Светотехнические установки для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных

Результаты математического моделирования ЭПРА были реализованы в схемном решении на основании варианта схемы ВЧ преобразователя (высокочастотного ключа) с одним среднечастотным транзистором при питании РЛ НД однополярными импульсами и разработанной схемой зажигающего устройства. Основной особенностью этой схемы является разделение режимов зажигания и горения лампы, осуществляемого с помощью соответственного подключения различных контактов реле, что позволяет исключить токоограничивающие резисторы и повысить надежность всего устройства. Схема высокочастотного ключа является автогенераторной (самовозбуждающейся), в которой функции преобразования и управления выполняются одними и теми же элементами схемы. Применение схемы с самовозбуждением представляется здесь наиболее обоснованным, так как в этой схеме присутствует обратная зависимость длительности импульса тока от напряжения на входе: чем меньше это напряжение, тем меньше скважность, что повышает стабильность лучистого потока.

При проведении экспериментальных исследований использовалась экспериментальная установка, обеспечивающая: плавное в заданных пределах изменение сетевого напряжения; мгновенное переключение испытуемой лампы с работы совместно с импульсным ЭПРА на работу совместно с дросселем; изменение полярности тока лампы; измерение температуры колбы.

Результаты испытаний трех аппаратов на временные параметры показали, что при постоянной длительности паузы действующее значение тока линейно зависит от длительности импульса и меняется в среднем от 0,28 до 1,01 А при изменении длительности импульса от 9,5 до 4,4 мкс (диапазон изменения частоты питания 50-75 кГц). Получены эмпирические коэффициенты для расчетных зависимостей тока лампы от напряжения.

Эксперимент по обнаружению катафореза в лампах ЛЭ-15 и ЛЭ-30 проводился при температуре окружающей среды 22⁰С. Катафореза в лампах ЛЭ-15 обнаружено не было, что, по-видимому, можно объяснить тем, что для коротких трубок (менее 600 мм длиной) катафорез значительно ослабляется за счет диффузного противотока ионов ртути в анодную область. Таким образом, однополярное питание существенно не изменяет лучистую отдачу ламп ЛЭ-15 особенно при импульсных режимах. Для ламп ЛЭ-30 при стационарном режиме время наступления катафореза составляет 13-15 мин. Следует отметить, что заметное снижение лучистой отдачи у ламп ЛЭ-30 при импульсном однополярном питании наблюдается после 40-60 мин горения.

Исследовались динамические характеристики электрических параметров на различных элементах схемы при зажигании лампы.

Исследовались эксплуатационные параметры ЛЭ-30 с ЭПРА в сравнении со стандартным комплектом с дросселем. Измерялись напряжение, ток и мощность лампы, ток, мощность схемы, лучистый поток, определялась лучистая отдача. Эксплуатационные характеристики комплекта эритемная лампа - ЭПРА лучше, чем у стандартного комплекта с электромагнитным ПРА. Из сравнения величин К_л видно, что плазма при ВЧ режиме имеет более высокую стационарность, что определяет больший поток и относительную отдачу. Получены параметры импульсных ЭПРА, при которых обеспечивается повышение лучистой отдачи комплекта: эритемная лампа - ЭПРА при токе лампы 0,32-0,34 А более, чем на 40% по сравнению с электромагнитным ПРА.

Разработаны варианты схем импульсного ЭПРА, обеспечивающие стабильный поток и возможность его регулирования за счет управления фоторезистором величины полного сопротивления балластного элемента.

Решение задачи повышения эритемной эффективности осуществлялась двумя способами. Первый способ основан на использовании в стандартных облучателях ультрафиолетовых ламп с излучением в области УФВ и УФС, разработке и исследованию которых посвящена глава 3 настоящей работы. Второй способ базировался на разработке новых облучательных приборов исходя из принципа одновременного использования ультрафиолетового излучения от двух типов ультрафиолетовых ламп, каждая из которых излучает поток либо области УФВ, либо области УФС, то есть могут применяться стандартные лампы типа ДБ и ЛЭ. Оба способа предполагают расширение функциональных возможностей облучательного прибора при его использовании как для профилактического облучения сельскохозяйственных животных, так и для обеззараживания помещений.

Конструкция многофункциональных облучателей, предназначенных и для облучения животных, и для обеззараживания помещений, совмещала конструкцию эритемного облучателя, обеспечивающего действие прямых УФ лучей для целей профилактического облучения, и конструкцию закрытого бактерицидного облучателя (рециркулятора), обеспечивающего обеззараживание среды обитания при безопасности нахождения под ним животных. Кроме того, при использовании источников ИК излучения облучатели обеспечивали функцию обогрева животных.

Для проведения испытаний на подопытных животных по эффективности облучения в области УФС, УФВ совместно с ИК (лампы T30/CL 500W) разработаны комбинированные облучатели, в которых за счет отраженной составляющей излучения от ламп ДБМ-15 и излучения от ламп ЛЭ-15 получено соотношение максимальных значений сил излучения области УФС и УФВ в энергетических единицах 1 : 16,3. Для проведения испытаний на подопытных животных по эффективности облучения в области УФС, УФВ разработаны комбинированные облучатели, в которых за счет отраженной составляющей излучения от ламп ДБМ-15 и излучения от ламп ЛЭ-15 получено соотношение максимальных значений сил излучения области УФС и УФВ в энергетических единицах 1 : 4,2.

Получение кривой силы излучения облучателей является необходимым условием для проведения программного расчета облученностей для уточнения средних доз в зависимости от размещения ОП в животноводческих помещениях при проведении эксплуатационных испытаний и исследовании биологических показателей и показателей продуктивности подопытных животных.

При создании энергоэкономичных облучателей повышенной эффективности с функциями профилактического, терапевтического облучения, обеззараживания воздуха и воды максимально их спектральные характеристики были приближены к функциям спектральной эффективности.

Облучатели с эритемно-бактерицидными лампами с использованием в качестве балласта и зажигающего устройства ЭПРА по сравнению с серийными эритемными и бактерицидными облучателями имели меньший вес и габариты. С целью оптимизации режимов облучения интенсивность излучения лампы регулировалась изменением напряжения питания при использовании разработанных вариантов схем стабилизации и регулирования потока излучения. Для облучателей на базе лампы типа PL мощностью 18 Вт в бактерицидной колбе с половиной колбы свободной от эритемного люминофора (соотношение энергетических потоков Ф_УФС : Ф_УФВ = 1 : 0,5 или Ф_бк : Ф_э = 1 : 0,2) с помощью расчетных соотношений определялись зависимости эффективных потоков от доз в диапазоне до 1,6 бк и 0,3 эр.

Установлено, что энергоэкономичные облучатели повышенной эффективности - бактерицидные облучатели-озонаторы, в которых бактерицидные свойства излучения линии л=254 нм усилены путем добавления более коротковолновой области УФС - озонообразующей спектральной линии л=184,9 нм, инициирующей в воздухе фотохимические реакции образования озона в безопасных для человека концентрациях (0,1-0,2 ПДК), обеспечивают в животноводческом помещении комплексное облучение высокого качества

Проведены исследования облучателей-озонаторов с лампами ДРБ-8 (ДБ 36), использованных в установке для обработки воздуха с содержанием примеси аммиака и сероводорода. В результате одного цикла работы концентрация аммиака снижалась на 31%, концентрация сероводорода на 21%. Применение ЭПРА на базе тиристорного инвертора позволяет повысить энергоэкономичность описанных облучателей-озонаторов.

Таким образом, создание облучателей повышенной эффективности с ЭПРА и с малоинтенсивными источниками УФ излучения, осуществляющих профилактическое облучение от коротковолнового УФС и длинноволнового УФВ излучений или обеззараживание и дезодорирование с использованием близкого и дальнего УФС излучения, позволяет: решить проблему увеличения эффективности источников УФИ без повышения его мощности, т.е. без дополнительных энергетических затрат; снизить затраты на светотехническую арматуру и эксплуатационные расходы ОУ; осуществить регулирование качества излучения при изменении технологических режимов облучения для разных видов объектов.

Пятая глава посвящена программно-техническому обеспечению проектирования и эксплуатации облучательных приборов и установок.

Совокупность облучателей и световых приборов рассматривалась как единый облучательно-световой комплекс. Для проектирования облучательно-световых комплексов с заданными интегральными и спектральными параметрами оптических полей проведена разработка светотехнического программного обеспечения. Разработаны технические требования к проектированию облучательно-световых комплексов с заданными интегральными и спектральными характеристиками распределения излучения и оптимальным использованием электроэнергии, достигаемых путем определения эффективных кривых силы света (КСС) и кривых силы излучения (КСИ) для СП и ОП, выбором источников излучения по мощности и спектральному составу. Для сбора и контроля фотометрических данных об облучательных приборах и установках в процессе проектирования, производства, испытаний и эксплуатации были разработаны и изготовлены автоматизированные устройства сбора данных с программным обеспечением для их обработки.

В системной разработке ОП для облучения животных основной задачей проектирования является разработка профиля поверхности оптического устройства эффективно перераспределяющего излучение при обеспечении заданных светотехнических параметров ОП, а также высокого оптического и эксплуатационного КПД. В основу расчета профиля зеркального отражателя облучателя с цилиндрическим источником излучения положен метод заполнения заданной КСИ зональными, дополненный выражениями, описывающими зональные КСИ по действительной функции габаритной яркости. При расчете отражателей ОП с трубчатыми разрядными лампами низкого давления учитывался ряд параметров, таких как радиус лампы r_л, высота отражателя от центра лампы h, начальный угол падения на отражатель ₀, защитный угол (угол затенения) , коэффициент отражения отражателя с, а также заданная кривая силы излучения, графически изображающую зависимость I = f(), где -- угол между направлением силы излучения и осью облучателя.

Сила излучения, Вт/ср, для выбранного шага изменения угла Дб определялась по формуле:

(12)

где - i-я составляющая заданной КСИ при , где ;

ц_отр - угол охвата отражателя, в котором лучи от лампы отражаются от поверхности отражателя и распределяются в пространстве под облучателем в соответствии с заданной КСИ по зависимости б = f(ц), град.

Профильная кривая зеркального отражателя может быть набрана рядом зон разной кривизны, имеющих общие нормали в граничных точках.

Уравнение, дающее зависимость между граничными радиус-векторами r_j, r_j+1 , м, и полярными углами ц_j, ц_j+1 , град , имеет вид:

(13)

где

(14)

Выражение для энергетической яркости, Вт/(м^2.ср) зоны отражателя примет вид:

,(15)

где I_o - сила излучения равнояркого цилиндрического тела, Вт/ср; r_{ср j} - средний радиус j-ой зоны, м; у_j - угол между нормалью к средней точке отрезка профильной кривой j-ой зоны и лучом, вдоль которого направлен радиус r_{ср j}, град; ^ц'_jk - угол (град) между лучом, вдоль которого направлен радиус r_{ср j}, и направлением луча, изменяющегося с шагом Дц' от ц'=0⁰ до ц'=ц'_пред при этом , где .

Зональная сила излучения Iб определялась по закону Манжена.

Синтез профиля оптического устройства облучателя с цилиндрическим источником излучения был реализован с помощью программного обеспечения «LFM 3.1 - Syntesis», разработанного в ядре системы MATLAB.

В основу расчета профиля облучательного прибора (ОП) на базе ультрафиолет излучающих диодов (УФД) положен метод элементарных отображений. Применительно к излучающим диодам задача упрощается, так как за элементарное отображение (ЭО) можно принять ультрафиолет излучающий диод, имеющий конечные габаритные размеры. При этом использование численно-лучевых методов при построении задаваемой КСИ основывалось на известной КСИ УФД. Для модуля с УФД была выбрана полусфера. Расчеты сводились к определению радиуса полусферы для размещения необходимого количества УФД с целью получения заданной КСИ. При известном диаметре основания полуцилиндрических УФД d и заданном расстоянии между двумя соседними диодами 2а радиус. Угол между окружностями, на которых располагаются УФД (угол между зонами), определяется как Д = _max/m, где _max - максимальный угол излучения модуля, m - число зон. R полусферической поверхности модуля (м) можно определить по формуле:

,(16)

Тогда средний радиус соответствующей зоны r_{ср k} (м) - окружности, на которой расположены УФД, в плоскости перпендикулярной оси симметрии модуля можно определить по формуле:

(17)

где ц_{ср k} - средний угол тороидной зоны, (град).

Расчет максимального количества УФД (n_{max k}), которое можно разместить в k-ой тороидной зоне, производился по формуле:

(18)

Зональные потоки определялись как произведение силы излучения в направлении ц_{ср k} зоны и зонального телесного угла. Для расчета количества УФД в каждой зоне было использовано уравнение зональных лучистых потоков, в котором величина зональных потоков пропорциональна площади светлой части зоны.

В модуле с вогнутыми поверхностями существенное влияние на величину общего потока излучения модуля может оказывать взаимное расположение УФД. Для обеспечения минимизации перекрытия потоков излучения УФД корпусами смежных диодов с целью повышения КПД необходимо откорректировать значение радиуса при известном угле излучения УФД с использованием уравнения касательной, прямой выходящей из светового центра одного УФД к сферической части поверхности другого. Минимальный радиус окружности поверхности модуля R (м) можно определить по формуле:

(19)

Значение радиуса, полученное по формуле (19) сравнивается со значением, полученным по выражению (16). В процессе расчета происходит корректировка значения R при вычисленном с помощью уравнения касательной угле Д.

Синтез профиля полусферического облучательного прибора на основе УФД и светодиодов реализован с помощью программы «LFM 3.1 - LED» в ядре системы MATLAB.

В результате проведенных расчетов созданы и испытаны рабочие образцы облучателя с цилиндрическим источником излучения и светодиодного модуля. Количество светового потока вышедшего за пределы допусков расчетной КСС типа Г светодиодного модуля составили 15,4%, экспериментального - 10,1% (регламентируемое значение 20%).

Для ускорения процесса измерения и обработки фотометрических данных ОП при их проектировании было разработано автоматизированное устройство сбора фотометрических данных, на базе микроконтроллера (МК) семейства AVR фирмы «Atmel» с использованием программ, написанных в Borland Delphi 7, для организации обмена данными от приемника излучения, МК и ПК. Для преобразования аналогового сигнала от приемника ОИ в цифровой код используется встроенный в МК аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Блок согласования сигналов представляет собой операционный усилитель с инвертирующей схемой включения. Управление работой автоматизированного устройства осуществляется с помощью программного обеспечения, которое установлено на ПК. Считывание информационно-измерительного сигнала производится по шинам RS-232 (COM-порт) и I2C (LPT- порт). Регистрируемые данные сохраняются в файл в формате *. csv, который можно открыть в программе Microsoft Excel или в любой системе управления базами данных для дальнейшей обработки.

Для удобства представления полученных результатов в соответствии с ГОСТ 17677-82 была разработан комплект программ «Свет из Мордовии-LFM-Metr-IES», входящий в программный комплекс LFM 3.1. Главное окно комплекта программ содержит кнопки вызова программ: кнопка «RPТ» - для программы создания отчета в формате *.rpt, фотометрических данных ОП по ГОСТ 17877-82; кнопка «IES» - для программы формирования файла в формате IES. Файлы, записанные в формате *.ies (IESNA:LM-63-1995), могут быть загружены в различные компьютерные программы для проектировании осветительных установок.

Программно-техническое обеспечение для проектирования светотехнических установок включает программу расчета освещенности (облученности) - «LFM». Программа «LFM» является утилитарной, базируется на точечном методе расчета и использует принятые в упрощенных методах допущения. Базы данных (БД) для различных версий программ выполнены в различных системах: Microsoft Access и Paradox for Windows (версия 4.5 компании Borland). В основу концептуальной модели был положен принцип представления данных в соответствии с формой, принятой в каталогах отечественных предприятий-изготовителей светотехнической продукции. В качестве логической модели была принята реляционная модель данных, в которой объекты и связи между ними представляются в виде таблиц, при этом связи тоже рассматривались как объекты, то есть кроме описания структуры таблиц, задавались связи между таблицами. Запросы в базе формируются на языке структурированных запросов (SQL -- Structured Query Language). Связь с программой расчета облучательной установки осуществляется с помощью технологии ODBC, позволяющей использовать БД, созданные приложением при помощи SQL. При выборе ОП возможен избирательный подход к техническим характеристикам: напряжению питания, типу источника света, типу ПРА, мощности, модификации ОП и др. Такой выбор осуществляется с помощью фильтра - программы выбора ОП по заданным параметрам. Вводимыми параметрами в окне интерфейса программы расчета являются: задаваемая средняя облученность, размеры помещения, высота подвеса, коэффициент запаса, коэффициент использования. Программа позволяет рассчитывать распределение облученности по рабочей поверхности. Результатом предварительного расчёта является необходимое число ОП, высота их подвеса при автоматическом размещении ОП. Корректировочные расчёты позволяют уточнить размещение и число ОП. Результаты расчета ОСУ выводятся на печать в описательном, в табличном и графическом представлении в форме именованного отчёта.

Модифицированная программа «LFM» для расчета облученности, используемая для проектирования облучательных установок, имеет дополнительный расчетный блок для определения спектрального распределения от источников излучения различного спектрального состава.

Алгоритмы расчета основывались на определении спектральных энергетических освещенностей в точках рабочей поверхности отдельно для каждого из близко расположенных источников: Формула для расчета спектральной энергетической освещенности от i-го ОП в точках рабочей поверхности имеет следующий вид:

(20)

где Ф_i(л) - спектральный поток излучения от i-го источников, Вт; з, К₃ - коэффициенты использования и запаса; h - высота подвеса над рабочей поверхностью, м; а_i - расстояния от ОП до расчетной точки в проекции на горизонтальную плоскость, м.

Реализация алгоритмов в виде программы расчета спектрального распределения энергетической освещенности «LFM-Spectrum» выполнена в среде Delphi 7.

Для строящихся и реконструируемых животноводческих комплексов были разработаны основные этапы проектирования ОУ, определены основные техническим требования с указанием необходимых параметров расчета для проектирования ОСУ.

С целью образования единого облучательно-светового комплекса для создания благоприятной оптической среды в животноводческих помещениях расчет облучательных светотехнических установок был проведен после расчета осветительных установок с согласованием расположения светильников и облучателей. С помощью вычислительного эксперимента проанализировано несколько вариантов установок для типовых животноводческих помещений (проекты 801-275, 801-314, 801-315).

Компьютерная оптимизация облучательно-световых комплексов на основе новых светотехнических средств позволила выявить варианты ОУ с удельными мощностями в 1,5 раза меньшими, чем с использованием стандартных светильников, и ОСУ с удельными мощностями в 3,4 раза меньшими, чем с использованием стандартных облучателей. Так для светотехнических установок со стандартными светильниками ПВЛМ-ДОР-2х36 (КСС типа Д) удельные мощности составили 3,2-4 Вт/м² при Е_ср/Е_макс < 0,7, для опытных двухламповых светильников с ЛБЦТ-35 (КСС типа Ш1) - 2,5-2,9 Вт/м² при Е_ср/Е_макс > 0,9.Для случая экономного режима, действующего в течение периода с марта по октябрь с освещением от двух центральных рядов светильников: для ПВЛМ-ДОР-2х36 удельная мощность составляет 2 Вт/м², СП с ЛБЦТ-35 - 1,45 Вт/м². При оснащении телятника установкой для УФ профилактического облучения, действующей совместно с осветительной, облучателей, установленных в рядах между светильниками ПВЛМ-ДОР-2х36 потребуется примерно в полтора раза больше, чем с установкой с СП с лампами ЛБЦТ -35 (рис.4). В ОСУ при замене стандартных облучателей ЭСП01-30 с эритемными лампами мощностью 30 Вт опытными облучателями с разработанными лампами ЛЭБ-13 при отношении энергетических потоков для ламп с удельной нагрузкой 1,40 мг/см² Ф_УФС : Ф_УФВ = 1 : 1,1 при том же времени облучения позволяет снизить удельные мощности и расход электроэнергии примерно в два раза.



Рис. 4. Зависимости удельной мощности установок от ширины помещения: 1 - со светильниками ПВЛМ-ДОР-2х36, 2 - с опытными СП с ДНаТ-70 и 3 - СП с двумя ЛБЦТ -35 при высоте подвеса 2,8; 2,5; 2,2 м

Основной проблемой эксплуатации облучательных установок является поддержание постоянства дозы облучения. При снижении потока излучения в течение срока службы, загрязнения ламп, отклонения температуры окружающей среды от номинальной, отклонения напряжения питающей сети, повышенной влажности в животноводческих помещениях доза может уменьшится до значений, при которых облучение перестанет быть эффективным.

Для решения этой задачи разработано автоматизированное устройство контроля времени облучения в процессе эксплуатации. Автоматизированного устройство содержит следующие узлы: приёмник оптического излучения, датчик температуры, блок согласования сигналов, микроконтроллер семейства AVR фирмы «Atmel», интерфейс-адаптер RS-232, вторичный блок питания. Программное обеспечение, установленное на ПК, обеспечивает регистрацию показаний от датчиков с занесением в сводную таблицу с дальнейшей обработкой результатов измерений оператором. С помощью программы осуществляется сравнение текущего показания уровня облученности со значением облученности при нормальных условиях (температуры, влажности) с учетом спада лучистого потока в процессе срока службы, сравнение производится и с требуемой дозой облучения в соответствии с установленным временем облучения в сутки. В результате сравнения принимается одно их трех решений: о чистке ламп, изменении времени облучения, о замене ламп. При снижении облученности на 30%, необходимо увеличить время облучения также на 30%. В диапазоне значений облученностей не превышающих 30% от номинальных значений, стабилизацию потока излучения можно осуществлять за счет блока стабилизации ЭПРА.

Таким образом, программное обеспечение способствует созданию светотехнических установок с заданными контролируемыми в процессе эксплуатации значениями средних освещенностей и облученностей, с эффективными КСС и КСИ используемых осветительных и облучательных приборов, что способствует совершенствованию электротехнологий в животноводстве.

Шестая глава посвящена научно-производственным испытаниям разработанных облучательных светотехнических установок.

Целью комплексных исследований по совершенствованию фотобиологического технологического процесса при воздействии разрабатываемых технических средств облучения на сельскохозяйственных животных являлось установление аналитических зависимостей продуктивности телят (среднесуточных привесов) в сравнении с контрольной (необлучаемой) группой от эффективной дозы облучения для прогнозирования выхода дополнительного хозяйственного продукта в установленные зоотехнические сроки за счет повышения эффективности облучательных светотехнических установок.

В настоящей работе представлены результаты комплексных исследований биологической эффективности УФ облучения (УФО), генерируемого установками с высокочастотным питанием и комбинированными установками с излучением области УФВ, УФС и ИК. Биологическая эффективность оценивалась по функциональному развитию, состоянию здоровья молодняка КРС и в конечном итоге по приросту продуктивности животных. Параллельно проводилась оценка технико-эксплуатационных характеристик и экономических показателей разработанных светотехнических средств.

В составе масштабных комплексных исследований эксперимент проводился сериями опытов. Контроль биологических показателей осуществлялся гематологическими, биохимическими, биометрическими, физиологическими, этологическими методами.

Для обеспечения, сравнимости результатов экспериментов, поставленных в разных с.-х. помещениях на разных группах животных, условия проведения экспериментов контролировались по внешним переменным - показателям микроклимата с использованием зоогигиенических методов.

Продолжительность опыта составляла 3-3,5 месяца (в соответствии с рассматриваемым циклом выращивания). Суточный режим УФО представлял собой 3-х и 4-х кратные включения, управляемые автоматизированными устройствами управления.

Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики с помощью критериев значимости и с учетом корреляционных связей. Для идентификации объектов исследования применялись комплексные оценки с помощью методов корреляционного и регрессионного анализа.

Исследования эффективности применения высокочастотного питания реализуемого с помощью ЭПРА проводились в сравнении со стандартными облучателями с электромагнитными ПРА. Все группы облучались с суточной дозой 140 мэр^.ч/м².

В результате проведенного исследования было установлено, что применение ламп ЛЭР-40 с высокочастотным ЭПРА с блоком стабилизации потока излучения для ультрафиолетового облучения животных является более эффективным, чем с электромагнитным ПРА (привесы по сравнению с контролем в среднем составили соответственно 15 и 7%. Во втором опыте при отсутствии блока стабилизации привесы не имели значимых различий и в среднем были для ОП с ЭПРА 8%, для ОП с электромагнитным ПРА - 11%. выше, чем в контрольной группе. Во втором опыте параллельно исследовалась возможность прогнозирования привесов при помощи этологических (поведенческих) показателей. В результате анализа были получены достоверные значения коэффициентов корреляции и установлена умеренная (ближе к сильной) и сильная связь между привесами телят и индексами пищевой активности, а также индексом двигательной активности. Причем значения привесов на всем протяжении опыта вплоть до его окончания имеют сильные связи с индексами пищевой активности, определенными для контрольной группы в марте (в начале поставки опыта) и для опытной группы в апреле, то есть через месяц после начала воздействия ультрафиолетового излучения. Увеличение значения индекса пищевой активности телят в контрольной группе через месяц составляло 11,7%, в опытной группе 19,8%, соответственно для индекса двигательной активности - 23,1 и 58,5%. Существенное различие между указанными показателями говорит о высокой разрешающей способности метода в прогнозировании конечных привесов.

Исследования по применению комбинированного излучения УФВ и УФС проводились в несколько серий опытов при использовании разработанных ламп и облучателей с целью выявления возможности повышения продуктивности животных при сравнении со стандартными облучателями с лампами типа ЛЭ, а также типа ДБМ.

Значения эффективных доз определялись по средним значениям облученности, вычисленным с помощью компьютерных программ, и представлялись в двух системах единиц измерения мэр^.ч/м² (в соответствии с РТМ.3-381-73) и Дж/м² (в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000). Например, «для ламп типа ЛЭ-30 средняя эффективная доза УФВ облучения составляла 36 мэр^.ч/м² (167 Дж/м²)».

Сравнительный анализ результатов исследований по воздействию излучения УФВ и УФС был проведен после уточненных расчетов с помощью программы расчета ОСУ для средних по площади на уровне спин животных значений облученностей и доз, рассчитанных по ФОСЭЭ в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000 (табл.2).

Таблица 2. Среднесуточные привесы облучаемых животных по сравнению с контролем в зависимости режимов и усредненных по площади доз облучения на уровне спин животных (ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000)

Место и время опыта	Используемые ОП и ИС	Дозы, Дж/м2	Ср. сут. при- весы, %
		DУФВ	DУФС	DУФВ+DУФС	Y
Совхоз "Россия" 90	ЛЭ30	388			105,1
	ЛЭБ30	167	158	325	115,2
Учхоз МГУ 04	ЛЭ30	384			109,1
	ДБМ30		504		115,3
СПК "Садовод" 05	ОЖ (ЛЭ15, ДБМ15)	152	111	263	111,7
	ЛЭ30	622			116,3
	ДБМ30		760		124,6
	ЛЭБ30	622	760	1382	116,9
ООО"Кочкуров-ский"07	ЭКСП06 (ЛЭБ15, ДБМ15)	374	252	626	145,8

Из таблицы 2 можно установить, что при значениях суммарных доз выше 850 Дж/м² наблюдается уменьшение привесов, связанное по-видимому с подавлением физиологических процессов живого организма при передозировке. Дальнейший анализ проведен для диапазона доз ниже критического значения. Для расчетных значений эффективных потоков, вычисленных по соответствующим функциям относительной спектральной эритемной эффективности (ФОСЭЭ) построены графики и получены линии регрессии (рис.5), представленные в виде математических зависимостей: зависимость эффективного потока от D_УФВ+D_УФС (по бимодальной ФОСЭЭ) D_УФВ+D_УФС (ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000) в виде степенной и линейной функции. Наибольшие привесы получены для экспериментального четырехлампового облучателя ЭКСП06. Режимы облучения: для 2хЛЭБ-15 - 3 часа ( 4-5; 12-13; 20-21 ч); при средней облученности в области УФВ 27 мэр/м²; 2хДБМ-15 5 часов (23-4 ч.) при средней облученности в области УФС 14 мВт/м².

Для математического моделирования технологии УФО были получены зависимости привесов телят в возрасте до 6 месяцев от эффективной дозы облучения для различных ФОСЭЭ в диапазоне 0,7-1,8 Вт области УФВ и 0,4-1,4 Вт области УФС при высоте подвеса облучателей 0,82-1,2 м, при времени облучения 1 час и естественной (искусственной) освещенности 50-160 лк.

Из проведенного анализа можно сделать следующие заключения:

1) Технологический процесс облучения животных для ламп и облучателей с излучением в области УФВ и УФС, действующими совместно и отдельно, в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000 описывается, соответственно, уравнениями:

(21)

(22)

где у - привесы облученных телят, % (за 100% приняты привесы необлученных животных); D_{эф Г-2000} - эффективный поток, рассчитанный по ФОСЭЭ в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000, Вт.

2) Технологический процесс облучения животных для ламп и облучателей с излучением в области УФВ и УФС, действующими совместно и отдельно, в соответствии с бимодальной ФОСЭЭ описывается, соответственно, уравнениями:

 (23)

(24)

где у - привесы облученных телят, % (за 100% приняты привесы необлученных животных); D_{эф бимод} - эффективный поток, рассчитанный в соответствии с бимодальной ФОСЭЭ, Вт.

а) б)

Рис. 5. Зависимости привесов телят от суммарной дозы, рассчитанной по ФОСЭЭ бимодальной с линейным трендом (а), в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000 с линейным трендом (б)

Регрессионный анализ по идентификации процесса облучения животных выражениями (21) - (24) проведен с оценкой воспроизводимости с помощью критерия Кохрена и оценкой адекватности с помощью критерия Фишера. Эксперимент с получением уравнений для привесов в зависимости от эффективных доз признан воспроизводимым, оценки привесов адекватными.

Наибольшие привесы по данным экспериментальных исследований получены при совместном (комбинированном) воздействии излучения области УФВ и УФС. Проведенный анализ показывает, что степень корреляции полученных уравнений регрессии для описания технологического процесса облучения телят с получением значений привесов в зависимости от эффективного потока высокая с коэффициентом детерминации R² близким к единице. Однако для зависимостей потоков, вычисленных по стандартной ФОСЭЭ, от доз нет различия в тангенсе угла наклона для совместного и отдельного действия излучения области УФВ и УФС. Это не согласуется с коэффициентами 0,0994 и 0,0303 при D_эф в выражениях (21), (22). В тоже время как для потоков, вычисленных по бимодальной ФОСЭЭ, такое различие есть, что согласуется с коэффициентами 0,0999 и 0,0292 в выражениях (23), (24). С помощью бимодальной ФОСЭЭ теоретически найдено оптимальное соотношение доз области УФВ и УФС, подтвержденное экспериментально. В связи с этим целесообразно при значениях отношений эффективных доз области УФВ и УФС, вычисленных по стандартной ФОСЭЭ, превышающих 1,6, применить более детальный анализ с использованием выражения с бимодальной ФОСЭЭ (6).

Использование корреляционного метода анализа для показателей продуктивности телят, показателей роста и здоровья позволило выявить наиболее значимые с точки зрения прогнозирования конечного результата показатели роста и здоровья молодняка КРС. Для прогнозирования конечных привесов могут быть рекомендованы наиболее информативные поведенческие показатели. Отмечено положительное влияние облучения лампами с излучением УФС на иммунную систему, на что указывает значительное повышение гамма-глобулина в составе крови облучаемых животных по сравнению с животными контрольных групп.

В одном из опытов с облучателем ОЖ имел место значительный разброс привесов, связанный с обнаруженным в процессе опыта заболеванием (диспепсии). Вследствие этого появилась необходимость дифференцировать структуру данных и выявить внешние факторы, вызывающие существенные различия в полученных привесах. Наряду с основным регулируемым параметром (x₁)- облученностью, в анализ был введен фактор, появившийся в результате патологии (x₃) - число дней заболевания, варьирующихся у телят от 3 до 8. Были выделены два уровня заболеваемости нижний - 3-4 дня и верхний - 6-8 дней. Вторым внешним фактором (x₂) являлся исходный вес телят - вес при рождении. На диапазон изменения веса были наложены ограничения и выделены две группы с весом 39-42 кг и 45-46 кг. Эксперимент определялся тремя независимыми переменными и одной зависимой и был классифицирован как многофакторный эксперимент типа 2³. С использованием экспериментальных данных для нормированных переменных была построена линия регрессии:

y=11,285+0,63х₁-0,951х₃+0,554х₁х₂ -1,016х₁х₃+0,835х₂х₃ (25)

При выполнении условия Кохрена и критерия Фишера эксперимент был признан воспроизводимым, модель адекватной. Проведенный анализ позволил выявить особенности технологического процесса облучения телят на фоне патологии. Регрессионный анализ применен при сравнительных экспериментах для отдельного действия источников с излучением в области УФВ и УФС, в результате которого установлены значимые различия коэффициентов регрессии на отдельных стадия эксперимента.

Комплекс методов планирования и организации фотобиологического эксперимента при учете технических и биологических аспектов его проведения с привлечением эффективных методов анализа полученных результатов обеспечивает эффективный контроль и возможность прогнозирования показателей мясной продуктивности молодняка КРС.

В основу экономических расчетов было положено определение возможности получения максимальной прибыли от использования ОСУ. Проведен расчет влияния поголовья и продуктивности телят на выход продукции животноводства и расчет влияния категории упитанности телят на среднюю цену реализации С учетом эксплуатационных и приведенных затрат сравниваемых вариантов ОСУ вычислена себестоимость и прибыльность продаж мясной продукции. Получение прибыли для варианта с экспериментальным четырехламповым облучателем с излучением УФВ и УФС, говорит о возможности перехода к рентабельному производству мясной продукции.

На основании анализа планирования результатов производственной и сбытовой деятельности можно рекомендовать внедрение разработанных облучателей в производстве светотехнических предприятий.

Основные выводы и результаты работы

1. На основе теоретических, экспериментальных и прикладных результатов работы выработан комплексный подход к вопросам повышения эффективности светотехнических установок с использованием программного обеспечения для технологий освещения и облучения сельскохозяйственных животных, включающим лампы с учетом спектрального состава излучения и условий генерации разряда, облучательные приборы с учетом конструктивного исполнения, облучательные установки, используемые совместно с осветительными, с оптимизированными интегральными и спектральными характеристиками распределения энергетической освещенности при минимизации удельной мощности.

2. Разработаны математические модели для определения эффективного потока с помощью бимодальной функции относительной спектральной эритемной эффективности с учетом меняющихся в зависимости от доз соотношений между уровнями максимумов этой функции и стандартной функции эритемной эффективности в рабочем диапазоне доз профилактического УФО сельскохозяйственных животных; предложено оптимальное отношение энергетических доз (потоков) УФВ и УФС не превышающее 3.

3. Уточнена математическая модель для описания ртутного разряда низкого давления для определения электрических характеристик и эритемного потока источников УФИ и работы разрядной лампы с электронными пускорегулирующими аппаратами.

4. Отработаны конструктивные решения комплекта «ультрафиолетовая РЛНД - импульсный ЭПРА» на основе экспериментальных исследований и математического моделирования процессов, происходящих в РЛНД; получено повышение лучистой отдачи комплекта более, чем на 40% при реализации импульсного высокочастотного питания на частотах 30-50 кГц с регулированием уровня входного напряжения.

5. Созданы и защищены авторским свидетельством и патентами новые конструкции ультрафиолетовых РЛНД и облучательных приборов, позволяющие более, чем в 1,5 раза, увеличить эффективность, улучшить энергосберегающие и ресурсосберегающие свойства за счет расширения спектра излучения в области УФС, ведущие уменьшение мощности и габаритных размеров.

6. Выявлены на основе экспериментальных исследований с использованием гибких методик анализа качества и дисперсионного анализа пути повышения эффективности, качества, улучшения эксплуатационных характеристик ультрафиолетовых РЛНД при их производстве.

7. Созданы алгоритмы и программы расчета профиля отражателя для трубчатых ламп и модуля с ультрафиолет излучающими диодами, обеспечивающими требуемые светотехнические параметры приборов.

8. Разработаны принципы усовершенствования облучательных приборов и технические требования к проектированию светотехнических установок оптимального использования электроэнергии для животноводческих комплексов.

9. Разработаны концептуальная модель и алгоритмы программно-технического комплекса для проектирования осветительно-облучательных установок с получением интегральных и спектральных характеристик распределения энергетической освещенности в точках рабочей поверхности, а также контроля параметров при проектировании световых и облучательных приборов.

10. Проведена оптимизация параметров и режимов работы светотехнических установок с помощью разработанных светотехнических средств и программного обеспечения для расчета освещенности и облученности для обеспечения энергосберегающих технологий в сельскохозяйственном производстве при уменьшении удельной мощности в 1,5 и более раз по сравнению с существующими осветительными и облучательными установками.

11. Получены результаты экспериментальных исследований промежуточных биологических и зоотехнических показателей, а также конечных показателей продуктивности телят в зависимости от параметров спектра и доз воздействующего ультрафиолетового излучения.

12. Применен новый метод промежуточного контроля и прогнозирования показателей мясной продуктивности КРС.

13. Получено на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием корреляционного и регрессионного анализа математическое описание технологического процесса УФО молодняка КРС для контроля и прогнозирования мясной продуктивности с указанием области применимости стандартной и бимодальной функции относительной спектральной эритемной эффективности в зависимости от величины доз области УФС, УФВ и их соотношения.

14. Разработаны рекомендации по обеспечению технологического УФ облучения области УФС и УФВ от разработанных облучательных установок на базе новых светотехнических средств и автоматизированных устройств контроля эксплуатационных характеристик с использованием полученного математического описания, которое обеспечивает увеличение привесов от 15 до 45% по сравнению с необлученными животными.

15. Установлено, что при использовании разработанных ОСУ возможен переход к рентабельному производству мясной продукции с получением прибыли от продаж до 5%.

16. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в научно-исследовательских и проектных институтах, на промышленных и сельскохозяйственных предприятиях Республики Мордовия.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Коваленко О.Ю. О возможности применения перспективных источников излучения в осветительных и облучательных установках / О.Ю. Коваленко, В.В. Козырева // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. - 2008. - Вып. №4(29). - С. 9-13.

2. Коваленко, О.Ю. Повышение эффективности оптического излучения в сельскохозяйственном производстве / О.Ю. Коваленко, С.А. Овчукова // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-2006.- №4. - С.18-20.

3. Коваленко, О.Ю. Возможность использования оптического излучения для повышения производительности труда и оздоровления персонала в полиграфической промышленности / О.Ю. Коваленко, С.А. Овчукова, М.Н. Паротькина // Проблемы полиграфии и издательского дела. - 2007. - №1. - С. 26-29.

4. Коваленко, О.Ю. Математическое моделирование воздействия оптического облучения на биообъект / О.Ю. Коваленко, Н.И. Кирилин, С.А. Овчукова // Пути повыш. эффективн. функционир. механич. и энергетич. сист. в АПК: межвуз. сб. научн. тр. - Саранск: Тип. «Крас. Окт.», 2003. - с.118 - 122.

5. Коваленко, О.Ю. Физические основы действия оптического излучения на биообъект / О.Ю. Коваленко, С.А. Овчукова // Свет без границ: Тезисы докладов VI Междун. светотех. конф. 19-21 сентября 2006 г.- Калининград, 2006. - С. 60.

6. Коваленко, О.Ю. Основы действия оптического излучения на биообъект / О.Ю. Коваленко, С.А. Овчукова, С.А. Микаева // Инженерная физика. - 2008. - №2. -С.43-48.

7. Коваленко, О.Ю. Облучение сельскохозяйственных животных для повышения их продуктивности / О.Ю. Коваленко // Светотехника. - 2004. - №5. - С.18-22.

8. А. с. 1749950 СССР. МКИ³ Н 01 J 61/42. Газоразрядная лампа низкого давления с комбинированным излучением./ Коваленко О.Ю., Кокинова С.Я., Дадонов В.Ф., Овчукова С.А., Прикупец Л.Б. (Россия). - №4882061; заявл.16.11.90; опубл.22.03.92, Бюл. №27. - 3 с.: ил.

9. Пат. 2163407 РФ. МПК⁷ Н 01 J 61/42. Газоразрядная лампа низкого давления / Ашрятов А.А., Коваленко О.Ю., Овчукова С.А. (Россия). - №99116802/09; заявл. 03.08.1999; опубл.20.02.2001, Бюл. №5. - 3 с.: ил.

10. Коваленко, О.Ю. Новые возможности повышения эффективности эритемных ламп /О.Ю. Коваленко, В.Ф. Дадонов//Светотехника.-2008.- №2.-С.43-44.

11. Коваленко, О.Ю. Некоторые аспекты совершенствования ультрафиолетовых разрядных ламп низкого давления для целей облучения животных / О.Ю. Коваленко. - Вестник МЭИ. - 2008. - №4. - С.99-101.

12. Коваленко, О.Ю. Влияние высокочастотного импульсного питания на лучистую отдачу эритемных люминесцентных ламп / О.Ю. Коваленко // Тез. докл. тр. II Междун. светотехн. конф. 27 мая, 1995. - Суздаль,1995. - с.167.

13. Коваленко, О.Ю. Применение эритемно-бактерицидных ламп для ультрафиолетовых облучателей / О.Ю. Коваленко, И.Р. Шашанов, В.Н. Миронов, В. А. Здоровинин // Тез. докл. научн. конф. Огаревские чтения. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1991.- с.107-109.

14. Коваленко, О.Ю. Ультрафиолетовое облучение телят раннего возраста новыми эритемно-бактерицидными газоразрядными лампами // Функцион. морфология, болезни плодов и новорожд. животных: межвуз. сб. науч. тр. / О.Ю. Коваленко, И.Р. Шашанов, В.Н. Миронов, В. А. Здоровинин - Саранск: Изд. Мордов. ун-та, 1993.- с.107-110.

15. Коваленко, О.Ю. Ультрафиолетовые лампы при импульсном высокочастотном питании / О.Ю.Коваленко, В.К.Самородов, А.В. Кудряшов // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. 23-24 окт. 2008 г. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2008. - С.66-67.

16. Коваленко, О.Ю. К расчету потока излучения резонансных линий ртути в лампе НД, включаемой с электронным импульсным ПРА / О.Ю. Коваленко // Тез. докл. III Междунар. светотех. конф. 9-12 июня, 1997. - Н.-Новгород, 1997. - с.122.

17. Коваленко, О.Ю. Повышение лучистой отдачи разрядных ламп низкого давления и стабилизация потока излучения в облучательных приборах / О.Ю. Коваленко, С.А. Микаева // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2007. - №12. - С.36-39.

18. Коваленко, О.Ю. Параметры светотехнической установки для предпосевной обработки семян / О.Ю. Коваленко, А.В. Иванцев, С.В. Усанова // Механизация и электрификация сельского хозяйства.-1996. - № 5. - с.15-16.

19. Коваленко, О.Ю. Светотехническая установка - имитатор Солнца / О.Ю. Коваленко, А.С. Иванцев, С.В. Усанова // Осветление' 96: тез. докл. тр. Междунар. светотехн. конфер. 9-11 октября, 1996 г. - Варна, Болгария, 1996. - с.36.

20. Пат. 36934 РФ. МПК⁷ А01К 1/00. Устройство для облучения сельскохозяйственных животных / Костюченко С.В, Красночуб А.В., Васерман А.Л., Фомин В.В., Коваленко О.Ю. (Россия). - №2003135020/20; заявл. 04.12.2003; опубл. 10.04.2004, Бюл. №10. - 4 с.: ил.

21. Пат.66888 РФ. МПК⁷ А01К 1/00. Устройство для облучения сельскохозяйственных животных / Ашрятов А.А., Коваленко О.Ю., Захаржевский О.А., Панфилов С.А. (Россия). - №2007119597/22; заявл. 25.05.2007; опубл. 10.10.2007, Бюл. №28. - 3 с.: ил.

22. Коваленко, О.Ю. Облучатель для животноводства / О.Ю. Коваленко, А.А. Ашрятов, Е.Е. Молчанова // Пробл. и перспект. развития отеч. светотех., электротех. и энергетики: сб. научн. тр. IV Всерос. научн.-техн. конф. - Саранск: СВМО, 2006. - С. 110-114.

23. Коваленко, О.Ю. Новые системы освещения и облучения в животноводческих помещениях / О.Ю. Коваленко, Л.К Алферова., О.А. Косицын, С.А. Овчукова // Экология и с.-х. техника. СЗНИИМССХ: Матер. II научн.-техн. конф. 25-27 апр., 2000 г. - Т.3.- СПб.,2000. - с.47-49.

24. Коваленко, О.Ю. Облучатели нового поколения / О.Ю. Коваленко, Л.К. Алферова, С.А. Овчукова // Повыш. эффект. использ. с.- х. техники: Инф. вест. дисс. сов. Д063.72.04. - Вып.5. - Саранск, 2000. - с.36-40.

25. Коваленко, О.Ю. Применение облучателей нового поколения / О.Ю. Коваленко, Л.К. Алферова, С.А. Овчукова // Светоиз. системы. Эффективность и применение: сб. науч. тр. III Всерос. науч.-техн. конф.- Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2001. - с.55-56.

26. Коваленко, О.Ю. Автоматическое регулирование освещения сельскохозяйственных помещений / О.Ю. Коваленко, Г.Н. Горбачев, С.А. Овчукова, А.А. Ашрятов //Сб. научн. тр. ученых Мордов. ун-та.- Саранск: СВМО, 1999.-с.10-13.

27. Коваленко, О.Ю. Модельный синтез профиля отражателя по заданной КСС / О.Ю. Коваленко, В.В.Афонин, О.А. Захаржевский // Пробл. и перспект. развития отеч. светотех., электротех. и энергетики: сб. науч. тр.IV Всерос. научн.-техн. конф. - Саранск: СВМО, 2006. - С. 124-130.

28. Коваленко, О.Ю. Параметрическая оптимизация профиля зеркального отражателя / О.Ю. Коваленко, О.А. Захаржевский, В.В. Афонин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сб. науч. тр. V Всерос. науч.-технич. конф. 25-26 окт. 2007 г. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С.153-156.

29. Коваленко, О.Ю. Синтез профиля отражателя осветительного прибора по задаваемой кривой силы света в ядре системы MATLAB / О.Ю. Коваленко, В.В.Афонин, О.А. Захаржевский // Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB: Тр. III Всероссийск. научн. конф.-СПб., 2007.- С.65-74.