волны колебания источника электромагнитной энергии, ε _б - относительная диэлектрическая проницаемость материала боковых стенок барабана, электромагнитные волны, падающие от излучателя электромагнитной энергии 11 и отраженные от его внешней и внутренней поверхностей взаимно компенсируются. Благодаря этому потери электромагнитной энергии имеют наименьшее возможное значение. Семена при вращении барабана 1 роликами 2 перемешиваются встречно-наклонными ребрами 7. Равномерное распределение поля обеспечивается излучателем, создающим равномерное облучение ближайшей к нему поверхности семян. При вращении барабана 1 за счет перемешивания обрабатываются равномерно семена по всему объему. За счет выполнения торцевых стенок 8 и 9 барабана 1 ребристым происходит дополнительное улучшение равномерности распределения электромагнитного поля внутри барабана 1. Это объясняется следующим образом. В каждую точку внутреннего объема барабана 1 электромагнитные волны поступают по нескольким путям: непосредственно от излучателя электромагнитной энергии 11 и после отражения от торцевых стенок 8, 9 барабана 1 (фиг.3). В результате интерференции в некоторых участках объема барабана 1 эти волны складываются в противофазе, что приводит к появлению областей с недостаточной интенсивностью электромагнитного поля. Семена, находящиеся в указанных областях, не подвергаются необходимой обработке. Поэтому наличие таких областей приводит к увеличению общего времени обработки. При выполнении торцевых стенок ребристыми, отражение волны происходит от внешней поверхности ребер на торцевых стенках 8 при параллельном расположении ребер по отношению к вектору напряженности электрического поля и от внутренней поверхности ребер при перпендикулярной ориентации (см. например Корниенко Л.Г.Теория и техника излучающих и направляющих систем, изд-во ХВУ, Харьков, 1994, стр. 375). При вращении барабана 1 за один оборот дважды происходит изменение ориентации. В результате в каждой точке объема происходит периодическая смена характера интерференции указанных волн и соответственно происходит смена противофазного сложения на синфазное. В результате в среднем за один оборот барабана 1 происходит дополнительное выравнивание распределения электромагнитного поля. Это, в свою очередь, позволяет сократить время обработки. После окончания обработки устройство управления 18 выключает источник электромагнитной энергии 12 и электродвигатель 5. После этого открывают крышку корпуса 17, извлекают барабан 1 с обработанными семенами, разгружают его, помещают в него партию необработанных семян.

Устройство обработки семян электромагнитным полем по его второму варианту работает следующим образом. Загрузка семян, их обработка электромагнитным полем производится аналогичным первому варианту образом. В устройстве по его второму варианту дополнительное улучшение равномерности распределения электромагнитного поля внутри барабана достигается за счет наличия сетки из металлических проводников, установленной на расстоянии от внутренней поверхности каждой из торцевых стенок 8 и 9 барабана 1. Это объясняется следующим образом. В каждую точку внутреннего объема барабана 1 электромагнитные волны поступают по нескольким путям: непосредственно от излучателя электромагнитной энергии 11 и после отражения от торцевых стенок 8, 9 барабана 1 (фиг.5). При наличии сетки из параллельных друг другу металлических проводников 19 отражение волны происходит от внешней поверхности металлических проводников 19 при параллельном их расположении по отношению к вектору напряженности электрического поля и от внутренней поверхности торцевой стенки при перпендикулярной ориентации (см. например Корниенко Л.Г. Теория и техника излучающих и направляющих систем, изд-во ХВУ, Харьков, 1994, стр. 381). При вращении барабана 1 за один оборот дважды происходит изменение ориентации. В результате в каждой точке объема происходит периодическая смена характера интерференции указанных волн и соответственно происходит смена противофазного сложения на синфазное. В результате в среднем за один оборот барабана 1 происходит дополнительное выравнивание распределения электромагнитного поля.

Моделирование процессов обработки и испытания изготовленной установки по первому и второму вариантам подтвердили, что сокращение времени за счет ускорения загрузки - выгрузки семян и за счет улучшения равномерности обработки составляет при обработке электромагнитным полем диапазона крайне высоких частот (40 - 60 ГГц) в зависимости от типа семян и объема загрузки не менее 25% по сравнению с прототипом. Выгрузка в прототипе - около 3 минут, загрузка - 2 минуты. Загрузка - выгрузка в заявляемом устройстве 1 минута. Таким образом, при требуемом времени обработки 16 минут выигрыш составляет 25%. Дополнительный выигрыш за счет сокращения времени обработки составляет от 1 до 15%.

1. Устройство для обработки семян электромагнитным полем, содержащее установленный с возможностью вращения барабан, имеющий загрузочное отверстие с крышкой и попарно расположенные внутри него встречно-наклонные ребра, излучатель электромагнитной энергии, который соединен с источником электромагнитной энергии, и электрический привод, подключенные к блоку управления, отличающееся тем, что боковая стенка барабана выполнена из радиопрозрачного материала толщиной, кратной где λ - длина волны колебания источника электромагнитной энергии, ε_б - относительная диэлектрическая проницаемость материала боковой стенки барабана, торцевые стенки барабана выполнены из электропроводящего материала с ребристой внутренней поверхностью, причем глубина ребер выбрана кратной λ/4, а ширина ребер и расстояние между ними выбрано значительно меньшими λ/2, загрузочное отверстие с крышкой выполнено на одной из торцевых стенок барабана, который установлен свободно с возможностью вращения на роликах, механически соединенных с электрическим приводом, причем оси вращения роликов параллельны оси вращения барабана, излучатель электромагнитной энергии установлен снаружи барабана около его боковой стенки, барабан, излучатель электромагнитной энергии и источник электромагнитной энергии заключены в корпус, выполненный из электропроводящего материала, снабженный крышкой.

2. Устройство для обработки семян электромагнитным полем, содержащее установленный с возможностью вращения барабан, имеющий загрузочное отверстие с крышкой и попарно расположенные внутри него встречно-наклонные ребра, излучатель электромагнитной энергии, который соединен с источником электромагнитной энергии, и электрический привод, подключенные к блоку управления, отличающееся тем, что боковая стенка барабана выполнена из радиопрозрачного материала толщиной, кратной где λ - длина волны колебания источника электромагнитной энергии, λ_б - относительная диэлектрическая проницаемость материала боковой стенки, торцевые стенки барабана выполнены из электропроводящего материала, с внутренней стороны каждой из которых установлена сетка из металлических проводников, параллельных друг другу и торцевой стенке барабана, причем расстояние от сетки до внутренней поверхности торцевой стенки барабана выбрано кратным где ε_m - диэлектрическая проницаемость материала, расположенного между сеткой из металлических проводников и внутренней поверхностью торцевой стенки, а поперечные размеры проводников и расстояния между ними выбраны значительно меньшими длины волны колебания источника электромагнитной энергии, загрузочное отверстие с крышкой выполнено на одной из торцевых стенок барабана, который установлен свободно с возможностью вращения на роликах, механически соединенных с электрическим приводом, причем оси вращения роликов параллельны оси вращения барабана, излучатель электромагнитной энергии установлен снаружи барабана около его боковой стенки, барабан, излучатель электромагнитной энергии и источник электромагнитной энергии заключены в корпус, выполненный из электропроводящего материала, снабженный крышкой.