Люминесцентный метод и оптико-электронные устройства экспресс-диагностики качества семян агрокультур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, доктор наук Беляков Михаил Владимирович

• Беляков Михаил Владимирович
• доктор наук
• 2021

Оглавление диссертации доктор наук Беляков Михаил Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ СЕМЯН РАСТЕНИЙ

1.1 Семена растений как объект исследования

1.2 Взаимодействие излучения с биовеществом и их оптические модели

1.3 Поглощение, отражение и рассеяние света биотканями

1.4 Механизмы возбуждения и люминесценции биотканей

1.5 Классификация методов диагностики посевного материала

Выводы по главе

ГЛАВА 2 ПОИСКОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИАГНОСТИКИ СВОЙСТВ СЕМЯН МЕТОДОМ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗА

2.1 Методика исследования люминесцентных свойств семян на спектрофлуориметре

2.2 Типовые спектры возбуждения и люминесценции семян сельскохозяйственных растений

2.3 Изменения люминесцентных свойств семян при созревании, прорастании и изменении внешних факторов

2.4 Статистические параметры спектров и свойства широкополосности

Выводы по главе

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ДИАГНОСТИКИ КАЧЕСТВА СЕМЯН

3.1 Электронная теория возбуждения и фотолюминесценции покровной ткани семян растений

3.2 Информативные признаки и параметры спектров возбуждения и люминесценции семян растений

3.3 Спектральные характеристики и параметры семян различной влажности

3.4 Спектральные характеристики и параметры семян различной всхожести

3.5 Влияние скарификации на люминесцентные свойства семян кормовых растений

3.6 Разработка структурной схемы и обоснование параметров устройств для реализации системы диагностики качества семян растений

Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА КАЧЕСТВА СЕМЯН

4.1 Разработка технологического процесса экспресс-анализа всхожести семян

4.2 Разработка технологического процесса экспресс-анализа влажности семян

4.3 Разработка технологического процесса экспресс-анализа качества скарификации семян

4.4 Разработка технологического процесса экспресс-анализа спелости семян

Выводы по главе

ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКИ

СЕМЯН

5.1 Принципы построения люминесцентного анализатора

5.2 Разработка оптико-электронного устройства экспресс-диагностики всхожести и влажности семян

5.3 Разработка оптико-электронного устройства экспресс-диагностики качества скарификации семян

5.4 Разработка оптико-электронного устройства экспресс-диагностики степени спелости семян

Выводы по главе

ГЛАВА 6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ УСТРОЙСТВ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ПОСЕВНОГО МАТЕРИАЛА

6.1 Определение расчётной надёжности оптико-электронного устройства люминесцентного анализа качества семян

6.2 Планируемые экономические показатели внедрения устройств экспресс-анализа качества семян

6.3 Перспективы использования оборудования для решения производственных, научно-исследовательских и учебно-образовательных задач

6.4 Перспективы усовершенствования оборудования

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Акты об использовании (внедрении) результатов

научно-исследовательской работы в производственных условиях

Приложение Б. Акты внедрения и испытаний научно-

исследовательской работы в учебном процессе

Приложение В. Патенты РФ и свидетельства о государственной

регистрации программ для ЭВМ

Приложение Г. Энергетический расчёт оптической системы с двумя скрещенными светофильтрами и одним длинноволновым отрезающим

светофильтром

Приложение Д. Расчёт эффективного КПД излучения некоторых

источников

Приложение Е. Расчёт толщины светофильтра УФС1

Приложение Ж. Программа для расчёта всхожести семян

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Люминесцентный метод и оптико-электронные устройства экспресс-диагностики качества семян агрокультур»

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире идёт постоянный рост потребности населения в качественных продуктах питания, а также возобновляемых источниках энергии и ресурсах. Это вызвано как ростом численности населения, так и ухудшением условий производства (снижением площади плодородных земель, увеличением энергетических затрат на производство и др.). В связи с этим возрастает потребность в интенсификации производства качественной сельскохозяйственной продукции. Одним из направлений такого интенсивного развития является разработка и внедрение современных высокопроизводительных методов и приборов диагностики посевного материала (семян, корнеплодов).

Оптические методы и средства диагностики и контроля являются высокоточными, селективными, экспрессными, а также дистанционными и неразрушающими. Они имеют стабильные параметры зондирующего излучения, а полученные сигналы могут приниматься приёмниками излучения с широким набором характеристик, усиливаться и обрабатываться с помощью современных компьютерных программ с выдачей комплексных результатов. Другими достоинствами оптических и оптико-электронных диагностических приборов является простота и безопасность их эксплуатации, минимум субъективных факторов и возможность интеграции в действующие современные сельскохозяйственные машины и аппараты.

Наиболее существенный вклад в исследования в области оптических свойств биообъектов, решения проблем диагностики посевного материала и внедрения оптических и оптико-электронных приборов и методов в сельскохозяйственное производство внесли: Башилов А. М., Бородин И. Ф., Будаговский А. В., Будаговская О. Н., Веселовский В. А., Веселова Т. В., Гордеев А. М., Гордеев Ю. А., Гордеев А. С., Коваленко О. Ю., Козарь В. И., Кондратьева Н. П., Косицын О. А., Лискер И. С., Лямцов А. К., Михалёв А. Е., Овчукова С. А.,

Ракутько С. А., Родиков С. А., Fan P., Delwiche S. R., Jiang X., Kwon N., Li C., Lü C., Meng Z., Song S., Wang X. и другие.

При диагностике посевного материала необходимо интегрирование показателей для большого числа семян. Сложность также заключается в том, что на конечный результат измерений может влиять большое число как внутренних, так и внешних факторов, таких как температура, электрические и магнитные поля, засорённость, степень спелости и многое другое. В настоящее время не являются полностью исследованными оптические спектральные свойства возбуждения и люминесценции семян растений и корнеплодов, не исследованы зависимости свойств от качественных и количественных характеристик и параметров излучения; не разработаны научно-обоснованные принципы построения оптико-электронных методов и приборов диагностики семян и корнеплодов.

Таким образом, актуальная проблема создания неразрушающих экспресс-методов и средств многофункциональной диагностики посевного материала, повышающих эффективность агротехнологических приемов

сельскохозяйственного производства посредством своевременной и точной оценки его качественных параметров, требует системного подхода. Он заключается в исследовании оптических спектральных свойств отражения семян, механизмов возбуждения и люминесценции, измерения типовых спектров возбуждения и люминесценции семян и влияния на него как внешних факторов, так и внутреннего состояния семян; теоретическом и экспериментальном обосновании методик диагностики параметров качества семян; разработке технологии экспресс-анализа качества семян; создание оптико-электронных устройств измерения и контроля качества посевного материала.

Целью диссертационной работы является разработка метода люминесцентного анализа параметров качества семян и проектирование устройств для его практической реализации при производстве сельскохозяйственной продукции.

Объект исследований - семена сельскохозяйственных культур и параметры их качества. Предмет исследований - люминесцентный метод, методики и устройства неразрушающего экспресс-контроля качества семян.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить направление поисковых исследований диагностики параметров качества семян агрокультур люминесцентным методом.

2. Выполнить поисковые исследования типовых люминесцентных характеристик основных видов семян сельскохозяйственных растений и их изменения при созревании, прорастании и в зависимости от внешних факторов.

3. Провести теоретическую и экспериментальную разработку методик диагностики качества семян и определить наиболее информативные параметры.

4. Разработать методики и технологические процессы люминесцентной неразрушающей экспресс-диагностики качества семян.

5. Разработать конструкции и выбрать основные узлы оптико-электронных устройств люминесцентной диагностики параметров семян.

6. Определить надёжность, планируемые экономические показатели внедрения разработанных устройств экспресс-диагностики и показать перспективы их применения и совершенствования.

При решении теоретических и прикладных задач были использованы методы прикладной спектроскопии видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона; методы математического, компьютерного и физического моделирования; теоретические основы конструирования оптико-электронных приборов; методы планирования экспериментов и компьютерные программы обработки данных. Большой объем и разноплановость экспериментов потребовали применения известных и разработки новых методов, методик, которые изложены в работе.

Организация исследований, биологические материалы и технические средства. Данная диссертационная работа выполнена в филиале федерального

государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске в 2009-2017 годах с привлечением в 2016 году гранта РФФИ (проект №16-48-670810 р_а).

Оптические спектральные свойства отражения, поглощения и люминесценции изучали на семенах различных видов и сортов сельскохозяйственных растений: зерновых (яровая пшеница, рожь, тритикале, овёс, ячмень, просо, кукуруза, гречиха, рис), зернобобовых (горох, соя, фасоль, чечевица), масличных и технических (лён), кормовых (галега, клевер, люпин), овощных (тыква, огурец, томат, свекла, редис, перец). Для спектральных измерений использовали дифракционный спектрофлуориметр «Флюорат-02-Панорама» с программным обеспечением «Panorama Pro», а также дифракционный спектрофотометр «Specol 10». Люминесцентные характеристики исследовали с использованием разработанных автором методик, описанных в соответствующих разделах диссертации.

Для изменения функционального состояния семян использовали различные факторы физической природы: высокие и низкие температуры, высокие и низкие влажности, оптическое излучение видимого и ультрафиолетового диапазона, магнитное поле, механическое нарушение целостности семенных оболочек.

Кроме того, проводились измерения характеристик и параметров семян с использованием гостированных и типовых методик и оборудования с привлечением специалистов соответствующего профиля.

Научная новизна исследований.

1. Исследован люминесцентный метод анализа, позволяющий определить достоверную связь параметров качества семян агрокультур с параметрами спектральных характеристик возбуждения и регистрации люминесценции.

2. Теоретически и экспериментально обоснованы положения методик диагностики качества семян по влажности, всхожести и степени спелости.

3. Разработаны технологические процессы диагностики параметров качества семян растений по эквивалентным параметрам их люминесцентных характеристик.

4. Разработаны конструкции и выбраны основные узлы многофункциональных оптико-электронных устройств люминесцентной диагностики параметров семян в лабораторных и полевых условиях.

Приоритеты защищены патентом РФ и свидетельством о госрегистрации программ для ЭВМ, 99 публикациями в отечественных и зарубежных изданиях.

Практическая значимость

Разработанные методики оптической люминесцентной диагностики семян растений позволяют существенно уменьшить время измерения таких параметров как всхожесть и влажность, степень спелости, а также определить качество скарификации. Оборудование, разработанное на основе предложенных методик диагностики, позволяет существенно повысить эффективность анализа, снизить его трудоёмкость, энерго- и материалоёмкость. Полученные автором типовые спектральные характеристики отражения, поглощения и люминесценции могут быть использованы для создания новых неразрушающих способов диагностики посевного материала. Методики и технические средства люминесцентной диагностики семян могут применяться в экспериментально-исследовательском и практическом растениеводстве, в том числе с целью оптимизации агротехнических приемов выращивания, оценки устойчивости семян к неблагоприятным факторам различной природы, для неразрушающей оценки товарного качества, степени зрелости семян, при сортоизучении и интродукции растений, в научных и экологических исследованиях, учебно-образовательном процессе. Полученные в диссертационной работе результаты дополняют и расширяют существующие представления о возможностях оптических методов неразрушающей диагностики семян и других биообъектов. Новые методы и разработанные на их основе технические средства позволяют обеспечить: 1) оценку состояния семян без их повреждения за один измерительный цикл; 2)

выполнение измерений в режиме реального времени, неквалифицированным персоналом, без привлечения дополнительной дорогостоящей сложной аппаратуры или трудоемких операций по предварительной подготовке объектов; 3) устранение субъективных оценок функционального состояния семян; 4) применение современных цифровых технологий съема и обработки информации.

Достоверность полученных результатов, рекомендаций и выводов, содержащихся в диссертации, подтверждается корректным использованием теоретических положений; сопоставлением выполненных исследований с имеющимися методами и результатами в данной области; представительностью полученного статистического материала; совпадением теоретических и экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1.Люминесцентный метод анализа в диапазоне 362-650 нм позволяет оперативно и достоверно определять биофизиологические параметры качества семян в их естественном и вегетирующем состоянии.

2. Изменения параметров спектральных характеристик люминесценции адекватно (коэффициент детерминации ^>0,8) отображают изменения влажности, всхожести, степени спелости семян, при аппроксимации их линейными регрессионными моделями.

3.Процесс диагностики семян по влажности, всхожести и степени спелости реализуется путём возбуждения люминесценции и регистрации её параметров по разработанным методикам измерения, с учётом установленных аналитических зависимостей с параметрами качества семян.

4. Оптико-электронные устройства, адаптированные под измерения параметров качества семян, включающие источники возбуждения и приемники регистрации люминесценции, выбираемые по максимуму эффективной отдачи излучения, а также усилитель и микроконтроллер, позволяют проводить экспресс-диагностику в лабораторных, полевых и производственных условиях и устанавливают алгоритмы принятия решений по дальнейшим действиям с семенами.

Реализация и внедрение результатов исследования

В научно-исследовательскую и производственную практику внедрены следующие результаты диссертационной работы:

1. Методика измерения спектров возбуждения и регистрации люминесценции семян агрокультур на основе современного отечественного спектрофлуориметра.

2. Результаты измерения типовых спектральных характеристик возбуждения и люминесценции посевного материала для широкого ассортимента сельскохозяйственных культур.

3. Адаптированные под биофизиологические параметры методики диагностики качества семян, основанные на количественном анализе потока фотолюминесцентного излучения.

4. Основные принципы построения и конструкторская документация оптико-электронных анализаторов фотолюминесценции.

Практическое применение выполненных научно-технических разработок подтверждается актами внедрения методик и результатов от Открытого акционерного общества «Ростовский оптико-механический завод», Общества с ограниченной ответственностью «Люмэкс-маркетинг», Общества с ограниченной ответственностью «Смоленсктест», Открытого акционерного общества «Регион», ИП Данилов В. Г., СПК «Нива» (Приложение А), ФГБОУ ВО «Смоленская государственная сельскохозяйственная академия», ФГБОУ ВО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия», ГБОУ ВО «Нижегородский инженерно-экономический университет» (Приложение Б). Получен патент РФ на полезную модель и свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ (Приложение В).

Апробация полученных результатов и практической ценности исследований. Основные положения и результаты работы представлены на заседаниях ученых советов и теоретических семинарах филиала федерального государственного бюджетного учреждения высшего образования «Национальный

исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске (2010, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017), а также на научно-технической конференции «Информационные технологии, энергетика и экономика» (Смоленск, Смоленский филиал НИУ «МЭИ», 2004), международной научно-практической конференции «Наука - сельскохозяйственному производству и образованию» (Смоленск, ФГОУ ВПО "Смоленский сельскохозяйственный институт", 2004), XI Российской конференции по теплофизический свойствам веществ (С-Петербург, СПб ГУНиПТ, 2005), Конкурсе молодых учёных Смоленской области (Смоленск, 2006), IV Международной научно-технической конференции «Энергетика, информатика, инновации - 2014» (Смоленск, Смоленский филиал НИУ «МЭИ», 2014), VII Conference «Fundamental science and technology-promising developments» (North Charleston, USA, 2015), V Международной научно-технической конференции «Энергетика, информатика, инновации - 2015» (Смоленск, Смоленский филиал НИУ «МЭИ», 2015), VI Международной научно-практической конференции «Здоровое питание как основа национальной безопасности страны» (Смоленск, Смоленский гуманитарный университет, 2015), X International scientific and practical conference «International scientific review of the problems and prospects of modern science and education» (Boston, USA, 2016), XII International scientific and practical conference «Science with out borders» (Sheffield, UK, 2016), XIII International scientific and practical conference «International scientific review of the problems and prospects of modern science and education» (Chicago, USA, 2016), IX Conference «Academic science - problems and achievements» (North Charleston, USA, 2016), XIX International Scientific and Practical Conference «International Scientific Review of the Problems and Prospects of Modern Science and Education» (New York, USA, 2016), VI Международной научно-технической конференции «Энергетика, информатика, инновации - 2016» (Смоленск, Смоленский филиал НИУ «МЭИ», 2016), 7-й Международной научно-технической конференции молодых учёных и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве», посвящённой 100-летию со дня рождения профессора А. В. Демина (Москва, ФГБНУ ВИЭСХ, 2016), XXXIII International scientific and

practical conference «International scientific review of the problems and prospects of modern science and education» (Boston, USA, 2017), XII Conference «21 century: fundamental science and technology» (North Charleston, USA, 2017), X Международной научно-практической конференции «European research» (Пенза, 2017), XI Международной научно-практической конференции World science: Problems and Innovations (Пенза, 2017), XII Conference «Fundamental and applied sciences today» (North Charleston, USA, 2017), X международной научно-практической конференции «Научные тенденции: Вопросы точных и технических наук» (Санкт-Петербург., 2017), XIII International scientific-practical conference «The Strategies of Modern Science Development» (North Charleston, USA, 2017), VII Международной научно-технической конференции «Энергетика, информатика, инновации - 2017» (Смоленск, Смоленский филиал НИУ «МЭИ», 2017), XVI International scientific conference "The priorities of the world science: experiments and scientific debate" (North Charleston, USA, 2017), Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные машинные технологии и техника в сельском хозяйстве» (Москва, ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2017), Национальной научно-практической конференции «Наука, образование и инновации в современном мире» (Воронеж, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», 2018), XVII Международной научно-практической конференции « Современные технологии: Актуальные вопросы, достижения и инновации» (Пенза, 2018), VIII Международной научно-технической конференции «Энергетика, информатика, инновации - 2018» (Смоленск, Смоленский филиал НИУ «МЭИ», 2018), XV международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной науки» (Томск, 2018), Международной научной конференции «Агробиофизика в органическом сельском хозяйстве», посвященной 80-летию со дня рождения Гордеева А. М. (Смоленск, Смоленская ГСХА, 2019), Международной научно-практической конференции «Инженерное обеспечение и технический сервис в АПК», посвященной 80-летию Сергеева Ю. А. (Улан-Удэ, БГСХА им. В. Р. Филиппова, 2019), Международной научно-технической

конференции «Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства» (Москва, ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 2019).

Личный вклад соискателя в разработку научных результатов, представленных в диссертации. Формулировка рабочих гипотез, постановка задачи и планирование экспериментов проведены лично соискателем. Экспериментальные исследования выполнены самостоятельно или под его руководством или при активном участии. Анализ полученных результатов, формулировка положений и выводов диссертации, обоснование представленной концепции также сделаны лично соискателем. Более половины опубликованных научных работ написаны лично соискателем, в остальных - доля его творческого вклада превышает 30 %. Решение отдельных задач по теме диссертационной работы проводилось с участием д. т. н., профессора С. И. Зиенко, к. т. н., доцента В. А. Гавриленкова, к. т. н., доцента М. Г. Куликовой, к. с-х. н. А. А. Гомонова, к. т. н. В. А. Чернова, старшего преподавателя Е. И. Выборновой, старшего преподавателя Л. А. Березниковой, старших преподавателей М. А. Кислякова, В.

A. Смолина, ассистента В.В. Малышкина, ассистента М. А. Новиковой, студентов Д. В. Федорова, К. А. Волковой, Д. О. Нурпеисовой, Н. Н. Слюсара, Д. А. Харитоновой, М. Е. Кондрашовой, И. В. Артюхова, О. В. Максименковой, Л. А. Кривцовой, В. Г. Чулаковой, А. С. Снигирева, К. Н. Радаева, В. О. Булатиковой,

B. В. Дымковой, А. Г. Дымниковой, В. В. Ивановой, А. В. Камарчук, А. Д. Капралова, М. Д. Самарина, О. Лебеденко, Д. С. Бычкова, В. В. Рязанова, И. Ю. Ефременкова, а также Т. П. Титовой, Н. С. Гобунова и отражено в совместных публикациях.

Соискатель выражает искреннюю признательность своему научному консультанту доктору технических наук, профессору А. М. Башилову за ценные рекомендации, многолетнее внимание и поддержку. Публикации

По теме диссертационных исследований опубликовано 99 научных работ, включая пять монографий, 1 патент, свидетельство о госрегистрации программы

для ЭВМ, 17 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, и приравненных к ним. Объём всех публикаций по теме исследований превышает 50 печатных листов.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 412 страницах, включая 236 рисунков и 105 таблиц. Перечень цитируемых источников информации включает 379 наименований, из них 104 - на иностранных языках.

ГЛАВА 1 ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ

СЕМЯН РАСТЕНИЙ

1.1 Семена растений как объект исследования

Семя - орган размножения и расселения большинства сельскохозяйственных растений - представляет собой многоклеточную структуру, объединяющую запасающую ткань, зачаточное дочернее растение (зародыш) и специальный защитный покров. Зрелые семена различают по форме, величине, структуре поверхности, окраске, а также по внутреннему строению. Форма и поверхность семян могут быть совершенно разнообразными.

В зрелом семени различают семенную кожуру, питательную ткань (перисперм или эндосперм) и зародыш. Кожура семени образуется из покровов семяпочки, служит для защиты зародыша от высыхания или преждевременного насыщения влагой тканей семени и часто содействует расселению. При развитии двойного покрова в семенной кожуре часто различают наружную и внутреннюю семенные оболочки; при одном покрове или разрушении второго в процессе развития семян она одинарная, но состоит обычно из нескольких слоев клеток. Твёрдость кожуры повышается вследствие склерификации тканей.

Согласно ГОСТ Р 52325-2005 [118], семена сельскохозяйственных культур классифицируются на:

1. Зерновые;

2. Зернобобовые;

3. Масличные и эфиромасличные;

4. Технические;

5. Кормовые и медоносные.

Морфологическое и анатомическое строение зерна злаковых практически одинаково, за исключением некоторых особенностей. Зерновка пшеницы состоит из трёх основных частей (рисунок 1.1 [140]) - зародыша, эндосперма и оболочек, которые имеют различное биологическое назначение. Из зародыша при

соответствующих биологических условиях развивается растение. В нижней части зародыша расположен его зародышевый корешок, а в верхней части -зародышевая почечка. Часть зародыша, плотно прилегающая к эндосперму, -щиток, который и служит для передачи питательных веществ из эндосперма в зародыш при прорастании зерна.

Эндоспермом (мучнистым ядром) называется внутренняя часть зерновки. Эндосперм содержит запасные питательные вещества, необходимые для развития из зародыша молодого растения. В нём различают периферический слой, прилегающей к семенной оболочке и состоящий из резко очерченных, крупных клеток с сильно утолщёнными стенками. Этот слой называют алейроновым. Клетки алейронового слоя наполнены белковыми веществами и богаты жиром, его называют жировым слоем. Алейроновый слой у одних культур (пшеницы, рожь, овёс) состоит из одного ряда, у других (ячмень) - из нескольких рядов клеток.

11

Рисунок 1.1 - Продольный разрез зерна пшеницы: 1 - зачаточный корешок; 2 - почечка; 3 - зародыш; 4 - щиток; 5 - эндосперм; 6 - алейроновый слой; 7, 8, 9, 11 - оболочки (плодовые

и семенные); 10 - бородка [140]

Расположенные под алейроновым слоем крупные тонкостенные клетки разнообразной формы занимают всю внутреннюю часть эндосперма. Эти клетки заполнены крахмальными зёрнами различной величины, в промежутках между ними находятся белковые вещества.

Оболочки защищают семя от воздействия внешней среды. Оболочки делятся на плодовую (околоплодник) и семенную. Плодовая оболочка состоит из трёх слоёв клеток: продольного, поперечного и трубчатого. Семенная оболочка (перисперм) также состоит из трёх слоёв клеток. Первый слой - из прозрачных клеток; второй содержит красящие вещества, придающие окраску всему зерну и называемый пигментным; третий - из непрозрачных набухающих клеток (гиалиновый).

Толщина оболочек изменяется в зависимости от вида, сорта и, особенно, от условий произрастания. Толщина оболочек у мягких пшениц меньше (около 55 мкм), чем у твердых (около 60 мкм). Мягкие и твердые пшеницы различаются не только толщиной оболочек, но и их строением.

Характерная особенность семян бобовых культур, играющая немаловажную роль при хранении, - наличие плотной кожуры (семенной оболочки), снаружи покрытой кутикулой - сплошной тонкой пленкой, состоящей из кутина, не пропускающей ни воду, ни газы.

Бобовые культуры относятся к двудольным растениям. Семена бобовых растений не имеют запасной питательной ткани (эндосперма), характерной для злаковых. Запасные питательные вещества, необходимые для прорастания и первоначального роста, отложены в их зародыше и семядолях (рисунок 1.2 [140]). Внутренние части семян защищает плотная кожура (семенная оболочка), снаружи покрытая кутикулой - сплошной тонкой плёнкой, состоящей из кутина -вещества, не пропускающего ни воду, ни газы. Под кожурой находится зародыш семени. Он состоит из двух семядолей (первые листья), прикреплённых к укороченному стеблю. Верхняя часть стебля переходит в почечку, состоящую из зачаточных листьев, а нижняя часть заканчивается зачаточным корнем. Бобовые

отличаются высоким содержанием белка - 25-29%. В отдельных культурах его содержится больше, так, в сое - до 50%, горохе и чечевице - до 35%.

Рисунок 1.2 - Морфологическое строение фасоли: а - вид сбоку; б - вид со стороны рубчика; в - семя, разделённое на две семядоли; 1 - рубчик; 2 - семявход; 3 - почка; 4 - стебель;

5 - корень; 6 - семядоля [140]

Окраска семян зависит от цвета семядолей, просвечивающих через бесцветную семенную оболочку. Цвет семян может быть белым, желтым, зеленым, коричневым, бурым.

Диаметр семян колеблется от 3,5 до 10,5 мм, эти вариации можно уложить в три группы: мелкие семена - от 3,5 до 5 мм; средние семена - от 5 до 7 мм; крупные семена - от 7 мм.

Масличные культуры (подсолнечник, клещевина, кунжут, горчица, рыжик, лен, мак, ране, и др.), в отличие от злаковых и бобовых, состоят из представителей различных семейств. Поэтому затруднительно дать общую характеристику всей группы масличных.

Анатомические строение у масличных культур различно. Семена одних покрыты плодовой, других - семенной оболочкой. Под семенной оболочкой находится тонкий слой эндосперма, который покрывает зародыш. Зародыш состоит из двух семядолей. Между семядолями, в одном их конце находятся стебелек и корень. У семян подсолнечника (рисунок 1.3[140]) зародыш сильно развит и занимает основной объем семени; эндосперм состоит из одного ряда клеток.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Беляков Михаил Владимирович, 2021 год

Источник

питания

Рисунок 5.46 - Структурная схема оптико-электронного устройства для определения спелости

семян

Условно данную структурную схему можно разделить на светооптический блок и электронный блок. Светооптический блок состоит из осветительной части (источниками излучения служат светодиоды) и фотоприемного устройства (в качестве фотоприёмников используются фотодиоды). В свою очередь электронный блок состоит из усилителя сигнала, микроконтроллера, который по заданному алгоритму производит обработку информации, и индикатора, служащего для визуализации полученных данных.

Разрабатываемый прибор для определения спелости семян фактически является однокамерным и представляет собой устройство, заключённое в прямоугольный корпус, на внутреннюю поверхность которого наносится черное неотражающее покрытие. Функциональная схема прибора представлена на рисунке 5.47.

Рисунок 5.47 - Функциональная схема устройства определения степени спелости семян: 1 - исследуемый материал; 2 - источник излучения; 3 - приемник излучения; 4 - усилитель аналогового сигнала; 5 - микроконтроллер; 6 - устройство визуализации; 7 - корпус прибора;

8 - элемент питания; 9 - система управления.

Предложенная функциональная схема имеет ряд достоинств, в числе которых отсутствие оптических компонентов (линз, коллиматоров, плоских зеркал), вследствие чего отпадает необходимость в юстировке. Также достоинствами этой схемы является компактность, малая масса, стоимость, простота настройки и использования прибора.

Исследуемые образцы сельскохозяйственных культур выкладываются на специальном столике и освещаются светодиодами 2, длина волны которых подобрана с учетом проделанных ранее экспериментов, сигнал поступает на фотоприемник 3, после чего он усиливается усилителем аналогового сигнала 4 и начинается обработка данного сигнала на запрограммированном микроконтроллере 5. Полученный результат с помощью устройства визуализации 6 поступает уже непосредственно оператору.

Для разрабатываемого прибора важно, чтобы было как можно меньше навесных элементов, так как прибор планируется использоваться для экспресс-анализа, следовательно, он должен быть, легким для переноски, компактным и простым в эксплуатации. На основе выше представленных структурной и функциональных схем была разработана принципиальная электрическая схема, которая представлена на рисунке 5.48.

Рисунок 5.48 - Электрическая принципиальная схема устройства анализа спелости Элементная база, выбранная исходя из требований к электрической схеме, а также люминесцентных свойств покровной ткани семян кормовых растений, разрабатываемого прибора представлена в таблице 5.15. Обоснование выбора данных элементов приведено далее.

Предложенная электрическая принципиальная схема включает в себя два независимых функциональных каскада. Общее напряжение электрической цепи однополярное величиной +5 В. Питание осуществляется с помощью батарейки типа «крона» на 9 В и стабилизатора DA1, понижающего напряжение до 5 В. Конденсаторы C1 и C2 необходимы для стабилизации и избегания скачков

напряжения. Включение прибора организовано ключом SB1. Индикация напряжения в схеме прибора осуществляется с помощью светодиода VD1.

Таблица 5.15 - Элементная база устройства анализа спелости

Тип элемента схемы прибора Выбранное устройство

Источник излучения Светодиоды: VLMU3510-365-130; L1CU-BLU1000000000; GNL-3014BGC (индикатор питания).

Приемник излучения Фотодиоды: S7686; VEMD5510CF.

Микроконтроллер ATMEGA 328P

Дисплей LCD 1602

Операционный усилитель AD820ANZ

Кварцевый резонатор HC-49S 16 МГц

Ключ SN74LVC1G3157

Переменные резисторы 16K1 KC 20, кОм 16K1-A1K, L20KC, 1 кОм

Резисторы RC0402FR-0739KL, 39кОм 3006P-1-103LF, 10 кОм CCF601K00FKE36 1,5 кОм RC0402FR-07120RL, 120 Ом

Конденсаторы C330C105M5U5TA 1 мкФ К73-17 имп, 0,022 мкФ 0603 X7R 100нФ К73-17, 330 нФ

Первый функциональный блок состоит из двухпозиционных аналоговых переключателей DD1 и DD2, которые служат для организации импульсного питания светодиодов, и светоизлучающих диодов VD4 и VD5, включенных по классической схеме с токоограничивающими резисторами R7 и R8. Для разделения приёма коротковолнового и длинноволнового фотосигналов используется временная задержка включения источников и приёмников, осуществляемая через микроконтроллер. Время между импульсами составляет 0,75 мс. Светодиоды предназначены для возбуждения поверхности посевного материала источником излучения требуемого диапазона.

Предназначение второго каскада заключается в приеме и обработке величины потока фотолюминесценции поверхности семян растений. Он состоит из фотодиодов VD2 и VD3, операционного усилителя DA2 и DA3, на входы Vcc и GND которого дополнительно параллельно подключены три конденсатора разных типов, электролитический, керамический, пленочный, для обеспечения лучшей помехозащищенности. Установка нуля на операционном усилителе осуществляется с помощью подстроечного резистора R13 и микроконтроллера DD3, на котором для удобства измерений реализована функция сброса через кнопку SB2. Фотодиод работает в вентильном режиме.

Обработанная информация поступает на устройство визуализации - экран XS2. Настройка яркости экрана осуществляется подстроечным резистором R14.

Главным критерием выбора источника излучения является соответствие спектра его излучения спектру чувствительности семян - спектру возбуждения люминесценции Пэ(^). При этом получается максимальный КПД источника. Однако, при создании прибора и его макета необходимо, чтобы диапазоны излучения источника и чувствительности приемника не перекрывались.

Семена должны облучаться двумя источниками излучения спектры излучения которых имеют максимумы на длинах волн Хк=362 нм и Хд=485 нм (или максимально близкие к ним) для возбуждения фотолюминесценции.

Наиболее подходящими источниками излучения с максимумом на длине волны 362 нм для данного прибора оказались светодиоды VLMU3510-365-130 производства фирмы Vishay, BL-L522VC производства фирмы Betlux Electronics, LEUVS33G10TZ00 и LEUVS51N70RV00 производства фирмы Laser Components.

Наиболее важными являются такие параметры как: длина волны Хмакс нм, угол расхождения ф°, мощность излучения.

Если судить по мощности излучения, то максимальная у светодиода VLMU3510-365-130 изготовителя Vishay, что является достаточным для разрабатываемого прибора. Светодиод производства Laser Components имеет слишком малую мощность излучения. По длине волны наиболее подходящими являются светодиоды VLMU3510-365-130 изготовителя Vishay и

LEUVS51N70RV00 изготовителя Laser Components, но у светодиода VLMU3510-365-130 изготовителя Vishay угол расхождения больше на 10°.

Можно сделать вывод, что наиболее подходящим является светодиод VLMU3510-365-130 изготовителя Vishay, так как имеет необходимую мощность, длину волны и угол расхождения.

Рассчитаем эффективную отдачу возбуждения для светодиодов коротковолновой области спектра по формуле (3.51). В результате расчета получили следующие коэффициенты эффективной отдачи: £э.в.к.1=0,73, kэ.в.к.2= 0,24, £э.в.к.3=0,41, kэ.в.к.4=0,77.

По результатам расчета коэффициента эффективной отдачи наиболее подходящими являются светодиоды VLMU3510-365-130 и LEUVS51N70RV00. Но второй светодиод, которые имеет коэффициент отдачи немного больше уступает первому светодиоду по мощности излучения. Максимальная у светодиода VLMU3510-365-130 изготовителя Vishay, что является достаточным для разрабатываемого прибора. Светодиод производства Laser Components имеет слишком малую мощность излучения. По длине волны наиболее подходящими являются светодиоды VLMU3510-365-130 изготовителя Vishay и LEUVS51N70RV00 изготовителя Laser Components, но у светодиода VLMU3510-365-130 изготовителя Vishay угол расхождения больше на 10°.

Можно сделать вывод, что наиболее подходящим является светодиод VLMU3510-365-130 изготовителя Vishay, так как имеет необходимую мощность, длину волны и угол расхождения. Внешний вид светодиода представлен на рисунке 5.49 [63].

-yr—

Vj/

Рисунок 5.49 - Внешний вид светодиода VLMU3510-365-130 [63]

Эксплуатационные параметры светодиода ^МШ510-365-130 представлены в таблице 5.16 [63].

Таблица 5.16 - Эксплуатационные параметры светодиода УЬМШ510-365-130 [63]_

Параметры Номинальные значения

Прямой управляющий ток, мА 500

Прямое напряжения, В 4

Мощность излучения, Вт 0,95

Рабочая температура, оС от -40 до +85

Угол расхождения, ф° 130

Цвет свечения ультрафиолет

Длина волны 362,5 (минимальное значение)

370 (максимальное значение)

Наиболее подходящими источниками излучения с максимумом на длине волны 485 нм для данного прибора оказались светодиоды XQEBLU-H0-0000-000000Z01 производства фирмы Cree Inc., L1CU-BLU1000000000 и L1CU-CYN1000000000 производства фирмы Lumileds, NSPE510S производства фирмы Nichia Corporation. В результате расчета получили следующие коэффициенты эффективной отдачи: &э.в.дл=0,59, &э.в.д.2=0,82, &э.в.д.3=0,69, &э.в.д.4=0,77.

По результатам расчета коэффициента эффективной отдачи наиболее подходящим являются светодиод L1CU-BLU1000000000 производства фирмы Cree Inc. Данный светодиод имеет угол расхождения 120°, подходящую мощность излучения и подходящую длину волны. Светодиоды L1CU-CYN1000000000 производства фирмы Lumileds и NSPE510S производства фирмы Nichia Corporation имееют неподходящую длину волны.

Внешний вид светодиода L1CU-BLU1000000000, размеры светодиода и распределение светового потока представим на рисунке 5.50 [63]. Эксплуатационные параметры светодиода L1CU-BLU1000000000 представим в таблице 5.17 [63].

Рисунок 5.50 - Внешний вид светодиода L1CU-BLU10000000 [63]

Таблица 5.17 - Эксплуатационные параметры светодиода L1CU-BLU1000000 [63]

Параметры Номинальные значения

Прямой управляющий ток, мА 350

Падение прямого напряжения, В 3,1

Мощность излучения, Вт 0,25

Номинальная мощность, В 3

Максимальная рабочая температура, оС 150

Угол расхождения, ф° 120

Цвет свечения голубой

Световой поток, лм 35,2

Длина волны 445 (минимальное значение)

580 (максимальное значение)

Главным критерием выбора приёмника излучения является согласование спектров чувствительности приемника со спектром фотолюминесценции исследуемых объектов.

Для фотоприемника, как и для источника излучения были установлены свои параметры. Диапазон для первого фотоприемника - 380 - 580 нм, для второго -510 - 650 нм. Главным критерием выбора приемника излучения является согласование спектра чувствительности приемника со спектром фотолюминесценции исследуемых объектов.

Наиболее подходящими приемниками излучения с диапазоном длин волн 380-580 нм данного прибора оказались фотодиоды S7686, S9219 и S9219-01 производства фирмы Hamamatsu, SFH 229 производства фирмы Osram.

Рассчитаем эффективную отдачу люминесценции для фотодиодов коротковолновой области спектра по формуле (3.51).

В результате расчета получены следующие значения эффективной отдачи: для фотодиода S7686 0,25; для фотодиода S9219 и S9219-01 ^=0,39; для фотодиода SFH 229 0,37. Полученные значения гораздо меньше единицы, так как не удалось найти фотодиод со спектральной чувствительностью близкой к 380-580 нм, поэтому были подобраны фотодиоды с более широкой чувствительностью в длинной области спектра. Наиболее узкую полосу чувствительность имеет фотодиод S7686 производства фирмы Hamamatsu, при этом пик чувствительности приходится на 550 нм, что соответствует

необходимому диапазону для данного прибора.

Таким образом, фотодиод S7686 производства фирмы Hamamatsu является наиболее подходящим для использования его в качестве приёмника излучения в разрабатываемом приборе. Внешний вид данного фотодиода представлен на рисунке 5.51 [180], а основные параметры сведены в таблицу 5.18 [180]. Таблица 5.18 - Основные параметры фотодиода 87686 при T = 25°С [180]

Параметры Номинальные значения

Обратное напряжение, В 10

Ток короткого замыкания, мА 0,45

Темновой ток, мА 20

Светочувствительность, А/Вт 0,22

Длинна волны наибольшей чувствительности Хмакс, нм 550

Спектральный диапазон нм от 380 до 780

Время нарастания мкс 0,5

Рабочая температура, °С от -10 до +70

о

О

Рисунок 5.51 - Внешний вид фотодиода 87686 производства фирмы Нашаша1Би [180]

Наиболее подходящими приемниками излучения с диапазоном длин волн 510-650 нм данного прибора оказались фотодиоды SFH 2711 производства фирмы Osram, BPW21R, BPW46, VEMD5510CF производства фирмы Vishay.

Рассчитаем эффективную отдачу излучения по формуле (3.67). В качестве источника излучения примем типовую кривую люминесценции семян пшеницы и овса, а в качестве приёмника излучения выберем фотодиод.

В результате расчета получены следующие значения эффективной отдачи: для фотодиода SFH 2711 производства фирмы Osram 0,72; для фотодиода BPW21R производства фирмы Vishay ^=0,64; для фотодиода BPW46 производства фирмы Vishay 0,39; для фотодиода VEMD5510CF производства фирмы Vishay ^= 0,88.

Таким образом, фотодиод VEMD5510CF производства фирмы Vishay является наиболее подходящим для использования его в качестве приёмника излучения в разрабатываемом приборе. Внешний вид данного фотодиода представлен на рисунке 5.52 [180], а основные параметры сведены в таблицу 5.19 [180].

Рисунок 5.52 - Внешний вид фотодиода VEMD5510CF [180]

Таблица 5.19 - Основные характеристики фотодиода VEMD5510CF при Т = 25°С [180]

Параметры Номинальные значения

Обратное напряжение В 20

Темновой обратный ток 1го, нА 0,2

Темновое сопротивление RD, Ом 38

Угол половинной чувствительности, ° ±65

Длинна волны наибольшей чувствительности Хмакс, нм 540

Диапазон спектральной полосы пропускания ^0,5, нм от 400 до 700

Время нарастания мкс 7,1

Время спада мкс 7,0

Необходимо учесть, что аналоговый сигнал с фотодиодов будет достаточно слабым, и для его усиления потребуется операционный усилитель. В качестве операционного усилителя выберем AD820ANZ.

В качестве микроконтроллера (МК) выбран ATmega328Р. Выберем импульсный кварцевый резонатор HC-49S частотой 16 МГц. Резонатор подключается к выводам РВ6 и РВ7 микроконтроллера ATMEGA 328Р.

В качестве аналогового переключателя выберем одноканальный двухпозиционный SN74LVC1G3157DBVR переключатель. SN74LVC1G3157 может обрабатывать как аналоговые, так и цифровые сигналы.

В качестве стабилизатора выбран линейный стабилизатор напряжения L7805. Интегральный стабилизатор L7805 CV -трехвыводной стабилизатор

положительного напряжения на 5В. Выпускается фирмой STMircoelectronics. Выполнен в стандартном корпусе TO-220.

В качестве устройства визуализации выберем экран LCD 1602, которым комплектуется микроконтроллер ATmega 328P. Данный имеет достаточное количество знакомест и прост в обслуживании.

Корпус будет состоять из нескольких деталей с целью удобного монтажа и быстрого ремонта при дальнейшей эксплуатации прибора: камера, крышка прибора, крепление для платы и ручка прибора. Эти детали изготавливаются из прочного пластика полиамида П-12Б ТУ6-05-145-72 методом литья. Также возможен вариант их изготовления с помощью 3D-принтера.

Для данного прибора были разработаны 4 отдельные детали: ручка прибора, камера, крепежи для платы и крышка прибора.

Внешний вид прибора в разрезе представлен на рисунке 5.53.

nuyyyyyyyy V У У У 1 1У 1 1У У У У У III

ЦХАХАХАХ1 1 Л X Л XI И К А X Л >2u mil: у Ш I -

Рисунок 5.53 - Внешний вид устройства контроля спелости (в разрезе)

На рисунках 5.54 и 5.55 представлена макетная плата с фотодиодом для коротковолновой области. В качестве фотодиода был использован SFH 229 производства фирмы Osram.

Рисунок 5.54 - Макетная плата с фотодиодом коротковолновой области спектра

Рисунок 5.55 - Макетная плата устройства контроля спелости Выводы по главе 5.

1. Для реализации технологических процессов экспресс-диагностики всхожести и влажности семян разработано устройство, в котором в качестве источника излучения выбран светодиод BIVAR иУ57Т-390-30 с углом расхождения 30° и потоком излучения 10-20 мВт. Он применяется вместе с отрезающим светофильтром типа УФС1, либо специально рассчитанным интерференционным. Излучение фокусируется отражающим эллипсоидом с эксцентриситетом е=0,7 и фокусным расстоянием 15,3 мм. Оптимальный диаметр отверстия равен 50 мм. Приёмником излучения является фотодиод BPW21R. Выбраны усилитель LMH6624 и микроконтроллер ATMEGA16.

Разработаны эргономичный корпус прибора с ручкой для переноса и органы управления и индикации.

2. При проектировании устройства экспресс-диагностики качества скарификации использовали фотодиод BPW21R. Выбрали источник излучения - светодиод 150353BS74500. Электрическая принципиальная схема включает в себя два независимых функциональных блока. Первый функциональный блок состоит из двухпозиционных аналоговых переключателей, которые служат для организации импульсного питания светодиодов. Предназначение второго блока заключается в приеме и обработке величины потока фотолюминесценции. Обработанная информация поступает на устройство визуализации - дисплей LCD1602. Преобразование аналогового сигнала в цифровой происходит на микроконтроллере ATMEGA 328P.

3. Для объективного контроля спелости семян в процессе созревания разработано устройство, в котором в качестве источников излучения выбраны два светодиода. Для коротковолнового излучения выбран светодиод VLMU3510 с длиной волны 365 нм (k3=77,8%). Для длинноволнового излучения выбран светодиод L1CU-BLU с длиной волны 470 нм (k3=82,0%). В качестве приемников излучения наиболее подходящими являются фотодиоды: S7686 (k3=25,3%); фотодиод VEMD5510CF (k3=88,2%). Выбраны компоненты электронного блока: операционный усилитель AD820ANZ; микроконтроллер ATMEGA8 и дисплей LCD 1602.

ГЛАВА 6 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ УСТРОЙСТВ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ПОСЕВНОГО

МАТЕРИАЛА

6.1 Определение расчётной надёжности оптико-электронного устройства люминесцентного анализа качества семян

Надежность работы устройств люминесцентной диагностики посевного материала определяет, в конечном счёте, эффективность их практического применения. В качестве показателей надежности выбраны среднее время безотказной работы и вероятность безотказной работы в течение годичной эксплуатации устройства.

Расчет надежности был проведен по методическим рекомендациям [86, 177] аналогично [92] в предположении, что устройство работает в фазе постоянной интенсивности отказов, а распределение отказов от времени наработки Р(^ изменяется по экспоненциальному закону:

Р(^ = е"я , (6.1)

где Ло - интенсивность отказов, 1/ч.

Интенсивность отказов прибора определяли как сумму интенсивностей отказов отдельных его элементов, поскольку отказы различных элементов являются, как правило, независимыми событиями:

т

К =!>э, (6.2)

!=1

где К - интенсивность отказа /-го элемента,1/ч; пэ - число однотипных элементов, т - число групп однотипных элементов. Величины интенсивностей отказов элементов, входящих в состав разработанного оптико-электронного устройства экспресс-диагностики всхожести и влажности семян (таблица 6.1), получены из справочных данных и на сайтах

производителей [147, 252, 254, 267]. По результатам расчёта интенсивность отказа оборудования составила Хо = 8,48 ■ 10 -6 (1/ч).

Из таблицы интенсивности отказов видно, что наиболее ненадежными элементами конструкции являются светодиоды, операционный усилитель, микроконтроллер, резонатор и стабилизатор напряжения. С целью уменьшения времени предполагаемого ремонта, в конструкции предусмотрена возможность быстрой замены данных элементов.

Планируемый срок эксплуатации устройства составляет три года. При коэффициенте использования рабочего времени 0,5 наработка за этот срок составит около 3600 часов.

Тогда, по формуле (6.1), рассчитанная вероятность надёжного функционирования оборудования в течение запланированного времени работы приблизительно равна 0,97.

Таблица 6.1 - Интенсивность отказов элементов, входящих в состав люминесцентного анализатора показателей качества посевного материала [147, 252, 254, 267]_

№ Элементы Кол-во, шт Интенсивность отказов Х10-6, ч-1

для 1 шт для всех

1 Светодиод BIVAR UV5TZ.390.30 6 0,50 3,00

2 Фотодиод BPW21R 1 0,10 0,10

3 Операционный усилитель LMH6624 1 0,50 0,50

4 Микроконтроллер ATMega16 1 0,50 0,50

5 Резонатор HC-49SM 1 0,25 0,25

6 STU LM1084 1 0,25 0,25

7 Индикатор BA56-12SGWA 1 0,005 0,005

8 Выключатель клавишный KCD1-11000111ВВА 1 0,25 0,25

9 Переключатель сдвиговый К-2336 1 0,05 0,05

10 Светодиод 2-5613Ц№С^ 1 0,50 0,50

11 Диод ШотткиВАТ60А 1 0,20 0,20

12 Конденсатор 9 0,07 0,63

13 Резистор постоянный 20 0,02 0,40

14 Соединения пайкой 38 0,05 1,90

Итого: 8,5

Среднее время работы прибора до отказа можно определить по формуле:

Т = 1/Ко. (6.3)

Т =-1—- = 117647,1 (ч).

8,5 • 10 "6

Таким образом, при номинальном режиме эксплуатации разработанное оборудование может работать приблизительно в течение тринадцати лет [61].

Интенсивность отказа оптико-электронного устройства экспресс-диагностики качества скарификации составила К« = 7,53 ■ 10 -6 (1/ч). Среднее время работы прибора до отказа равно 132802 часа, т. е. при номинальном режиме эксплуатации разработанное оборудование может работать приблизительно в течение пятнадцати лет.

Аналогичные расчёты были проведены для устройства экспресс-диагностики степени спелости семян. Интенсивность отказа оборудования составила 11,4610 -6(1/ч). Среднее время работы прибора до отказа составило 87260 часов. При номинальном режиме эксплуатации разработанное оборудование может работать приблизительно в течение десяти лет, что вызвано наличием большего числа светодиодов, являющихся наиболее ненадежными элементами конструкции.

6.2 Планируемые экономические показатели внедрения устройств экспресс-

анализа качества семян

Процесс реализации инновационного проекта по созданию производства приборов включает в себя несколько основных этапов: организация офисной и производственной площадок в рамках Предприятия, на котором будет организовано производство; создание производственных мощностей, пуско-наладочные работы; проведение всех необходимых экспертиз для организациипроизводственного процесса; заключение с поставщиками договоров на поставку необходимого сырья и комплектующих; клиентами - на приобретение люминесцентного анализатораи проведение необходимых

маркетинговых мероприятий для формирования необходимого спроса на предлагаемыйтовар. Инвестиционная стадия реализации проекта, представлена 4 этапами.

Для реализации инновационного проекта планируется использовать собственный капитал учредителей Предприятия. Вносимый учредителями инвестиционный капитал составит 3,5 млн руб. на формирование производственного потенциала и 1 млн руб. на обеспечение потребности в собственных оборотных средствах.

Результативность реализации инновационного проекта:

- инновационный проект рассчитан на производство 9600 люминесцентных анализаторов в год при работе технологической линии в одну смену. В случае резкого увеличения спроса на рынке мощность может быть увеличена в 3 раза.

Эффективности инвестиций в проекте составит:

- дисконтированный период окупаемости проекта DBP - 28 месяцев,

- индекс прибыльности PI - 1,88,

- внутренняя норма рентабельности IRR - 76,24%,

- чистый приведенный доход NPV- 3744826 руб.

При этом все финансовые и интегральные показатели инновационного проекта находятся в пределах нормальных значений.

Задачи Предприятия:

1. Провести маркетинговые исследования рынка производства и переработки сельскохозяйственной продукции.

2. Осуществить организационные мероприятия по созданию офисной и производственной площадок в рамках Предприятия.

3. Заключить договоры на выделение необходимых площадей.

4. Осуществить необходимые работы по предприятия энергоснабжения, связи и транспортировке.

5. Приобрести современное оборудование и новейшие технологии для производства люминесцентного анализатора.

6. Провести подбор высококвалифицированного обслуживающего и управляющего персонала предприятия.

7. Обеспечить работников компании достаточно высоким уровнем оплаты труда и полным комплексом социальных гарантий трудовой деятельности.

8. Проводить своевременные и тщательные маркетинговые исследования спроса на инновационную продукцию.

9. Разрабатывать и реализовывать комплекс маркетинговых мероприятий ежеквартально в течение всего проекта.

10. Поддерживать долгосрочное и взаимовыгодное сотрудничество с поставщиками запасных частей и комплектующих.

11. Минимизировать издержки производственной деятельности технологического участка путем введения полной системы контроля на каждой стадии производственного процесса.

Целевой сегмент. В качестве целевого сегмента выступают сельскохозяйственные предприятия и предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции.

Стратегия маркетинга.

При выборе стратегии охвата рынка предприятия необходимо учитывать

следующие факторы:

• Ресурсы компании: предприятие в своей деятельности планирует поддержание тесного сотрудничества с поставщиками современных запасных частей и комплектующих.

• Степень однородности продукции: в инновационном проекте предлагается первая модель люминесцентного анализатора.

• Этап жизненного цикла товара: поскольку, предприятие с инновационной технологией создает, по сути, принципиально новый продукт на региональном рынке, то этап жизненного цикла услуги можно определить как зарождение.

Таким образом, поскольку предприятие в своей деятельности ориентируется на весь рынок, то оно выбирает использование стратегии массового маркетинга,

ориентируясь только сельскохозяйственных производителей и переработчиков сельскохозяйственной продукции.

Составим комплекс маркетинга для люминесцентного анализатора, который состоит из четырех компонент.

1. Услуга. Предприятие производит и реализует инновационный продукт высокого качества на современном инновационном оборудовании.

2. Цена. Цена на люминесцентный анализатор составляет 4100 руб/шт. Бюджет маркетинга составляет 30 000 руб. ежеквартально в течении всего

проекта.

План производства Производственные мощности и их развитие. В дальнейшем производственная мощность технологической линии может быть увеличена либо до 19200 шт., при этом предполагается работа в 2 смены; либо до 28800 шт -работа в 3 смены.

Производственный план. Производственный процесс по производству люминесцентного анализатора представляет собой процесс выполнения определенного вида работ, На основании выявленного объема спроса будет реализован следующий объем производства (таблица 6.2). Причем на производственный процесс не влияет фактор сезонности спроса на услуги Предприятия.

Таблица 6.2 - Планируемый объём производства люминесцентных анализаторов

Год 2019 2020 2021 2022 2023

Количество, шт 5200 9600 9600 9600 9600

Амортизационные затраты, включаемые в себестоимость прибора составят по годам прогнозного периода (таблица 6.3).

Таблица 6.3 - Амортизационные затраты по годам прогнозного периода

Год 2019 2020 2021 2022 2023

Сумма, руб. 79466 119200 119200 119200 119200

Для составления производственного плана для предприятия необходимо рассчитать себестоимость каждого вида услуги (таблица 6.4). Себестоимость

продукта формируется исходя из переменных затрат - необходимых затрат материалов, запасных частей и комплектующих, количества энергоносителей необходимого для выполнения данного вида услуги.

Таблица 6.4 - Удельные переменные издержки

№ Элементы Кол-во, Цена, руб

шт для 1 шт для всех

1 Светодиод BIVARUV5TZ-390-30 6 110 660

2 Фотодиод BPW21R 1 920 920

3 Операционный усилитель LMH6624 1 150 150

4 Микроконтроллер АТМ^а16 1 280 280

5 Резонатор HC-49SM 1 16 16

6 STU LM1084 1 140 140

7 Индикатор BA56-12SGWA 1 210 210

8 Выключатель клавишный KCD1- 1 110 110

11000111ВВА 1

9 Переключатель сдвиговый К-2336 1 3,68 - 4,90 4,1

10 Светодиод выводной 2-5613Ц^^ 1 4,25 4,25

11 Алкалиновая крона VARTA LONGLIFE 1 112 112

12 Диод ШотткиBAT60A 1 7 7

Итого: 2613,35

Таким образом переменные затраты по видам используемых материалов составят в прогнозном периоде (таблица 6.5).

Таблица 6.5 - Удельные переменные издержки, руб.

Элементы 2019 2020 2021 2022 2023

Светодиод BIVARUV5TZ-390-30 590996 1134485 1192879 1255507 1322741

Фотодиод BPW21R 4942879 9488424 9976808 10500602 11062922

Операционный усилитель LMH6624 805904 1547026 1626654 1712055 1803737

Микроконтроллер ATMega16 1504355 2887781 3036420 3195835 3366976

Резонатор HC-49SM 85963 165016 173510 182619 192399

STU LM1084 752177 1443891 1518210 1597918 1683488

Индикатор BA56-12SGWA 1128266 2165836 2277315 2396877 2525232

Выключатель клавишный KCD1-110O0111BBA 3545979 6806913 7157275 7533040 7936444

Переключатель сдвиговый К-2336 22028 42285 44462 46796 49302

Светодиод выводной 2-5613UWC-8cd 22834 43832 46089 48508 51106

Элемент питания 601742 1155112 1214568 1278334 1346791

Диод ШотткиBAT60A 37609 72195 75911 79896 84174

ИТОГО 14040732 26952796 28340101 29827987 31425312

В производственный план включаются затраты на персонал, представленные в таблице 6.6.

Для нового производственного участка планируется привлечь 19человек.

Таблица 6.6 - Штатное расписание и схема выплат заработной платы_

Должность Кол-во Зарплата (руб.) Платежи

Управление

мастер 2 25 000 Ежемесячно, весь период пр-ва

Производство

токарь 5 25 000 Ежемесячно, весь период пр-ва

паяльщик 3 20 000 Ежемесячно, весь период пр-ва

сборщик 4 20 000 Ежемесячно, весь период пр-ва

контролер 3 20 000 Ежемесячно, весь период пр-ва

юстировщик 2 20 000 Ежемесячно, весь период пр-ва

Вспомогательный персонал 3 12000 Ежемесячно, весь период пр-ва

Также для составления производственного плана предприятия потребуется сформировать постоянные затраты деятельности предприятия в прогнозном периоде (в расчете на 1 месяц):

- дополнительные административные затраты составят 25000 руб.;

- дополнительные цеховые затраты составят 50000 руб.;

- дополнительные маркетинговые затраты составят 10000 руб.

Постоянные затраты в прогнозном периоде представлены в таблице 6.7. Таблица 6.7 - Постоянные затраты по годам прогнозного периода

Год 2019 2020 2021 2022 2023

Административные 230215 317792 330878 344775 359545

Цеховые 460430 635584 661756 689550 719090

Маркетинговые 92086 127117 132351 137910 143818

ИТОГО 782731 1080493 1124985 1172235 1222453

На Предприятии используется линейно-функциональная система управления. Реализация инновационного проекта не вызовет ее изменения. Изменяется лишь численность персонала: в системе цехового управления добавляется 2 мастера; в системе производства - 17 рабочих, из них 2 вспомогательный персонал.

Длительность проекта - 5 лет (60 месяцев). Календарный график реализации проекта, состоящий из 26 этапов, представлен на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Календарный график инвестиционной стадии инновационного проекта

Инвестиционная стадия реализации проекта, представлена 4 этапами. Условия финансового планирования в инновационном проекте.

Предприятие использует стандартную систему налогообложения. В деятельности рассматриваемого предприятия льготы по налогообложению не используются (таблица 6.8).

Таблица 6.8 - Налоговое окружение проекта

Название налога База Период Ставка

Налог на прибыль Прибыль Месяц 20 %

НДС Добавочная стоимость Месяц 18 %

Налог на имущество Имущество Квартал 2,2 %

ЕСН Зарплата Месяц 34 %

Инвестиционные затраты в проекте представлены в таблице 6.9.

Таблица 6.9 - Инвестиционные затраты по месяцам, руб.

Янв 2021 Фев 2021 Мар 2021

Маркетинговые исследования рынка сбыта 50000

Приобретение оборудования, установка, 993333 993333 993333

наладка и запуск

Закупка сырья и материалов для запуска пробной партии 450000

Рыночное тестирование изделия 20000

ИТОГО 1043333 993333 1463333

Таким образом суммарные инвестиционные затраты составляют 3,5 млн руб. Структура инвестиционного капитала - 100% собственный капитал. В рамках учетной политики Предприятия предусматривается:

- линейная амортизация;

- метод учета материальных затрат - FIFO;

- формирования резервного фонда в размере 5% чистой прибыли.

Итоговые документы - результаты финансового планирования в

прогнозном периоде представлены: баланс инновационного проекта (таблица 6.10); отчет о прибылях и убытках проекта (таблица 6.11); денежный поток проекта (таблица 6.12); финансовые показатели проекта (таблица 6.13).

Анализируя полученные результаты можно отметить:

- валюта баланса к концу проекта выросла более чем в 3 раза, причем за счет использования собственного капитала;

- в структуре активов баланса превалирует доля денежных средств, так как в данном случае, проект рассматривается как генератор денежной массы, и использование свободных денежных средств на возмещение инвестиций и бонусы собственникам предприятия не рассматриваются, как не рассматривается и дальнейшие реинвестиции в организацию, с точки зрения роста ее производственного и рыночного потенциала;

- чистая прибыль устойчиво растет, и в 2022 году превышает целевой показатель в 3 млн. руб.;

- аккумулированный денежный поток растет, и в 2024 году превышает целевой показатель в 15 млн. руб.;

- по результатам анализа показателей финансового состояния предприятия можно сказать, что баланс предприятия - ликвиден, организация -платежеспособна, рентабельна и инвестиционно привлекательна для внешних инвесторов.

Таблица 6.10 - Баланс инновационного проекта, руб.

Показатель 2021 2022 2023 2024 2025

1 2 3 4 5 6

Денежные средства 1664338 4979764 8278338 11645172 15076362

Краткосрочные предоплаченные расходы

Суммарные текущие активы 1664338 4979764 8278338 11645172 15076362

Основные средства 2980000 2980000 2980000 2980000 2980000

Накопленная амортизация 79467 198667 317867 437067 556267

Остаточная стоимость основных средств: 2900533 2781333 2662133 2542933 2423733

Продолжение таблицы 6.10

1 2 3 4 5 6

Оборудование 2900533 2781333 2662133 2542933 2423733

Инвестиции в основные фонды

СУММАРНЫЙ актив 4564872 7761097 10940472 14188105 17500095

Отсроченные налоговые платежи 186262 254610 259117 263587 267990

Суммарные краткосрочные 186262 254610 259117 263587 267990

обязательства

- Капитал внесенный сверх 3500000 3500000 3500000 3500000 3500000

номинала

Резервные фонды 797606 2674635 5166921 8022039

Добавочный капитал 1000000 1000000 1000000 1000000 1000000

Нераспределенная прибыль -121390 2208881 3506720 4257597 4710066

Суммарный собственный капитал 4378610 7506487 10681355 13924518 17232105

СУММАРНЫЙ пассив 4564872 7761097 10940472 14188105 17500095

Таблица 6.11 - Отчет о прибылях и убытках инновационного проекта, руб.

Показатель 2019 2020 2021 2022 2023

Валовый объем продаж 18548482 35334192 36789135 38334288 39976540

Чистый объем продаж 18548482 35334192 36789135 38334288 39976540

Материалы и комплектующие 11898926 22841352 24017033 25277955 26631621

Суммарные прямые издержки 11898926 22841352 24017033 25277955 26631621

Валовая прибыль 6649556 12492840 12772102 13056333 13334919

- Налог на имущество 44104 56719 54335 51951 49567

Административные издержки 195098 269315 280405 292182 304699

Производственные издержки 390195 538631 560810 584364 609398

Маркетинговые издержки 78039 107726 112162 116873 121880

Зарплата административного 614564 833897 851065 868937 887549

персонала

Зарплата производственного 4928802 6687852 6825540 6968872 7118141

персонала

Суммарные постоянные издержки 6206698 8437423 8629981 8831228 9041668

Амортизация 79467 119200 119200 119200 119200

Суммарные непроизводственные 79467 119200 119200 119200 119200

издержки

Другие издержки 440678

Убытки предыдущих периодов 121390

Прибыль до выплаты налога 121390 3758108 3968585 4053954 4134484

Налогооблагаемая прибыль 121390 3758108 3968585 4053954 4134484

Налог на прибыль 751622 793717 810791 826897

Чистая прибыль 121390 3006486 3174868 3243163 3307587

'аблица 6.12 - Денежный поток инновационного проекта, руб.

Показатель 2021 2022 2023 2024 2025

Поступления от продаж 21887209 41694346 43411180 45234460 47172317

Затраты на материалы и комплектующие 14040733 26952796 28340099 29827987 31425312

Суммарные прямые издержки 14040733 26952796 28340099 29827987 31425312

- Общие издержки 782732 1080494 1124985 1172234 1222453

Затраты на персонал 4106197 5571666 5686374 5805784 5930141

Суммарные постоянные издержки 4888929 6652160 6811359 6978019 7152594

Налоги 2293209 4773966 4961147 5061620 5163221

Кэш-фло от операционной деятельности 664338 3315425 3298575 3366834 3431190

Затраты на приобретение активов 2 980000

Другие издержки подготовительного периода 520000

Кэш-фло от инвестиционной деятельности -3500000

Собственный (акционерный) капитал 3500000

Кэш-фло от финансовой деятельности 3500000

Баланс наличности на начало периода 1000000 1664338 4979764 8278338 11645172

Баланс наличности на конец периода 1664338 4979763 8278338 11645172 15076362

'аблица 6.13 - Финансовые показатели инновационного проекта, руб.

Показатель 2021 2022 2023 2024 2025

Коэффициент текущей ликвидности (CR), % 1212 1419 2676 3924 5154

Коэффициент срочной ликвидности (QR), % 1212 1419 2676 3924 5154

Чистый оборотный капитал (NWC), руб. 993109 3242032 6503648 9834991 13232611

Чистый оборотный капитал (NWC), $ US 993109 3242032 6503648 9834991 13232611

Коэфф. оборачиваем. рабочего капитала (NCT) 18,68 10,90 5,66 3,90 3,02

Коэфф. оборачиваем. основных средств (FAT) 6,87 12,46 13,54 14,76 16,13

Коэфф. оборачиваем. активов (TAT) 4,90 5,59 3,88 3,02 2,50

Суммарные обязательства к активам (TD/TA), % 2,36 3,89 2,67 2,03 1,64

Суммарные обязательства к собств. кап. (TD/EQ), % 2,42 4,04 2,74 2,07 1,67

Коэфф. рентабельности валовой прибыли (GPM), % 35,85 35,36 34,72 34,06 33,38

Продолжение таблицы 6.13

Показатель 2021 2022 2023 2024 2025

Коэфф. рентабельности операц. прибыли (OPM), % -52,08 10,64 10,79 10,58 10,34

Коэфф. рентабельности чистой прибыли (NPM), % -52,08 8,51 8,63 8,46 8,27

Рентабельность оборотных активов (RCA), % -892,48 86,20 46,99 32,14 24,51

Рентабельность внеоборотных активов (RFA), % -357,54 106,01 116,86 124,85 133,46

Рентабельность инвестиций (ROI), % -255,27 47,54 33,52 25,56 20,71

Рентабельность собственного капитала (RQE), % -261,44 49,47 34,43 26,09 21,05

Проведение анализа безубыточности говорит о том, что запаса финансовой прочности по производству люминесцентных анализаторов достаточно. Сравнивая минимально необходимые объемы производства (таблица 6.14) и прогнозируемые (таблица 6.15), можно сделать вывод о превышении последних в десятки раз.

Таблица 6.14 - Точка безубыточности люминесцентных анализаторов

Год 2021 2022 2023 2024 2025

Количество, шт. 420 552 552 552 553

Таблица 6.15 - Прогнозный объем производства люминесцентных анализаторов

Год 2021 2022 2023 2024 2025

Количество, шт. 5200 9600 9600 9600 9600

В результате реализации проекта в бюджеты различных уровней поступят следующие платежи (таблица 6.16).

Таблица 6.16 - Сумма налоговых поступлений в бюджеты различных уровней

2019 2020 2021 2022 2023

Налог на прибыль 686275 792258 809402 825598

НДС 826489 2080292 2123727 2167647 2211910

Налог на имущество 29552 57315 54931 52547 50163

ЕСН 1437169 1950083 1990231 2032025 2075549