Geum.ru

Светотехнические установки для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных

Вид материалаАвтореферат
Пятая глава
Шестая глава
Подобный материал:
1   2   3   4   5

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 rл, высота отражателя от центра лампы h, начальный угол падения на отражатель 0, защитный угол (угол затенения) , коэффициент отражения отражателя ρ, 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 Δα определялась по формуле:

(12)


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

φотр – 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 α = f(φ), 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 rj, rj+1 , м, и полярными углами φj, φj+1 , град , имеет вид:


(13)

где

(14)


Выражение для энергетической яркости, Вт/(м2.ср) зоны отражателя примет вид:

, (15)


где Io – сила излучения равнояркого цилиндрического тела, Вт/ср; rср j – средний радиус j-ой зоны, м; σj – угол между нормалью к средней точке отрезка профильной кривой j-ой зоны и лучом, вдоль которого направлен радиус rср j, град; φ’jk – угол (град) между лучом, вдоль которого направлен радиус rср j, и направлением луча, изменяющегося с шагом Δφ’ от φ’=00 до φ’=φ’пред при этом , где .

Зональная сила излучения Iα 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 Δ = 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 rср k (м) – окружности, на которой расположены УФД, в плоскости перпендикулярной оси симметрии модуля можно определить по формуле:


(17)


где φср k - средний угол тороидной зоны, (град).

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


(18)


Зональные потоки определялись как произведение силы излучения в направлении φср 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 Δ.

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 Фi(λ) – спектральный поток излучения от i-го источников, Вт; η, К3 – коэффициенты использования и запаса; h – высота подвеса над рабочей поверхностью, м; аi – 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 Еср/Емакс < 0,7, для опытных двухламповых светильников с ЛБЦТ-35 (КСС типа Ш1) – 2,5-2,9 Вт/м2 при Еср/Емакс > 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 ФУФС : ФУФВ = 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