Основным сырьем для производства наиболее важных продуктов питания человека и кормов животных является зерно сельскохозяйственных культур. Поэтому увеличение валового сбора зерна – важнейшая из задач, стоящих перед агропромышленным комплексом Российской Федерации. Один из главных резервов повышения производства зерна – это использование для посева высококачественного зернового материала, очищенного от примесей [1].
В структуре валового сбора зерновых культур особое место занимает озимая рожь. Она является традиционной и наиболее распространенной в Приволжском федеральном округе Российской Федерации зерновой культурой в сельскохозяйственном производстве вследствие неприхотливости к условиям произрастания, способности давать достаточно высокие и гарантированные урожаи на почвах с невысоким плодородием. Однако рожь часто поражается спорыньей, которая является ядовитой примесью. Сильная поражаемость ржи спорыньей объясняется продолжительностью цветения и особенностями строения ее цветков, для которых характерно перекрестное опыление, и они продолжительное время бывают открытыми, а также повышенной влажностью воздуха и почвы [2, 3].
Очистку зерна ржи от склероций спорыньи осуществляют при помощи воздушно-решетно-триерных машин, пневмосортировальных столов, фотосепараторов и других устройств. Физико-механические свойства склероций спорыньи имеют близкие значения аналогичным значениям зерна ржи, поэтому традиционные методы не дают хороших результатов отделения спорыньи от ржи [4].
Одним из свойств, по значениям которого спорынья отличается от ржи, является удельная масса (плотность массы), что позволяет использовать растворы соли в качестве разделителя ржи и спорыньи [5].
Поэтому для очистки зернового материала «мокрым» способом требуется определение удельной массы зерна озимой ржи и склероций спорыньи для приготовления солевого раствора определенной плотности с целью уменьшения потерь зерна в отходы и гарантированного выделения склероций спорыньи.
Цель исследования – определение удельной массы зерна озимой ржи и склероций спорыньи для нахождения условий их разделения в растворе соли.
Материалы и методы исследования
С целью определения удельной массы озимой ржи сорта Фаленская 4 и склероций спорыньи использовали для каждой 10 навесок. Каждая навеска содержала 1000 штук зерен ржи или 1000 штук склероций спорыньи, влажность каждой навески составляла 14 % (рис. 1).
Взвешивание навесок зерен озимой ржи и склероций спорыньи осуществляли при помощи электронных весов марки САРТОГОСМ ЛВ 210А с точностью до 1•10-7 кг. Для определения занимаемого объема каждой навеской зерен озимой ржи и склероций спорыньи использовали мерные цилиндры с ценой деления 1•10-6 м3, в которые предварительно наливалась дистиллированная вода (рис. 2).
а
б
Рис. 1. Навеска зерен озимой ржи сорта Фаленская 4 (а) и склероций спорыньи (б)
Навеска зерен ржи (склероций спорыньи) засыпалась в мерный сосуд с водой и перемешивалась стеклянной палочкой для ликвидации захваченных зернами (склероциями спорыньи) пузырьков воздуха. Занимаемый объем Vi.з(i.с) i-ой навеской зерен озимой ржи (склероциями спорыньи) i-го измерения определялся по формуле
Vi.з(i.с) = Viв.з(iв.с) – V iв, (1)
где Viв.з(iв.с) – объем воды в мерном сосуде с i-ой навеской зерна озимой ржи (склероциями спорыньи), м3;
Viв – объем воды, налитой в мерный сосуд, при i-ом измерении, м3.
а б
Рис. 2. Электронные весы марки САРТОГОСМ ЛВ 210А (а) и мерные цилиндры для определения занимаемого объема навеской зерна озимой ржи или склероциями спорыньи (б)
Среднее значение массы навески mср.з(ср.с) и среднее значение занимаемого навеской объема Vср.з(ср.с), найденные для 10 навесок зерен озимой ржи (склероций спорыньи), определяли по выражениям
(2)
где mi.з(i.с) – масса i-ой навески 1000 штук зерен озимой ржи (склероций спорыньи), кг;
N – число навесок зерна или склероций спорыньи, N = 10 шт.
Средние квадратические отклонения измерений массы Sз(с)(m) и объема Sз(с)(V) навесок зерна озимой ржи (склероций спорыньи) определяли по выражениям [6]:
(3)
(4)
Каждое прямое измерение массы mi.з(i.с) и объема Vi.з(i.с) проверялось на понятие «грубое измерение». Для этого определяли выполнение неравенств
,
(5)
В случае выполнения неравенств (5) измерение нужно было бы отбросить. Все результаты оказались прямыми измерениями [6].
Плотность ρi.з(i.с) зерна (склероций спорыньи) в каждой навеске и его среднее значение ρiср.з(ср.с) находили по формулам
(6)
Абсолютные погрешности измерений массы Δmз(с) навески и занимаемого объема ΔVз(с) навеской зерен озимой ржи (склероций спорыньи) определялись по выражениям [6]:
(7)
tp, N – табличный коэффициент Стьюдента, определяемый по доверительной вероятности р = 0,95 и числу измерений N = 10, t0,95; 10 = 2,26 [6].
Абсолютные погрешности одиночных измерений массы Δmоз(ос) навески и занимаемого объема ΔVо.з(с) навеской зерен озимой ржи (склероций спорыньи) равны цене деления и половине цены делений измерительных приборов соответственно [6].
Абсолютные погрешности одиночных измерений массы Δmо.з(с) навески много меньше абсолютной погрешности многократных (десяти) измерений массы Δmз(с): Δmо.з(с) = 1•10-7 кг << Δmз(с).
Для занимаемых объемов эти значения одного порядка ΔVо.з(с) = 0,5•10-6 м3 ~ ΔVз(с) = 0,8269 (0,8405)•10-6 м3 [7]. Поэтому общая погрешность измерений занимаемого объема навеской зерен равна
(8)
Относительную погрешность измерения массы 
навески и занимаемого объема 
навеской зерен озимой ржи (склероций спорыньи) находили в виде
,
(9)
Относительная погрешность определения удельной массы (плотности) зерна озимой ржи (склероций спорыньи) определялась по формуле [6]:
(10)
Тогда абсолютная погрешность косвенного определения удельной массы зерна озимой ржи (склероций спорыньи) выражается по формуле
(11)
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные результаты проведенных экспериментов представлены на рис. 3 в виде удельной массы (плотности) навесок зерна озимой ржи сорта Фаленская 4 и склероций спорыньи от номера х№ проведенного опыта. На рисунке также штриховкой приведены границы определения удельной массы зерна озимой ржи и склероций спорыньи с учетом абсолютной погрешности проведенных измерений Δρз(с).
Рис. 3. Удельные массы (плотности) навесок зерна озимой ржи сорта Фаленская 4 (----) и склероций спорыньи (- - -) от номера х№ проведенного опыта: 
– границы определения удельной массы зерна озимой ржи с учетом абсолютной погрешности Δρз; 
– границы удельной массы склероций спорыньи с учетом абсолютной погрешности 
Среднее значение плотности зерна Δср.з согласно выражениям (2) и (6) соответствует значению 1221,5 кг/м3 [7]. Среднее квадратическое отклонение Sз(m) массы навесок зерна озимой ржи равно 1,814•10-3 кг, а относительная погрешность 
в процентах составляет 5,49 %. Среднее квадратическое отклонение Sз(V) занимаемого объема навески зерен озимой ржи равно 1,157•10-3 л, а относительная погрешность 
занимаемого объема навеской в процентах – 5,99 %. Тогда, в соответствии с выражениями (7), (8), (9) и (10), относительная погрешность 
определения удельной массы (плотности) зерна озимой ржи составляет 0,0814. В результате абсолютная погрешность Δρз косвенного определения удельной массы зерна озимой ржи согласно выражению (11) составляет 99,3 кг/м3. Доверительный интервал ρср.з ± Δρз удельной массы (плотности) зерна озимой ржи с надежностью р = 0,95 с учётом принятых при обработке результатов эксперимента правил округления равен 1100… 1300 (1200 ± 100) кг/м3 [7].
Среднее значение плотности склероций спорыньи ρср.с согласно выражению (2) равно 1022,1 кг/м3. Среднее квадратическое отклонение Sс(m) массы навесок склероций спорыньи равно 1,898•10-3 кг, а относительная погрешность 
в процентах составляет 4,51 %. Среднее квадратическое отклонение Sс(V) занимаемого объема навесок склероций спорыньи равно 1,646•10-3 л, а относительная погрешность 
измерения занимаемого объема навесками в процентах составляет 4,0 %. Тогда согласно выражениям (7), (8), (9) и (10) относительная погрешность 
определения удельной массы (плотности) склероций спорыньи составляет 0,0603. В результате абсолютная погрешность Δρс определения удельной массы склероций спорыньи равна 61,65 кг/м3. Доверительный интервал ρср.с ± Δρс удельной массы (плотности) склероций спорыньи с надежностью р = 0,95 с учётом принятых при обработке результатов эксперимента правил округления равен 960…1080 (1120 ± 60) кг/м3.
С надежностью р = 0,95 доверительные интервалы плотностей зерна озимой ржи Фаленская 4 и склероций спорыньи не пересекаются в интервале 1080…1120 кг/м3. Этот интервал является возможным значением для третьего компонента (разделителя) – плотности раствора соли.
Можно дать оценку процента возможных потерь зерна ржи после применения «мокрого» способа отделения спорыньи в зависимости от значения плотности раствора соли. Предполагаем, что плотность ржи (количественный признак) имеет нормальное распределение с математическим ожиданием, равным средней величине удельной массы ржи ρср.з(ср.с) = 1221,5 кг/м3, и средним квадратическим отклонением Sз(ρ) = 43,96 кг/м3 [7]. Зерно ржи уйдет в потери (зерно всплывет), если его плотность будет меньше плотности раствора соли. Тогда процент Пз потери зерна равен вероятности того, что значение удельной массы ржи будет меньше плотности ρсоли раствора соли, умноженной на 100 % [8]:
(12)
где Ф(x) – функция Лапласа [8].
Если плотность соли ρсоли = 1090 кг/м3, то процент возможных потерь зерна ржи в отходы будет Пз = 0,14 %, если ρсоли = 1100 кг/м3 – Пз = 0,29 %, при ρсоли = 1110 – Пз = 0,55 % [7]. Данные значения соответствуют требованиям работы специальных зерноочистительных машин при очистке зерна продовольственного назначения, при котором содержание полноценного зерна в отходах не должно превышать 0,5 %. При получении семенного зерна потери Пз зерна в отходы не должны превышать 3,0 %. Поэтому можно использовать более насыщенный раствор соли, так при ρсоли = 1139 кг/м3 значение Пз составляет 3,0 %.
Полученные результаты показывают хорошую возможность применения «мокрого» способа отделения склероций спорыньи от зерна ржи. Поэтому с практической стороны для эффективного разделения зерен озимой ржи и склероций спорыньи с минимальными потерями зерна в отходы раствор соли должен быть приготовлен с плотностью 1090…1110 кг/м3, что подтверждается предварительно проведенными экспериментами.
Выводы
Таким образом, исходя из пределов варьирования плотности зерна озимой ржи сорта Фаленская 4 и склероций спорыньи выбор плотности раствора соли с целью разделения данных материалов определяется нижней границей плотности зерна озимой ржи для исключения его потерь в отходы и верхней границей плотности склероций спорыньи для гарантированного всплытия их на поверхность раствора. Для эффективного разделения зерен озимой ржи сорта Фаленская 4 от склероций спорыньи раствор соли должен быть приготовлен с плотностью 1090…1110 кг/м3.