авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Электротехнологические методы и средства повышения эффективности искусственного осеменения коров и восстановления их молочной продуктивности

-- [ Страница 2 ] --

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).



 – Технология воспроизводства-0

Рисунок 1. – Технология воспроизводства КРС на основе искусственного осеменения с использованием

электротехнологии

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:

(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)

откуда (6)

В соответствии с ранее проведенными нами исследованиями магнитная восприимчивость спермиев равна 6,8310-6. 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).

 – График зависимости-20

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 , равном 15° выражения (8, 9) принимают вид:

 (10) (11) На рисунках 3 и 4 показаны-25 (10)

 (11) На рисунках 3 и 4 показаны-26 (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.

 – Зависимость амплитуды пятой-27

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.

 – Зависимость амплитуды-29

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 . На рисунке 5 показано пространственное распределение гармонических составляющих в зависимости от количества пар полюсов и угла .

 – Зависимость амплитуды-30

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)

где , (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).

 – Зависимость от r/ro для-36

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.

 – Зависимость силы, действующей-38

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.

 – Функциональная схема-39

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.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.