Светотехнические установки для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Светотехнические установки для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных

Общая характеристика работы

животноводческий светотехнический энергосберегающий установка

Актуальность работы. В процессе преобразований в экономике Российской Федерации, начавшихся в 1991г., состояние основной жизнеобеспечивающей отрасли сельского хозяйства - животноводства, в том числе мясного направления крупного рогатого скота (КРС), к 2006 г. стало кризисным. В период становления рынка мясных ресурсов сократилось поголовье КРС, уменьшился объем производства мясной продукции, что при превышении порогового уровня ведет к потере продовольственной независимости страны. Эти тенденции объясняются удорожанием кормов, ростом цен на энергоносители и средства технического обеспечения технологий разведения и содержания сельскохозяйственных животных, недостатками действующего механизма квотирования импорта мяса, а также несовершенством технологий, в том числе, электротехнологий с применением оптического излучения (ОИ).

В связи со сложившейся ситуацией в 2006 г. правительство Российской Федерации приняло к реализации приоритетный национальный проект «Развитие АПК», который с 2008 г. трансформировался в Государственную программу развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008ч2012 гг. Мясное направление КРС относится к приоритетным видам сельскохозяйственной деятельности. Одним из основных направлений реализации национального проекта и государственной программы является осуществление строительства, реконструкции и модернизации животноводческих комплексов, что связано, в том числе, с оснащением комплексов светотехническими установками, отвечающими современному научно-техническому уровню. Перечисленный комплекс мер создает возможности переоснащения технической базы фотобиологических технологических процессов в животноводстве для увеличения выхода мясной продукции.

В этих условиях исследования, направленные на совершенствование электротехнологий с применением ОИ для повышения продуктивности животных, а также повышение энергоэкономичности и эффективности светотехнических установок, способствующие повышению конкурентоспособности продукции и увеличению прибыли, чрезвычайно актуальны.

Большой вклад в развитие теоретических и практических основ в развитие электротехнологий облучения животных и техники оптического излучения внесли: А. Майер, А. Маккинли, Н.М. Данциг, Д.Н. Лазарев, Г.М. Франк, В.М. Юрков, А.К. Лямцов, И.И. Свентицкий, А.Л. Вассерман, А.И. Учеваткин, Г.В. Новикова, А.Б. Матвеев, Е.Н. Живописцев, А.В. Чурмасов, Б.Н. Орлов, Н.П. Симонова. Фундаментальные работы в области исследования высокоэффективных источников ОИ и световых приборов принадлежат зарубежным и отечественным ученым: В. Эленбаасу, Д. Уэймаусу, Г.Н. Рохлину, С.П. Решенову, Г.С. Сарычеву, А.Е Атаеву, Ю.Б. Айзенбергу, В.В. Трембачу, А.М. Кокинову и многим другим.

Однако исследования в области технологий облучения сельскохозяйственных животных проводились на основе устаревших представлений о функции относительной спектральной эритемной эффективности (ФОСЭЭ), что ограничивает возможности совершенствования облучательной техники для технологий УФО в сельском хозяйстве на современном этапе. Острая необходимость разработки перспективных энергосберегающих и биологически эффективных светотехнических установок определяет актуальность настоящей работы.

Целью работы является обеспечение прироста животноводческой продукции путем теоретического обоснования и практического введения в эксплуатацию перспективных энергосберегающих светотехнических установок повышенного фотобиологического действия.

Для достижения поставленной цели были решены следующие теоретические, научно-технические и прикладные задачи:

· определена возможность использования предлагаемых функций эритемной эффективности в диапазоне профилактических доз для составления математического описания процесса воздействия источников ОИ на биообъект;

· установлена математическая связь между функцией эффективного потока источника излучения и показателями продуктивности животных путем разработки комплекса взаимно дополняющих методов корреляционного и регрессионного анализа экспериментальных данных в целях контроля и прогнозирования мясной продуктивности;

· разработаны высокоэффективные РЛНД с заданными параметрами излучения в области УФВ и УФС, работающие на промышленной частоте и высокочастотных (ВЧ) режимах питания;

· разработаны облучательные приборы (ОП) с расширенными функциональными и улучшенными энергосберегающими и ресурсосберегающими свойствами;

· разработано светотехническое программное обеспечение (СПО), осуществляющее повышение эффективности автоматизированного проектирования облучателей, осветительных (ОУ) и облучательных светотехнических (ОСУ) установок фотобиологического действия и оптимизацию параметров при их совместном применении.

Объектом исследования является система, состоящая из светотехнических средств, технологических режимов и приемов воздействия ОИ на биообъект, позволяющая получить максимальный выход сельскохозяйственной продукции.

Предметом исследования являлось изучение процессов, протекающих в подсистемах по изучению воздействия ОИ на биообъекты, определяющих характер и направление совершенствования светотехнических средств и электротехнологий на их основе в сельскохозяйственном производстве.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы. Методология исследования базируется на системном подходе к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи математических, физических, светотехнических, фотометрических, биометрических, статистических методов. Решение ряда новых задач теории светотехники, поставленных в работе, разработка теоретических положений и создание на их основе математических моделей, а также алгоритмов расчета параметров ОП, ОУ и ОСУ не противоречит известным достижениям в этой области знаний.

Разработанные теоретические положения и новые технические решения подтверждены практически. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проведены на экспериментальной базе Мордовского государственного университета и предприятиях светотехнической отрасли. Облучательные установки опробованы, испытаны и успешно используются в животноводческих хозяйствах Мордовии. Результаты эксперимента и испытаний для подтверждения сопоставлялись с экспериментальными данными других исследователей.

Разработанные программы на ЭВМ испытаны и успешно используются на предприятиях светотехнической отрасли, научно-исследовательских и проектных институтах республики Мордовия.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые

1. На основе известных научных исследований выработаны теоретические положения и уточнена математическая модель для описания ртутного разряда низкого давления для определения электрических характеристик и эритемного потока источников ультрафиолетового излучения и описания процессов работы РЛНД с электронными пускорегулирующими аппаратами; получены математические модели эффективного потока с помощью функции эритемной эффективности с двумя максимумами, соотношение между которыми зависит от доз облучения в области УФС и УФВ.

2. Проведены экспериментальные исследования светотехнических характеристик ультрафиолетовых РЛНД мощностью 13, 15, 30, 40 Вт при импульсном высокочастотном питании в широком диапазоне частот при различных скважностях

3. Предложены и конструктивно проработаны технические решения и принцип формирования излучения ультрафиолетовых РЛНД и ОП со спектром в области УФС и УФВ, защищенных авторским свидетельством и патентами.

4. Представлены алгоритмы и программы на ЭВМ для расчета интегрального и спектрального распределения энергетической освещенности облучательных и осветительных установок и моделирования профиля отражателя ОП с трубчатыми лампами и расположения ультрафиолет излучающих диодов в модуле с получением заданной кривой силы излучения.

5. Разработаны технические требования к проектированию светотехнических ОП и установок оптимального использования электроэнергии в животноводческих комплексах; создан и представлен программно-аппаратный комплекс для сбора фотометрических данных, расчета и оптимизации ОП и светодиодных модулей, расчета облучательно-световых комплексов.

6. Приведены результаты испытаний ультрафиолетовых РЛНД и ОП с расширенным спектром области УФС и УФВ с использованием ВЧ питания по воздействию на сельскохозяйственных животных и получены на их основе с помощью методов регрессионного анализа математические зависимости для расчета и прогнозирования показателей продуктивности телят.

Практическая ценность и научная полезность результатов диссертационной работы.

1. Разработанные и запатентованные конструктивные решения ультрафиолетовых РЛНД и ОП для профилактического ультрафиолетового и инфракрасного облучения животных и обеззараживания помещений позволяют увеличить эффективную отдачу ламп и расширить функциональные возможности приборов. Идеи разработанных технических средств могут быть использованы при проектировании новых ламп и приборов.

2. Гибкие методики дисперсионного и регрессионного анализа обеспечивают отработку технологии изготовления эффективных источников излучения с улучшенными качественными показателями на ламповых заводах и предприятиях светотехнической отрасли.

3. Практически реализованные и испытанные в животноводческих хозяйствах схемы импульсных ЭПРА для ультрафиолетовых РЛНД с блоком стабилизации лучистого потока и автоматизированные устройства контроля дозы облучения позволяют получить максимальный зоотехнический эффект.

4. Созданный программно-аппаратный комплекс для расчета светотехнических характеристик облучательных установок, сбора фотометрических данных и контроля эксплуатационных характеристик осветительных и облучательных установок позволяет обеспечить точность соблюдения режимов и доз, повысить качественный уровень и энергосберегающие свойства облучательно-световых комплексов в животноводческой отрасли.

5. Разработанные автором алгоритмы для программ на ЭВМ для сбора фотометрических данных, расчета профиля отражателя ОП с трубчатыми лампами и светотехнических характеристик осветительных и облучательных установок позволяют повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новых образцов светильников и облучателей и модернизации существующих в КБ предприятий светотехнической отрасли, повысить качественные результаты разработок.

6. Полученные программы на ЭВМ, комплекс методик дисперсионного и регрессионного анализа с компьютерной обработкой экспериментальных данных используются в программах для обучения студентов в образовательных учреждениях.

Реализация и внедрение результатов работы.

1. Программы по анализу качества разрядных ламп и методика исследования зависимости качества от влияющих факторов внедрены в ГУП РМ «Лисма» и ОАО «Лисма-ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина».

2. Программа обработки экспериментальных данных и автоматизированное устройство сбора фотометрических данных внедрены в ОАО «Лисма-ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина».

3. Комплекс программ расчета осветительных установок внедрен в ОАО «Кадошкинский электротехнический завод», проектный институт «Мордовгражданпроект», ОАО «Ардатовский светотехнический завод», Муниципальное предприятие городского округа Саранск «Горсвет».

4. Облучатели с эритемными лампами и комплектами ЭПРА внедрены в комплексе КРС совхоза им. 60-летия Союза ССР Горьковской области, учхозе Мордовского госуниверситета.

5. Облучатели с излучением в области УФС и УФВ внедрены в колхозе «Россия» Инсарского района Мордовии, учхозе Мордовского госуниверситета, СПК «Садовод» Чамзинского района Мордовии, ООО «Кочкуровский» Дубенского района Мордовии.

6. Программы для реализации методов регрессионного анализа используются в учебном процессе Мордовского госуниверситета и Чувашской государственной сельскохозяйственной академии.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Способы регулирования соотношения потоков излучения ультрафиолетовых РЛНД в области УФВ и УФС.

2. Принцип создания комбинированных ультрафиолетовых облучателей, сочетающих функции профилактического облучения животных и обеззараживания помещений.

3. Алгоритмы и программное обеспечение для моделирования профилей облучателей, расположения ультрафиолет излучающих диодов в модуле и расчета осветительных и облучательных установок.

4. Математическая модель, описывающая процесс воздействия излучения от ультрафиолетовых РЛНД на показатели продуктивности животных.

5. Режимы ультрафиолетового облучения животных с использованием новых светотехнических средств и автоматизированных устройств контроля эксплуатационных характеристик.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы по мере их получения докладывались и обсуждались на I, III Всероссийской научно - технической конференции «Светоизлучающие системы, эффективность и применение» (Саранск, 1994 г., 2001 г.); .II Международной светотехнической конференции (Суздаль, 1995 г.); Международной конференции «Осветление'96» (Варна, Болгария 1996 г.); IV, V Всероссийском с международным участием совещании по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий (Саранск, 1996 г., 2000 г.); III Международной светотехнической конференции (Н.-Новгород, 1997 г.); Международной конференции «Современные проблемы в животноводстве» (Казань, 2000г.); V Международной светотехнической конференции «Свет и прогресс!» (СПб., 2003 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и природопользования (М., 2004 г., 2005 г.); I, II, III, IV, V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2002 г., 2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г.); VI Международной Светотехнической конференции «Свет без границ» (Калининград - Светлогорск 2006 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании и науке» (М., 2006 г.); V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света» (Саранск, 2007 г.); Международной конференции «Проектирование новой реальности» (Таганрог, 2007 г.), Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» (СПб., 2007 г.), II Международной научно-практической конференции «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектированием CAD/CAM/CAE/PDM. (Пенза, 2008 г.), Международной научной конференции «Информация, сигналы, системы: вопросы методологии, анализа и синтеза» (Таганрог, 2008 г.), VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2008 г), IV Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, Болгария, 2008 г.).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 105 работах, включая авторское свидетельство, 3 патента, 2 свидетельства на регистрацию программы на ЭВМ, 16 статей, опубликованных в рецензируемых журналах, а также статьи в сборниках материалов и тезисов докладов Международных и Всероссийских конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Объем диссертации составляет 345 стр., включая 107 рис., 42 табл. Список цитируемой литературы содержит 344 наименований.

Личный вклад автора. Исследования и разработки, составляющие основу диссертации, выполнены автором лично или под его руководством. Экспериментальные образцы ламп и программы на ЭВМ изготавливались и выполнялись в рамках НИР: госбюджетной темы «Применение оптического излучения в животноводстве и птицеводстве», хоздоговорной темы «Разработка комплекта программ расчета осветительных установок отечественной комплектации» и других хоздоговорных работ, а также НИР при финансовой поддержке республиканского бюджета Республики Мордовия, на ОАО «ЛИСМА - ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина», ОАО «ЛИСМА», ОАО «Кадошкинский электротехнический завод», ОАО «Ардатовский светотехнический завод» и сельскохозяйственных предприятиях Республики Мордовия и Горьковской области.

На различных этапах исследования, учитывая комплексность работы, в постановке конкретных задач, обсуждении результатов по вопросам технических и биологических наук, изготовлении экспериментальных образцов и опытных партий, проведении измерений принимали участие А.А. Ашрятов, В.К Самородов, О.А. Захаржевский, В.В Афонин, В.Ф. Дадонов, В.В. Азаренок, И.Р. Шашанов. Выражаю им свою глубокую благодарность.

Содержание работы

Введение. Во введении показана актуальность диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

Первая глава посвящена описанию и анализу эффективности использования светотехнических установок фотобиологического действия в электротехнологиях выращивания сельскохозяйственных животных.

Анализ экспериментальных исследований применения источников оптического излучения в системе биоэнергетических и технологических процессов в животноводстве показал, что в настоящее время отсутствие достаточной информации о количественных характеристиках комбинированного оптического излучения препятствует систематизации экспериментальных данных, выработке обоснованного подхода к выбору спектрального состава источников искусственного излучения, идентификации процесса облучения с возможностью прогнозирования конечных показателей продуктивности.

Анализ систем показателей эффективности оптического излучения показал следующее: ограниченный диапазон исследований эффективности воздействия ОИ на биообъект обусловлен использованием на протяжении многих лет упрощенной функции спектральной эритемной эффективности, отсутствием обобщенной теории влияния качественных и количественных характеристик комбинированного излучения на показатели эффективности ОИ, а также отсутствием научно обоснованной методической базы по планированию и организации эффективного фотобиологического эксперимента.

Анализ современного состояния технической базы и методов проектирования световых приборов (СП) и ОУ и технологических процессов освещения и облучения животных показал, что отсутствует комплексный подход к созданию современных светотехнических установок в промышленном животноводстве с улучшенными эколого-энергетическими характеристиками на базе высокоэффективных источников излучения и комбинированных многофункциональных облучателей. Отсутствует специализированное светотехническое программное обеспечение (СПО) по проектированию осветительно-облучательных установок требуемого спектрального состава и устройств автоматизированного управления режимами и дозами облучения с учетом влияния внешних факторов в процессе эксплуатации.

Вторая глава посвящена математическому моделированию процессов воздействия ОИ на биообъект.

В процессе жизнедеятельности макроскопические процессы, связанные с обменом веществ, энергии, информации происходят непрерывно. Способность организма избирательно потреблять из окружающей среды доступную (свободную) энергию, вещество и использовать их для построения и поддержания в работоспособном состоянии своих структур обусловлена специальной их организацией, наличием управляющих систем, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию.

В общем случае процессы не линейны и в соответствии с данными литературных источников могут быть представлены уравнениями баланса, отражающими процессы обмена веществ и энергообмена в живой системе

(1)

(2)

где m₀, Е₀ - количество в живой системе (организме) вещества и энергии в начальный момент времени; m_пр(t), Е_пр(t) - временные функции поступления соответственно вещества и энергии; m_от (t), Е_от (t) - временные функции оттока соответственно вещества и энергии; m_t, Е_t - количество вещества и энергии, содержащихся в живой системе по истечении времени t=t₂ - t₁.

Для завершения описания системы уравнений баланса к выражениям (1), (2) добавим выражение, отражающее процесс обмена информацией в живой системе

(3)

где Н₀ - количество информации в живой системе (организме) в начальный момент времени; Н_пр(t) - временная функция поступления информации; Н_от (t) - временная функция оттока информации; Н_t - количество информации, содержащейся в живой системе по истечении времени t= t₂ - t₁.

Рассматривая влияние ОИ на выход продукции животноводства, а именно мясной продукции в виде среднесуточных привесов, за оптимизируемый параметр целесообразно принять m_t. При этом входными переменными в зависимости от условий конкретного эксперимента могут служить начальные параметры и временные функции всех трех уравнений.

При рассмотрении влияния на привесы управляемых энергетических параметров необходимо учитывать наличие их взаимосвязи с информационными параметрами и другими контролируемыми параметрами: проводить эксперименты с учетом вида, породы, возраста животных в связи с особенностями их наследственной информации; обеспечить идентичность условий содержания, рацион, режимы кормления, уровень естественного и искусственного освещения и других, т.е. всех факторов, принятых в данном эксперименте за контролируемые переменные; максимально снизить влияние внешних (неуправляемых) переменных.

Варьирование входных переменных в большинстве биологических экспериментов проводится с такими параметрами как доза, уровень освещенности (облученности). Выходной переменной для описания общей реакции животных на ОИ в УФ области спектра является степень покраснения кожи, используемая для представления функций относительной спектральной эритемной эффективности.

Для практического применения в разное время применялись ФОСЭЭ, не зависящие от количественных характеристик излучения: K_cff, приведенная в ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000, и К, приведенная в РТМ.3-381-73 (рис.1 а).

А. Майер и Э. Зейтц приводят кривые эритемной эффективности, основным свойством которых является наличие в них двух максимумов, уровень которых меняется при изменении внешнего фактора - дозы облучения, в связи с чем степень покраснения для различных длин волн 254 и 297 нм в зависимости от дозы различна (рис. 1б).

Уравнения линий регрессии кривых, изображенных на рисунке 1 б), могут быть представлены логарифмическими зависимостями от доз в области УФС и УФВ А'(D₁), А'₂(D₂), с положительными значениями параметров.

Рассматривая в качестве гипотезы возможность представления ФОСЭЭ как функции с изменяющимися в зависимости от дозы облучения максимумами, для определения эффективности комбинированного УФ излучения удобно ФОСЭЭ представить в виде

(4)

где К₁(л), К₂(л) - левая и правая часть ФОСЭЭ, А₁(D₁), А₂(D₂) - логарифмические функции, полученные из А'(D₁), А'₂(D₂) путем нормирования и определения соотношения между ними.

а) б)

Рис. 1. ФОСЭЭ: K_cff - эритемной по ГОСТ-2000; К - эритемной по РТМ-73 (а); зависимости интенсивности покраснения кожи от величины дозы для различных длин волн (нм) падающего излучения (б)

В общем случае в связи с многообразием фоторецепторов у биообъектов и перехода к энергетическим освещенностям может оказаться необходимым применение обобщенной модели:

 (5)

где А₁(Е_л1), А₂(Е_л2),.. А (Е_г) - зависимости уровней максимумов кривой спектральной эффективности от энергетической освещенности в соответствующем диапазоне спектра ( не фиксировано);

К₁(л), К₂(л),..К(л) - кривые относительной спектральной эффективности при уровнях энергетической освещенности, обеспечивающих максимальную чувствительность составляющих кривых;

При переменных значениях энергетической освещенности в рассматриваемом спектральном диапазоне следует провести разбиение диапазона на n участков, в каждом из которых Е_лi является постоянной, и значения кривой спектральной эффективности определять для каждого из слагаемых выражения (2.17) в виде кусочно-непрерывной функции по формуле , где i = 1,2,..n, j = 1,2..n. (Вместо освещенности E в выражении (2) может быть использована доза D).

Для описания функции с двумя максимумами (бимодальной) удобно представить ФОСЭЭ с помощью суммы двух экспоненциальных функций. Для математического описания источника излучения, а именно, разрядных ламп, можно использовать функцию Дирака с фиксированным основанием и известной площадью импульса и экспоненциальную функцию.

Тогда математическое описание эффективного потока Ф_эф (Вт) системы: источник оптического излучения со спектром в области УФС и УФВ - биообъект с использованием бимодальной с меняющимися уровнями максимумов функции относительной спектральной эффективности примет вид:

 (6)

где D_1л, D_2л - значения доз в областях УФС и УФВ (Дж/м²); D_{0 1л} , D_{0 2 л} - значение биодозы в областях УФС и УФВ (Дж/м²); л_1max, л_2max, л_0max - длины волн, на которые приходятся максимумы спектральной эффективности в области УФС, УФВ и максимум излучения люминофора (нм); д(л-л_i) - функция Дирака; k₀, k₁, k₂, - масштабные коэффициенты; у₀, у₁, у₂ - постоянные коэффициенты; m₀, m_i - коэффициенты, зависящие от мощности и спектрального состава источника излучения (Вт).

Для получения более простого расчетного соотношения для идентификации процесса УФ облучения животных в рабочем диапазоне доз был спланирован и проведен вычислительный эксперимент по определению влияния доз облучения области УФС и УФВ на эффективный поток, вычисленный по бимодальной и стандартной ФОСЭЭ, с целью получения оценок параметров множественной линейной регрессии.

Для проведения предварительного вычислительного эксперимента значениям доз, вычисленных по ФОСЭЭ, представленных в ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000, с диапазоном в области УФВ и УФС D_уфс = 162270 Дж/м²; D_уфв = 205484 Дж/м² были поставлены в соответствие параметрам РЛ НД типа ЛЭ-30, ЛЭР-40 в колбах из бактерицидного стекла с использованием эритемного люминофора Э-2 с потоками в области УФВ равными 0,6 и 1,4 эр (энергетическими потоками - 1,5 и 3,5 Вт), в области УФС - 0,6 и 1 Вт при заданном времени облучения 1 час и высоте подвеса 1 м.

Значения коэффициентов для данных ламп в выражении (6): m₀=1,6363,817; m₁=0,603 1,01: m₂=0,1040,243; m₃=0, 087 0,203.

В результате расчетов установлено, что для зависимостей потоков, вычисленных по стандартной ФОСЭЭ, от доз нет различия тангенсов угла наклона для совместного действия излучения с отношением доз области УФВ и УФС не превышающим 1,8 и превышающем это значение (0,00377 и 0,00377). В то время как для потоков, вычисленных по бимодальной ФОСЭЭ, для тех же соотношений доз такое различие в тангенсах угла наклона имеется (0,00377 и 0,00318). То есть, при использовании бимодальной ФОСЭЭ обнаруживается закономерность увеличения эффективного потока при совместном действии излучения области УФС и УФВ и его уменьшения при действии излучения преимущественно одной области. Можно предположить, что такая же закономерность может быть обнаружена для показателей продуктивности животных.

Для получения уравнения множественной линейной регрессии эксперимента типа 2² был выбран диапазон вычислительного эксперимента при значениях отношений доз D_{эф уфв} и D_{эф уфс}, рассчитанных по стандартной ФОСЭЭ, не превышающих 1,6 (отношений энергетических доз не более 3).

Значения доз, вычисленные по ФОСЭЭ в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000, были выбраны в диапазоне: D_уфс = 250400 Дж/м² ;D_уфв = 250400 Дж/м². Значения коэффициентов выражения (6) соответствовали параметрам ламп типа ЛЭ-30 в колбах из бактерицидного стекла с использованием эритемного люминофора Э-2 с потоками в области УФВ равными 0,35 и 0,55 эр (энергетическими потоками 0,9 и 1,4 Вт) в области УФС - 0,42 и 0,66 Вт при заданном времени облучения 1 час и высоте подвеса 0,82 м: m₀=0,9071,435; m₁=0,9311,496: m₂=0,1600,350; m₃=0,133 0,292.

Таблица 1 - Значения эффективного потока Ф_эф (Вт) области УФС и УФВ ламп мощностью 30 Вт для различных ФОСЭЭ

№ опыта	1	2	3	4
Dэф УФВ, Дж/м2	250	250	400	400
Dэф УФС, Дж/м2	250	400	250	400
Фэф бимод	0,463	0,707	0,831	1,177
ФэфГ-00	0,862	1,106	1,119	1,363

Для сравнительной оценки эффективного потока, полученного по бимодальной и стандартной ФОСЭЭ, найдены уравнения регрессий для эксперимента типа 2² с четырьмя точками плана в зависимости от доз излучения области УФВ и УФС. Управляемые переменные (дозы) приведены к безразмерной шкале (нормализованы). Максимальные значения (верхние точки плана) равны плюс 1, минимальные (нижние точки плана) равны минус 1. При введенных ограничениях по результатам вычислительного эксперимента уравнение множественной линейной регрессии для определения эффективного потока в диапазоне профилактических доз для бимодальной ФОСЭЭ примет вид:

Ф_{эф бимод}=0,794+0,147d₁+0,209d₂+0,025d₁d₂(7)

для ФОСЭЭ по ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000:

Ф_эфГ-00 =1,113+0,122d₁+0,129d₂(8)

где d₁, d₂ - нормализованные значения доз области УФС и УФВ.

Для подтверждения выдвинутой гипотезы о наличии зависимости показателей продуктивности от эффективного потока, рассчитанного с учетом значений доз облучения в области УФС и УФВ, на практике необходимо проверить наличие корреляции значений эффективного потока, получаемых по выражению (6), (7) и (8), с экспериментальными значениями продуктивности при соответствующих дозах облучения УФС и УФВ.

На чистоту эксперимента могут оказать значительное влияние различные внешние переменные. При введении еще одного существенного фактора - освещенности к эксперименту необходимо добавить дополнительный блок опытов для получения уравнения множественной регрессии типа 2³.

Практическая реализация должна базироваться на разработке и исследовании источников и облучательных приборов с соответствующими характеристиками излучения в области УФС и УФВ при оптимизации воздействующих спектров излучения, математического моделирования фотобиологических процессов при установлении связи эффективных величин и продуктивности сельскохозяйственных животных с целью увеличения выхода конечного продукта.

Третья глава посвящена исследованию возможностей повышения эффективности ультрафиолетовых РЛ НД за счет увеличения эффективной отдачи путем расширения их спектрального диапазона и за счет повышения КПД излучения ламп различной мощности при использовании высокочастотного питания.

Целью теоретических исследований являлось проведение качественной оценки изменения эффективности эритемных ламп в зависимости от меняющихся давления ртутных паров, давления и состава наполняющего газа, диаметра трубки, разрядного тока и т.п. Для проведения теоретических исследований за основу была принята упрощенная модель разряда в инертном газе при низком давлении, дающей аналитические выражения для электронной температуры, выхода резонансного излучения и градиента потенциала в зависимости от плотности электронов, плотности наполняющего газа и радиуса трубки для стационарных условий разряда.

Расчет удельной мощности излучения резонансной линии ртути с длиной волны 254 нм на единицу длины положительного столба (Вт/м) для ламп мощностью 30 Вт (R = 1,3 см) и 40 Вт (R = 1,8 см) проводился по выражению (6) базовой модели:

(9)

Для ламп меньшего диаметра выражения были уточнены.

Для ламп мощностью 15 Вт (R = 1,3 см) выражение представлено в следующем виде:

(10)

для ламп мощностью 13 Вт (R = 0,65 см) выражение имело вид:

(11)

где R - радиус трубки, см; Р_Ar - давление аргона, тор; P_Hg - давление паров атомов ртути, мтор; Ne - концентрация электронов на оси трубки, 10¹⁷ м^-3.

Давление аргона P_Ar варьировалось в диапазоне 1- 4 мм рт.ст. или тор (133 - 533 Па). Значения давления паров ртути P_Hg принимались равными 1 и 2 Па. Значения радиуса разрядной трубки R (см) принимались равными 0,65 (мощность 13 Вт); 1,3 (мощность 15 и 30 Вт); 1,8 см (мощность 40 Вт). Значение разрядного тока соответствовало номинальному значению в условиях работы лампы на промышленной частоте, на которое рассчитаны электроды ламп соответствующих мощностей: 13 Вт - I_р = 0,16 А, 15 Вт - I_р = 0,31 А; 30 Вт - I_р = 0,36 А; 40 Вт - I_р = 0,43 А.

Результаты расчета мощности излучения резонансной линии ртути с длиной волны 254 нм, приходящаяся на единицу длины положительного столба (Ф_{1 254}), представлены на рисунке 2.

Анализ баланса мощностей позволил выбрать оптимальные условия разряда с целью повышения КПД эритемных ламп. При номинальных токовых режимах для ламп с трубками радиусом 1,3 и 1,8 см наблюдается снижение доли мощности, идущей на излучение ртутных линий положительного столба разряда, при повышении давления аргона от 1 до 4 мм рт.ст.: для ламп мощностью 15 и 40 Вт с 70 до 60%, для ламп мощностью 30 Вт с 75 до 58%. Такое снижение вызвано резким повышением доли мощности, идущей на нагрев газа за счет упругих столкновений (з_упр) и более медленным снижением доли мощности, затрачиваемой на нагрев стенок (з_ст). В лампах с радиусом трубки 0,65 см наблюдается одинаковая скорость роста з_упр и снижения з_ст, поэтому доля мощности, идущая на излучение ртутных линий положительного столба разряда, практически не меняется и остается в диапазоне 70-75%.

а) б)

Рис. 2. Мощность излучения резонансной линии ртути с длиной волны 254 нм, приходящаяся на единицу длины положительного столба, при P_Hg = 1 Па (а) и P_Hg = 2 Па (б)

Режимы с уменьшенными значениями разрядного тока способствуют некоторому повышению КПД разряда, но ухудшают его стабильность и приводит к повышению напряжения зажигания. Поэтому граничные значения диапазона изменения тока при подборе эффективных режимов питания эритемных ламп мощностью 13, 15, 30, 40 Вт не должны отличаться от номинальных более, чем в 1,5 раза.

Для проведения экспериментов по выявлению режимов и доз профилактического облучения от излучения в области УФС и УФВ для молодняка КРС были изготовлены образцы ламп, излучающих в этих областях.

По первому способу получения широкодиапазонного ультрафиолетового спектра излучения в области УФС, УФВ для опытных образцов РЛ НД было выбрано увиолевое бактерицидное стекло марки СЛ-97-2, пропускающего 56% излучения с л=254 нм и 80% излучения с л=297 нм вместо стекла марки СЛ-97-3, используемого в стандартных эритемных лампах с коэффициентом пропускания излучения с л=297 нм не менее, чем на 76%. Для обеспечения достаточной составляющей излучения в области УФВ был использован стандартный эритемный люминофор марки Э-2 (CaMg)₃(PO₄)₂:Tl, с максимумом на длине волны (3105) нм, нанесенный на часть поверхности колбы.

Разработаны ультрафиолетовые лампы мощностью 30 Вт (ЛЭБ30) и мощностью 18 Вт (ЛЭБ 18) в колбах из бактерицидного стекла марки СЛ-97-2 частично покрытые эритемным люминофором с соотношениями энергетических потоков в области УФС и УФВ в лампах ЛЭБ 30, ЛЭБ 18 для профилактического и терапевтического облучения от 1 : 1,4 до 1:0,5.

Для получения различных соотношений УФ потоков в области В и С для подбора эффективных соотношений спектра для целей облучения животных был предложен специальный источник УФ излучения на базе трубчатой бактерицидной газоразрядной лампы низкого давления. Регулирование спектрального состава за счет изменения соотношения потоков УФВ, УФС разработанной РЛНД достигалось тем, что внешняя колба трубчатой газоразрядной лампы низкого давления, выполненной из бактерицидного стекла и наполовину покрытой люминофором, излучающим в диапазоне длин волн 280-320 нм, содержала внутри подвижную и вдвое ее меньшую по длине цилиндрическую трубку, выполненную из бактерицидного стекла и покрытую тем же люминофором.

По второму способу получения эритемных ламп с широкодиапазонным ультрафиолетовым спектром для опытных образцов было выбрано РЛНД стекло марки РН160 фирмы «Philips» с нанесением эритемного люминофора при различной удельной нагрузке. Опытные партии ламп изготавливались с различными давлениями аргона. Лампы мощностью 15 в трубках диаметром 26 мм (Т8) имели удельную нагрузку люминофора 1,15 и 3,33 мг/см² , давление аргона 1; 2,5 и 4 мм рт. ст.; мощностью 13 Вт в трубках диаметром 16 мм (Т5) - 1,40 и 2,03 мг/см² и 2; 4 и 8 мм рт. ст., соответственно.

Средние значения облученностей области УФС, УФВ, УФА от изготовленных ламп, создаваемые на расстоянии 1 м после 100 часов горения, получены при обработке результатов измерений, проведенных с помощью УФ-радиометра ТКА-АВС для партий ламп по 3-4 образца в каждой партии.

Результаты измерений представлены на рисунке 3.

Энергетический поток в области УФВ рассчитывался по результатам спектральных измерений на установке с монохроматором дифракционным МДР-23 и фотоприемником ФЭУ-100. Энергетический поток в области УФС оценивался из соотношения потоков и облученностей в области УФВ и УФС. Для ламп с удельной нагрузкой слоя люминофора 3,33 мг/см² средние значения потоков в области УФС и УФВ составили, соответственно, 0,043 и 0,803 Вт (отношение потоков - Ф_УФС: Ф_УФВ = 1 : 19), примерно такое же значение потока в области УФС имеют стандартные лампы типа ЛЭ 15.

Для ламп с удельной нагрузкой слоя люминофора 1,15 мг/м² средние значения потоков в области УФС и УФВ составляют, соответственно, 0,808 и 1,047 Вт (отношение потоков - Ф_УФС : Ф_УФВ = 1 : 1,3).

Для опытных образцов РЛНД с широкодиапазонным ультрафиолетовым спектром с различной удельной нагрузкой люминофора был проведен анализ качества при контроле таких технологические операции как подготовка электродных узлов, подготовка эритемного люминофора, откачка и наполнение инертным газом и пр.

Конечными параметрами, которые были приняты за основные при проведении отбраковочного контроля и анализе качества ламп мощностью 15 Вт, явились начальные электрические параметры и начальная облученность, размеры ламп, которые сравнивались с соответствующими значениями, регламентируемыми ТУ-09-4817-80, ТУ16-535-274-74.

При проведении выборочного отбраковочного контроля в соответствии с ГОСТ 6825-74, по результатам приемки отдельной партии ламп не выявлены дефекты по размерам ламп (выборка в количестве 20 шт.); по начальным электрическим параметрам и облученности (выборка 12 шт.).

а) б)

Рис. 3. Средние значения облученностей в ультрафиолетовых областях спектра в трубках из стекла марки РН160 при различных значениях удельной нагрузки эритемного люминофора от ламп мощностью 15 Вт для P_Ar= 2,5 мм рт. ст. (а) и ламп мощностью 13 Вт P_Ar= 8 мм рт. ст. (б)

Для ламп мощностью 15 Вт с удельной нагрузкой слоя люминофора 3,33 мг/см² среднее значение энергетического потока в области УФС составляет 0,043 Вт (значение регламентируемое ТУ16-535,274-74 0,15 Вт или 0,15 бк); энергетическая облученность в области УФВ не ниже 78 мВт/м² (соответствующей для люминофора Э-2 допустимой эритемной облученности 28 мэр/м²); спад облученности за 100 ч горения не выше 25% при давлении наполняющего газа 4 мм рт.ст. Для 6 ламп мощностью 15 Вт анализ качества проведен с получением комплексных оценок качества, по которым установлено, что наибольшую долю потерь качества составляет спад облученности после 2000 часов горения, превышающий регламентируемое значение.

Для ламп мощностью 13 Вт анализ проводился по сокращенному числу параметров. Для ламп с удельной нагрузкой слоя люминофора 2,03 мг/см² среднее значение энергетического потока в области УФС составляет 0,045 Вт. Все лампы имеют энергетическую облученность в области УФВ не ниже 78 мВт/м².

По результатам дисперсионного анализа, установлено, что давление аргона не оказывает существенного влияния на облученности в области УФВ и УФС в начале срока службы. Значимые различия при Р>0,95 в значениях облученности в зависимости от давления установлены только в случае ламп ЛЭБ-15 при сравнении результирующего отношения Фишера с критическим значением (17,86 > 5,32). Значимые различия при Р>0,95 установлены для различных удельных нагрузок люминофора ламп ЛЭБ-15 для излучения области УФС и области УФВ. Для ламп ЛЭБ-13 различия установлены для излучения области УФС, для излучения области УФВ различия отсутствуют.

Испытания на полный срок службы при постоянной работе ламп проводились с лампами ЛЭБ-15. Для ламп с давлением аргона 4 мм рт.ст. спад облученности достигает к 4000 ч горения 60% и практически не зависит от значения удельной нагрузки (доверительные интервалы при Р>0,95 перекрываются). Для ламп с давлением аргона 2,5 мм рт.ст. при удельной нагрузке 3,33 мг/см² после 1000 ч горения превысил 80%, при удельной нагрузке 1,15 мг/см² к 4000 ч горения достиг значения 60%.

Для повышения эффективности эритемных ламп и срока службы можно рекомендовать обеспечение давления наполняющего газа не менее 4 мм рт.ст.; применение эффективного люминофора (Э-4 или ФЛ-306), применение защитных пленок (например, на основе оксинитрита алюминия), применение геттера (газопоглотителя ТНЭ-3) и др.

Разработанные лампы при удельной нагрузке люминофора 1,15 мг/см² с излучением в области УФС и УФВ имеют в 3,2 раза более высокую эффективную отдачу и в 2 раза меньший спад эффективной отдачи к концу срока службы по сравнению с лампами типа ЛЭ.

Исследования характеристик эритемных ламп при импульсном однополярном высокочастотном питании с целью выявления оптимальных режимов питания были проведены с эритемными лампами мощностью 13 ,15, 30, 40 Вт. Однополярный высокочастотный импульсный режим питания наиболее близок к стационарному и наиболее прост для практической peaлизации.

Для проведения экспериментальных исследований использовалась экспериментальная установка кафедры источников света МГУ имени Н.П. Огарева, включающая усилитель мощности для усиления сигнала, поступающего с задающего генератора импульсов Г5-54 с частотным диапазоном до 100 кГц для обеспечения питания разрядной лампы однополярными импульсами тока произвольной амплитуды, частоты, скважности. В электрической схеме был предусмотрен также вариант питания испытуемой лампы переменным током с частотой 50 Гц, что необходимо для проведения сравнительных измерений. Методика обработки измерений интенсивности излучения линий ртути для ламп мощностью 30 и 40 Вт при использовании кварцевого спектрографа ИСП-30, основывалась на стандартной методике определения спектрального состава источника излучения и обеспечивала качественное сравнение интенсивностей линий ртутного разряда при различных режимах питания. Интегральные характеристики излучения ламп мощностью 30 и 40 Вт регистрировались при использовании в качестве приемника фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) типа 28 ЭЛУ-Ф15. При проведении измерений лучистых характеристик ламп мощностью 13 и 15 в ультрафиолетовых областях спектра (УФА, УФВ, УФС) применялся радиометр ТКА-АВС.

В результате спектральных измерений обнаружена тенденция изменения интенсивностей излучения нерезонансных линий ртутного разряда при увеличении частоты для ламп низкого давления ЛЭ-30 и ЛЭР-40: соответственно, 1,1-1,2% и 0,8% на частоте 50 Гц; 1,5% и 1,1% на частоте 5 кГц; 1,2% и 0,9% и на частоте.50 кГц

В результате проведения и анализа интегральных измерений установлено следующее:

- эффективность полного излучения эритемных ламп мощностью 30 и 40 Вт, определенная как отношение относительного потока излучения на повышенной частоте к относительному потоку излучения на частоте 50 Гц (ц_fлф+уф/ц_50лф+уф) при Р_л50 = Р_лf, с увеличением частоты возрастает и составляет для частоты 50 кГц 15-18% при скважности С=2 и 22-27% при С=3 по сравнению с режимом 50 Гц;

- при сопоставлении лучистой отдачи суммарного излучения люминофора и УФ линий ламп различной мощности в зависимости от частоты и скважности можно констатировать, что более эффективным для ламп обеих мощностей является режим при скважности С = 3. Для реального осуществления ВЧ режима можно рекомендовать для ламп ЛЭР-40 частотный диапазон 20-35 кГц, а для ЛЭ-30 - 30-50 кГц при скважности для обоих типов ламп равной 3.

В результате исследования работы ультрафиолетовых РЛ НД малой мощности на высокой частоте при импульсном однополярном питании при условии постоянства тока лампы установлено, что для ультрафиолетовых ламп мощностью 15 Вт при скважности 2 и частоте выше 5 кГц среднее значение облученности возрастает более, чем на 22% по сравнению с режимом 50 Гц; для ламп мощностью 13 Вт при скважности 3 и частотах 30 и 50 кГц среднее значение облученности в области УФВ и УФС возрастает на 15-17% по сравнению с режимом 50 Гц.

Разработка ультрафиолетовых ламп с излучением в области УФВ и УФС с увеличенным эффективным потоком, а также повышение лучистой отдачи за счет применения высокочастотных режимов питания способствует переходу к меньшим мощностям источников УФ излучения.

Четвертая глава посвящена вопросам совершенствования облучательных приборов для повышения энергетической и эритемной эффективности.

Для решения задачи повышения энергетической эффективности облучательных приборов использовались комплекты эритемная лампа - ЭПРА. Целью теоретических и экспериментальных исследований являлось создание опытного образца ЭПРА, осуществляющего питание лампы прямоугольными высокочастотными импульсами, обеспечивающего надежное зажигание лампы и стабильный рабочий режим. Исследования главы 3 показали возможность повышения относительной лучистой отдачи эритемных ламп при высокочастотном импульсном питании по сравнению с режимом 50 Гц. Кроме того, из литературных источников известно, что при высокочастотном питании РЛНД импульсные режимы являются более эффективным, чем синусоидальные ВЧ режимы.

Теоретические исследования характеристик ЭПРА проводились с применением адаптивных моделей расчета мгновенных значений электрических и потока резонансной линии ртути длиной волны 254 нм при различных режимах питания и форме питающего тока РД НД. Интегральные характеристики рассчитывались за период их изменения при задаваемом значении длительности паузы и условии ограничения амплитуды ВЧ импульсов в схеме ЭПРА кривой выходного сетевого напряжения преобразованной выпрямителем и сглаживающим фильтром, описываемого в различные моменты времени синусоидальной и экспоненциальной функциями. Для ламп мощностью 30 и 40 Вт расчет производился при условии постоянства мощности лампы. Первоначально задаваемое амплитудное значение напряжения в ходе расчета корректировалось до тех пор, пока среднее значение мощности не становилось равным установленной константе. В результате расчета определялись мгновенный ток (i_н), о.е., мгновенный лучистый поток 254-линии (F_н), о.е., относительные значения лучистой отдачи ртутной линии 254 нм эритемных ламп мощностью 30 и 40 Вт по сравнению со стационарным режимом. Установлено, что относительная лучистая отдача комплекта растет при увеличении величины сглаживающего фильтра с 30 до 50 мкФ, с увеличением частоты с 24 до 41-43 кГц и с увеличением скважности от 1,5 до 2,4. Значения относительной лучистой отдачи для ламп мощностью 30 Вт выше в среднем на 11%, чем для ламп 40 Вт.