Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Анализ современного состояния пчеловодства 9
1.2 Способы лечения бактериозов пчел 14
1.3 Применение озона в пчеловодстве 23
1.4 Факторы, влияющие на производительность электроозонатора и дестабилизирующие параметры электроозонирования улья 27
1.5 Цель работы и задачи исследования 34
2 Математическое моделирование параметров системы стабилизированного электроозонирования улья 35
2.1 Системный анализ процесса озонирования улья с разработкой тепловой модели разрядного устройства электроозонатора 35
2.2 Разработка математической модели системы автоматического управления концентрацией озона в улье 49
2.3 Выводы 66
3 Исследования модели сау концентрацией озона в улье 67
3.1 Методика использования модели САУ концентрацией озона в улье 67
3.2 Исследования качества системы автоматического управления концентрацией озонав улье 71
3.3 Разработка системы автоматического управления концентрацией озонавулье и алгоритма работы 76
4 Эксперртментальные исследования режимов озонирования и параметров электроозонатора для лечения бактериозов пчел 81
4.1 Методика планирования и проведения экспериментальных исследований влияния параметров озонирования на санитарно-значимые тест-объекты 81
4.2 Исследование влияния параметров электроозонирования на выживаемость Escherichia coli 85
4.3 Исследование влияния параметров электроозонирования на выживаемость Staphylococcus aureus 91
4.4 Оптимизация параметров электроозонирования улья для лечения бактериозов пчел 96
4.5 Экспериментальное исследование качества регулирования концентрации озона в улье с использованием системы стабилизированного электроозонирования пчелиных семей 101
5 Технико-экономическое обоснование применения электроозонирования ульев для лечения бактериозов пчел 108
5.1 Расчет экономической эффективности внедрения системы стабилизированного электроозонирования ульев 108
Общие выводы 118
Список использованных источников 120
Приложение 1 136
- Способы лечения бактериозов пчел
- Разработка математической модели системы автоматического управления концентрацией озона в улье
- Исследования качества системы автоматического управления концентрацией озонав улье
- Исследование влияния параметров электроозонирования на выживаемость Escherichia coli
Введение к работе
Актуальность. В пчеловодстве в эпоху рыночной экономики основным фактором конкурентоспособности является сила пчелиных семей, которая в первую очередь зависит от скорости их развития. Причиной снижения скорости развития пчелиных семей являются болезни пчел, одна из которых - колибак-териоз. Традиционным способом лечения болезни является применение антибиотиков, которые в конечном счете попадают в производимые продукты пчеловодства. Это не только оказывает отрицательное влияние на здоровье человека, употребляющего мед, но и не позволяет отправлять российский мед на экспорт в Европу по более высоким ценам. Решением проблемы является применение электроозонирования в пчеловодстве для лечения бактериозов пчел.
В настоящее время не определены оптимальные режимы озонирования пчелиных семей. В проведенных исследованиях рассматривается концентрация озона на выходе из озонатора в начальный момент времени и совершенно не учитывается реальная концентрация озона в улье, которая, вследствие биологических особенностей пчелиных семей, колеблется при изменении условий окружающей среды. Технические особенности традиционных электроозонаторов барьерного типа также дестабилизируют параметры обработки. Существующие электроозонаторы для обработки пчел не способны обеспечить требуемое качество электроозонирования ульев, что не позволяет в настоящее время эффективно применять перспективный метод для лечения болезней пчел. Таким образом, создание системы стабилизированного озонирования ульев для лечения бактериозов пчел является актуальной задачей, имеющей существенное значение для экономики страны.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» «Разработка и исследование энергосберегающих технологий, оборудования и источников электропитания для АПК» на 2006-2010 гг. (ГР№ 01200113477, раздел 4).
Научная гипотеза - повысить эффективность лечения бактериозов пчел озоном можно путем обоснования параметров обработки пчелиных семей и системы стабилизированного озонирования ульев, включающей регулятор, учитывающий особенности улья как объекта управления и разрядного устройства электроозонатора как регулирующего органа.
Цель работы - обоснование параметров системы стабилизированного электроозонирования ульев для лечения бактериозов пчел.
Объект исследования процесс электроозонирования улья с пчелами, система стабилизации параметров электроозонирования.
Предмет исследования - зависимости параметров системы стабилизированного озонирования улья от внутриульевого воздухообмена и нагрева разрядного устройства электроозонатора; режимы озонирования улья для лечения бактериозов пчел.
Задачи исследования.
Разработать тепловую модель разрядного устройства электроозонатора для определения его конструктивных параметров.
Разработать математическую модель системы автоматического управления концентрацией озона в улье, устанавливающую связь управляющего воздействия с дестабилизирующими факторами.
В среде программного комплекса МВТУ проверить работоспособность системы автоматического управления концентрацией озона в улье и определить показатели качества регулирования.
Определить оптимальные, по критерию минимальной энергоемкости, параметры электроозонирования ульев с использованием регрессионных моделей влияния концентрации озона и времени обработки на выживаемость возбудителей бактериозов пчел.
Экспериментально подтвердить функциональные зависимости тепловой модели разрядного устройства электроозонатора: постоянной времени нагрева от конструктивных параметров; установившейся температуры от тепловой мощности и подачи воздуха.
Разработать принципиальную электрическую схему и изготовить образец системы автоматического управления концентрацией озона в улье для лечения бактериозов пчел. Произвести испытания разработанной системы в лабораторных и производственных условиях.
Произвести технико-экономическое обоснование системы стабилизированного электроозонирования ульев при лечении бактериозов пчел.
Методы исследований. В работе использованы основные положения общей электротехники, теплотехники, теории автоматического управления, методы определения микробной обсемененности, методика планирования эксперимента, методы теории вероятностей и математической статистики, программное обеспечение STATISTICA 6.0, Microsoft Office, МВТУ 3.5.
Научную новизну работы составляют:
1. Параметры озонирования ульев с пчелами, при которых с минимальной энергоемкостью достигается уничтожение возбудителей бактериозов пчел.
2. Тепловая модель разрядного устройства электроозонатора, определяющая его конструктивные параметры.
3. Математическая модель системы автоматического управления концентрацией озона в улье, обеспечивающая заданное качество регулирования.
Практическую значимость работы составляют:
Эмпирические закономерности влияния концентрации озона и времени обработки на выживаемость санитарно-значимых тест-объектов, определяющие параметры электроозонирования ульев для лечения бактериозов пчел.
Методика использования математической модели системы автоматического управления концентрацией озона в улье, которая позволяет задавать исходные параметры для программирования контролера, управляющего электроозонатором.
Выявленные закономерности влияния нагрева разрядного устройства на вольтамперную характеристику, активную мощность, производительность, удельную энергию выхода озона.
4. Результаты математического моделирования концентрации озона при
одновременной обработке от 1 до 30 ульев с пчелами в зависимости от темпе
ратур разрядного устройства и наружного воздуха.
5. Опытный образец системы электроозонирования, обеспечивающий
стабилизированную обработку ульев с пчелами в заданном режиме.
Новизна способа стабилизации концентрации озона в улье подтверждена патентом РФ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
математическая модель влияния нагрева разрядного устройства на процесс синтеза озона, обосновывающая параметры конструкции разрядного устройства;
математическая модель системы автоматического управления концентрацией озона в улье;
результаты экспериментальных исследований влияния концентрации озона и времени обработки на выживаемость Escherichia coli и Staphylococcus aureus , определяющие параметры электроозонирования ульев для лечения бактериозов пчел;
результаты лабораторных и производственных испытаний качества стабилизации концентрации озона в улье;
параметры системы электроозонирования с автоматической стабилизацией концентрации озона в ульях, которая позволяет обрабатывать одновременно от 1 до 30 пчелиных семей в заданном режиме.
Реализация результатов исследования. Результаты исследования внедрены на пасеке ЗАО «Кубань» Кореновского района Краснодарского края; внедрены в учебный процесс научно-исследовательской лаборатории ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» по повышению квалификации руководителей предприятий АПК; материалы исследований и макетный образец системы стабилизированного электроозонирования пчелиных семей переданы в ООО «ЗИП-Партнер» для подготовки серийного производства.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях КубГАУ «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» с 2006 по 2009 г.; на международной научно-практической конференции «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства», ВГСХА, Волгоград, 2006; на Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» в Ставрополе (СГАУ, 2007-2009 гг.). Проекты на основании результатов исследований представлены на международном экономическом форуме в г. Сочи (2006-2008 гг.), на международном инвестиционном форуме «Дни Краснодарского края в Германии», г. Мюнхен, 2006 г.; на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России автор награжден диплом 1-й степени в номинации «Технические науки».
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 21 печатных работах, в том числе в пяти патентах РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка используемых источников и 5 приложений. Работа содержит 135 страниц основного текста, 45 рисунков, 13 таблиц. Список используемых источников содержит 147 наименований.
Способы лечения бактериозов пчел
Пчеловоды всех стран стремятся к увеличению продуктивности своих пчелосемей. Ведь от этого показателя зависит их материальное благополучие.
Продуктивность пчелиной семьи - это способность пчел в имеющихся условиях вырабатывать за сезон определенное количество продукции. Основными её показателями являются: количество собранного за сезон меда, включая откачанный и оставленный в качестве зимне-весеннего корма пчел; количество воска, полученного при отстраивании новых сотов, маточников и т. д. Повышение продуктивности основано на повышении выхода продукции при наименьших затратах труда.
Как известно, жизненные процессы, протекающие в развивающемся организме, обусловливаются не только биологическими особенностями данного вида, но и условиями, при которых протекает это развитие: температурой, влажностью, составом воздуха, количеством и качеством пищи и т. д. Отклонение этих условий от оптимального уровня может оказать неблагоприятное воздействие на особенности взрослого организма, включая те из них, которые имеют хозяйственное значение. Зная закономерности взаимодействия животного организма со средой и регулируя соответствующим образом факторы среды, можно направлять ход развития таким образом, чтобы получить наиболее полноценных и продуктивных особей. Поэтому основной задачей пчеловодства как отрасли сельского хозяйства является управление факторами, влияющими на развитие и продуктивность пчелосемей. Основными из этих факторов, по нашему мнению, являются: Состояние пчелиной семьи (внутренние факторы): температура, газовый режим и влажность в улье, качество матки, болезни пчел, численность рабочих пчел (сила семьи), наследственные признаки (работоспособность, выращивание расплода).. Условия (внешние факторы): наличие хорошей кормовой базы, климатические, погодные условия и т.д.
Каждый из этих факторов связан друг с другом, нарушение условий содержания мгновенно приведет к ухудшению состояния пчелиной семьи (рис. Внешние факторы труднее поддаются влиянию со стороны человека, чем внутренние. Из последних самыми опасными для пчел являются болезни пчел. Поэтому очевидно, что самой большей продуктивностью будет обладать та пчелосемья, которая всё время находится в стабильном и здоровом состоянии во время её активной деятельности.
Пчелиная семья - это единый общественный организм, в котором заболевание одной пчелы мгновенно отражается на состоянии всех остальных. Больные семьи плохо растут весной, теряют много пчел летом, вяло защищают гнезда, вполсилы работают на медосборе. Несомненно, что даже самая слабая болезнь ведёт к снижению продуктивности и опылительной деятельности пчел, значительным затратам пчеловода на лечение и профилактику заболеваний. Ущерб, наносимый болезнями пчел, и борьба с ними также отражаются на себестоимости и качестве продуктов пчеловодства. Давно уже известно, что болезни пчел могут долгое время быть в улье, но при этом не наносить никакого вреда пчелам и активизироваться только при создании условий дляразвития болезнетворных организмов. Причиной создания таких условий может быть: нехватка корма, неспособность подержания пчелами необходимой температуры в улье из-за ухудшения условий для роста семьи, непроведение профилактических мер на пасеке. Поэтому очень важно предупредить болезни пчёл, создавая благоприятные условия на пасеке, проводя профилактические и ветеринарно-санитарные меры борьбы, также своевременно осуществляя лечебные мероприятия, если в этом возникнет необходимость. Своевременное проведение лечебных обработок пчел возможно только лишь при хорошей диагностике болезни. Поэтому, работая с пчелами, пчеловод должен всякий раз тщательно осматривать расплод на всех стадиях его развития и взрослых особей в целях обнаружения клинических признаков заболеваний (рис. 1.3).
Все болезни пчёл делятся на незаразные и заразные. Последние в своюочередь состоят из инфекционных (возбудители: различные микроорганизмы)и инвазионных (возбудители: паразиты животного происхождения). Незараз ные болезни менее опасны и их легче устранить, но они снижают устойчивость пчел к заразным болезням, так как микробы и паразиты более активно размножаются в тканях ослабленных личинок и пчел. Для инфекционных болезней характерна быстрота распространения вследствие контакта больных пчел со здоровыми - через корм, экскременты и другие объекты жизнедеятельности. Поэтому на пасеках чаще всего возникают бактериальные болезни, или бактериозы, вызываемые патогенными бактериями, такие как колибакте-риоз, гафниоз, септицемия, американский гнилец (рис. 1.4), [115, 117,123].
За последнее время в пчеловодстве появилось много лекарств, и от того,насколько точно пчеловодом будет сделан диагноз и применено то или иноесредство, будет зависеть здоровье пчел, а значит, и их продуктивность. По этому главным принципом для каждого пчеловода при обнаружении болезни у пчёл должен быть - не навреди. Порой применение одних лекарств ослабляет иммунитет пчёл, что способствует вспышке новой болезни. А значит, необходимы естественные и экологические лечебные средства, которые не только помогали бы справиться с болезнями пчёл, но и стимулировали бы их жизнедеятельность и развитие.Чем же сейчас рекомендуют лечить наиболее распространённые бактериальные болезни пчел, такие как колибактериоз, гафниоз, септицемия, американский гнилец?
Колибактериоз - это инфекционная болезнь взрослых пчёл, вызываемая палочкой эшерихия коли. Болезнь проявляется обычно в конце зимовки и ранней весной. Это именно тот период, когда пчелам нужна поддержка, ведь ослабевшие после зимовки пчелы должны наращивать свой потенциал для активной работы в весенне-летний период, а значит, развившаяся болезнь непременно окажет отрицательное воздействие на продуктивность пчелиной семьи. Предрасполагающими факторами болезни являются: переохлаждение гнезда, недоброкачественный корм, распространение варроатоза и ослабление резистентности пчёл. Ущерб от колибактериоза слагается от ослабления пчелиных семей и снижения их продуктивности. При лечении больным семьям рекомендуется давать сахарный сироп с одним из следующих антибиотиков: стрептомицин 200 тыс. ЕД, хлортетрациклин 100 тыс. ЕД, левомицетин (токсичен, на данный момент запрещён для применения в пчеловодстве в странах ЕС) - 0,2 г на 1 л сахарного сиропа [39, 65, 64, 70].
Гафниоз - инфекционная болезнь, сопровождается поражением кишечника, ослаблением и гибелью пчел. Проявляется чаще, как и при колибакте-риозе, в конце зимы и ранней весной. Развитию болезни способствуют: нарушения содержания и кормления, высокая влажность. В основном болеют рабочие пчелы. Они проявляют беспокойство, шумят, порой не могут летать,
Разработка математической модели системы автоматического управления концентрацией озона в улье
Структурная схема моделирования тепловой модели канала РУ электроозонатора в среде программного комплекса "Моделирование в технических устройствах" (ПК "МВТУ") [48,111] представлена на рисунке П2.1. приложения П2.1.
Из приведенных данных П2.1 (рисунки П2.2 - П2.4) исследования влияния подачи воздуха в РУ на температуру стекла диэлектрических барьеров следует, что подача воздуха в разрядное устройство электроозонатора является одним из важных факторов, от которого зависит температура стекла ДБ. Очевидно, что подача воздуха должна быть лимитирована исходя из предельно допустимой температуры нагрева стекла диэлектрических барьеров, в качестве которой может быть принят предел в 50...60С, поскольку при температуре выше 60С происходит быстрый распад озона. Чрезмерное увеличение подачи воздуха П2.1 (рисунок П2.4) снижает эффективность электроозонатора за счет увеличения мощности потребляемой компрессором, недостаточная подача может привести к перегреву разрядного устройства, что скажется на уменьшении выхода озона, а следовательно, и производительности электроозонатора [31].
Таким образом, проведенные выше исследования позволили выявитьважный фактор - подачу воздуха в разрядное устройство, который влияет на температуру стекла диэлектрических барьеров. Разработанная тепловая модель канала РУ П2.1 (рисунок П2.1) позволяет не только производить моделирование тепловых процессов в разрядном устройстве, но и оценить влияние подачи воздуха на температуру стекла диэлектрических барьеров. Кроме того, с помощью математического моделирования разработанной модели П2.1 (рисунок П2.1) возможно обоснование рациональной подачи воздуха в разрядное устройство электроозонатора исходя из максимально допустимой температуры стекла диэлектрических барьеров.2.2 Разработка математической модели системы автоматического управления концентрацией озона в улей
Объектом управления (ОУ) в САУ концентрацией озона в улье является совокупность озонируемых ульев. Для проведения качественной обработки ульев озоном САУ должна обеспечивать стабилизацию концентрации озона Соз на входах в ульи в течение всего времени озонирования. Наиболее существенными дестабилизирующими факторами являются: количество Ny обрабатываемых ульев, температура tB1 окружающего воздуха, влияющая на естественный внутриульевой воздухообмен, и подача QB2 озонированного воздуха в улей. Управляющим воздействием является производительность разрядного устройства электроозонатора. Таким образом, обрабатываемые озоном улья как объект управления можно представить в виде функциональной схемы, Для расчета концентрации озона в улье воспользуемся формулойгде Соз - концентрация озона на в улье, мг/м3;QB2 - подача озонированного воздуха из разрядного устройства, м /с; Ny— количество обрабатьшаемых озоном ульев, шт.; Qy— естественный воздухообмен среднего улья, м /с. Естественный внутриульевой воздухообмен может быть определен через кратность естественного воздухообмена:где кВу- коэффициент внутриульевого воздухообмена, 1/с; Vy- объем внутриульевого воздуха, м3. Коэффициент внутриульевого воздухообмена является функцией температуры наружного воздуха:где авуї, аву2, авуз, аву4 — коэффициенты математической модели. Определение коэффициентов математической модели (2.41) произведено с помощью программы «Statistica» на основании эмпирических данных, представленных в таблице 2.2.
Точность аппроксимации модели (2.41) эмпирических данных (табли-ца2.3) достаточно высокая, коэффициент детерминации R = 0,9964, при aByi = -53,49; аВУ2 = 0,2050; аВУЗ = 0,1402; аВУ4 = 21,02.Таким образом, математическая модель объекта регулирования, полученная на основании вьфажения (2.39), с учетом уравнений (2.40) и (2.41) будет иметь вид:
Описание элементов САУ. Перемещение озонированного воздуха к ульям осуществляется по гибким воздуховодам, в результате чего существует транспортное запаздывание подачи озона. Однако экспериментально установлено, что величина данного запаздывания, равная 6...30 с, незначительна по сравнению со временем обработки (1800 с). Поэтому воздуховод, как элемент системы автоматического управления концентрацией озона в улье, можно не учитывать при пренебрежении теплообменными процессами с окружающей средой. В связи с этим воздуховоды далее в САУ не приводятся.
Наиболее сложным элементом системы является разрядное устройство электроозонатора, которое имеет большое количество входных и выходных параметров. Оно может быть представлено в виде функциональных схем тепловой модели и модели электросинтеза озона, которые изображены на рисунке 2.10 [31].
Определим тепловую мощность разрядного устройства из допущения, что вся потребляемая разрядным устройством электроэнергия расходуется на образование озона и на нагрев РУ:где Роз - мощность, идущая на образование озона, Вт; РТЕП - тепловая мощность, Вт. Тогда на основании уравнения (2.43) можно записать выражение для оп ределения тепловой мощности: где Аудт - теоретическое значение удельной энергии образования озона, Аудт = 2,9926 Дж/мг; Ауд- удельная энергия образования озона в разрядном устройстве,Дж/мг. С учетом выражения (2.45) уравнение (2.44) запишется какТаким образом, уравнения (2.44) и (2.45) или выражение (2.46) позволяют определить тепловую энергию разрядного устройства. Остальные связи между входными и выходными параметрами разрядного устройства описаны в пунктах 1 и 2, определение активной мощности РУ осуществляется в соответствии с методикой. Тогда математическая модель, описывающая электросинтез озона, может быть представлена в виде следующей системы уравнений: Upyr- напряжение горения разряда для используемого РУ.
В соответствии с тепловой моделью канала РУ (П2.1, рисунок П2.1) и системой уравнений (2.47) разработана структурная схема моделирования разрядного устройства электроозонатора в среде ПК «МВТУ», изображенная в П2.2 на рисунке П2.10, где модель электросинтеза озона реализована с помощью блока «Модель ЭСО» (рисунок П2.16); блок «Uru» осуществляет задание входного сигнала UPy напряжения, подаваемого на разрядное устройство; блоки «Goz» и «Ptep» реализуют отображение текущих результатов моделирования в виде временных зависимостей соответственно производительности G03 разрядного устройства и тепловой мощности РТЕЛ, которая выделяется в РУ, приложение П2.2.
Приведенные в П2.2 на рисунках П2.11, П2.15 данные были использованы для экспериментальной проверки адекватности и точности разработанной математической модели разрядного устройства (П2.2, рисунок П2.10), в результате которой получено опытное подтверждение возможности применения данной модели для анализа и синтеза системы автоматического управления концентрацией озона на входе в улей.
Изменение производительности электроозонатора осуществляется путем изменения напряжения разрядного устройства. Для этих целей наиболее целесообразно использовать повышающий трансформатор напряжения с ШИМ-регулированием напряжения первичной обмотки [117]. Формирование управляющего ШИМ-сигнала осуществляется микроконтроллером (МК) в соответствии с заданным алгоритмом управления. Таким образом, повышающий трансформатор напряжения, силовые ключи и драйверы управления ими могут быть представлены как усилительные органы (УО) в виде пропорциональных звеньев с соответствующими передаточными функциями (2.48), (2.49), (2.50) и (2.51), функциональные схемы которых изображены на рисунке 2.11, где Uyj, иУ2, l/уз, Upy — входные и выходные сигналы (действующие значения напряжений) [48].
Исследования качества системы автоматического управления концентрацией озонав улье
Исследование качества управления (определение запаса устойчивости и быстродействия) разработанной системы автоматического управления концентрацией озона в улье проводим по виду кривой переходного процесса, полученной в результате моделирования САУ (рисунок 3.1) в среде ПК «МВТУ» при типовом ступенчатом воздействии. В соответствии с функциональной схемой объекта управления (рисунок 2.9) в качестве возмущений необходимо рассматривать температуру окружающего воздуха ґві, число обрабатываемых ульев Ny и подачу озонированного воздуха QB2- Последняя величина зависит от подачи компрессора QB! и режима работы разрядного устройства, которое определяется величинами tEi и Ny. Поскольку подача компрессора является фиксированной, то в качестве основных возмущений рассматриваем скачкообразное изменение температуры окружающего воздуха на +1 и -2С и изменение числа обрабатываемых ульев в соответствии с уравнением (3.2) после каждой обработки в течение работы электроозонатора.
К качеству управления САУ по задающему и возмущающему воздействиям предъявляются следующие требования[48,31]:- время регулирования тР 180 с;- перерегулирование о /о 40%;- статическая ошибка Л% 20%.
Как показывают результаты моделирования, максимальные отклонения управляемой величины, связанные с дискретизацией по уровню температуры окружающего воздуха, достигаются при tm = 20,25±0С. Графики переходных процессов, соответствующие этим
Из приведенных выше расчетов следует, что все показатели качества управления по возмущению для различных режимов работы электроозонатора удовлетворяют предъявляемым требованиям.
Таким образом, разработанная система автоматического управления концентрацией озона в улье с дискретным цифровым регулятором обладает необходимым качеством управления как по задающему, так и по возмущающему воздействию. Кроме того, для всех режимов работы, графики переходных процессов которых изображены на рисунках 3.36, 3.56, 3.6а-3.7б, концен-трация озона не выходит за допустимые пределы 40. ..60 мг/м .
В результате математического моделирования была разработана система автоматического управления концентрацией озона в улье, схема которой представлена ниже. В соответствии с техническими решениями, принятыми при реализации САУ концентрацией озона в улье, разработана схема электрическая принципиальная электроозонатора, представленная на рисунке 3.8.
Питание в схему подается с помощью переключателя SAL Предохранитель FU1 осуществляет защиту силовой части схемы от короткого замыкания или перегрузок в ней. На элементах С1, Ы, С2 собран входной двунаправ ленный помехоподавляющий фильтр. Варисторы R1 и R2 защищают силовую часть схемы от сетевых перенапряжений. Выпрямленное диодным мостом VD1 напряжение сглаживается емкостным фильтром СЗ и С4, ограничением броска зарядного тока которых служит терморезистор R3 с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Через резисторы R4 и R5 происходит разряд конденсаторов большой емкости СЗ и С4 при отключении питания. Ограничение индуктивных выбросов напряжения первичной обмотки повышающего трансформатора TV1 осуществляют диоды VD2, VD3 и варистор R6. Напряжение на первичной обмотке повышающего трансформатора TV1 управляется силовыми ключами VT1 и VT2, работающими в парофазном режиме. Затворы силовых ключей подключены к управляющему драйверу D3 (IR2101S), на входы которого подается управляющий сигнал с микроконтроллера D4 (Atmega8535).
Питающие напряжения цепи управления обеспечивают понижающий трансформатор напряжения TV2, двухполупериодные выпрямители VD4, VD5, компенсационные стабилизаторы, собранные на микросхемах (МС) D1 (L7815), D2 (L7805), и емкостные фильтры С5-С8, С10-С13. В качестве цифровых датчиков температуры применены МС ADT75B (D6, D7) фирмы «Analog Devices» (США) с интерфейсом С. Вывод информации о работе электроозонатора осуществляется через семисегментный светодиодный индикатор СА56-12RWA фирмы «Kingbright». Первым с третьим и вторым с четвертым разрядами индикатора управляет МС SAA1064 (D5) в мультиплексорном режиме, обменивающаяся с МК через интерфейс ГС. Переключение между режимами индикации информации на светодиодном табло, ввод параметров обработки ульев озоном, включение РУ осуществляется с помощью кнопок SB1-SB4. Управление драйвером силовых ключей осуществляется микроконтроллером Atmega8535 фирмы «Atmel» (США) с помощью ШИМ-сигналов выходов таймера/счетчика ТІ. Парафазность ШИМ-сигналов на ОСІ А и ОСІ А обеспечивается программно. Для внутрисхемного программирования МК предусмотренразъем ХР1.
Исследование влияния параметров электроозонирования на выживаемость Escherichia coli
Для разработки электроозонатора для лечения болезней пчел необходимо определить рациональные параметры озонирования, которые являются основой для алгоритма функционирования системы озонирования. Определениерациональных параметров производилось на базе экспериментальных иссле дований.
Корреляционный и регрессионный анализ факторов и определение значимости коэффициентов уравнений были проведены при помощи программы STATISTICA 6.0 [136]. Корреляционный анализ произведен методом Пирсона. Аппроксимация была проведена методом полинома.
На базе регрессионного анализа построена модель, которая в общем виде будет представлена в виде полинома второй степени:У І =h+ bixi + 2Х2 + b4xix2 + ІХЇ + b5x2 , (4.2)где ь0... Ъ5 - коэффициенты модели. Результаты регрессионного анализа представлены на рисунке П4.1.
Из таблицы П4.1 видно, что озон в концентрации 25 мг/м3 при минимальной экспозиции (7 мин) инактивирует в среднем 35% кишечной палочки. При увеличении продолжительности воздействия озона при этой же концентрации количество жизнеспособных бактериальных клеток уменьшается еще в большей степени. Так после 30-минутной обработки погибло 80% клеток Escherichia coli. При воздействии озона в течение 120 минут 4% клеток Escherichia coli сохранило свою жизнеспособность.
При снижении концентрации озона до 12 мг/м3 отметили увеличение времени, требуемого для проявления бактерицидного эффекта, при этом 7% клеток кишечной палочки сохранило свою жизнеспособность даже по истечении экспозиции 120 минут (П4.2).
Уменьшение концентрации озона до 6 мг/м сопровождалось большей выживаемостью тест-микроорганизмов. Даже после 60-минутного воздействия оставались жизнеспособными 39% Escherichia coli. После 120-минутного воздействия озоном в концентрации 6 мг/м 19% Escherichia coli оставались жизнеспособными.
Полученные результаты показали, что между концентрацией озона, временем воздействия и выживаемостью тест-бактерий при экспозиции менее 15-30 минут наблюдается практически линейная зависимость, что, скорее всего,связано с активной гибелью низкорезистентных к озону клеток (молодых и находящихся в стадии естественного отмирания).
При использовании озона даже в минимальной концентрации (6 мг/м ) интенсивная гибель бактериальных клеток происходит уже в течение первых 30 минут (рисунок 4.3).Однако в дальнейшем инактивация бактерий происходит не столь интенсивно, что по всей вероятности связано с включением у бактерий адаптационных процессов, заключающихся в усилении антиоксидантнои системы защиты. Между тем, несмотря на тот факт, что все взятые в опыт тест-микроорганизмы каталазоположительные, а следовательно, обладают способностью противостоять активным формам кислорода, не все в одинаковой степени оказались устойчивыми к озону. Озон в меньшей степени оказывает воздействие на грам негативные бактерии. Из этого следует заключить, что в защите бактериальной клетки от неблагоприятного действия озона участвует не только фермент каталаза, но и другие факторы, в частности, вероятно, непо средственно клеточная стенка, которая у грамположительных микроорганизмов преимущественно состоит из мурамилпептида и теихоевых кислот, а у грамотрицательных - из липополисахарида [4].
Результаты регрессионного анализа влияния параметров озонирования на выживаемость возбудителя Escherichia coli приведены в таблице 4.1.На базе регрессионного анализа построена математическая модель, описывающая взаимодействие факторов и наблюдаемой величины, представлена в виде уравнения регрессии:
Уравнение регрессии позволяет оценить степень влияния независимых переменных и их сочетаний на зависимую переменную. Каждый из коэффициентов регрессии в уравнении (4.3) отражает уровень изменения выживаемости Escherichia coli при изменении одного из параметров озонирования на единицу. Коэффициент детерминации составил 88%, что говорит о хорошем качестве построенной модели. Он показывает, что 88% изменчивости выживаемости
Escherichia coli объясняется влиянием параметров озонирования, а доля вариации зависимой переменной у определяемая выражением 1 - R и составляющая 12%, оказывается необъяснённой. Критерий Фишера (F-тест) показал, что независимые переменные объясняют (р 0,00000) значимую долю вариации зависимой переменной у і и R2 является большим, чем в случае отсутствия взаимосвязи между параметрами озонирования и переменными и выживаемостью Escherichia coli. При этом переменная у і уже не является случайной величиной и зависит по крайней мере от одной из независимых переменных х. Критерий Стьюдента (/-тест) для каждого коэффициента основан на оценке коэффициента регрессии и его стандартной ошибки. Значимыми будут те коэффициенты регрессии, для которых /-статистика колеблется в пределах 2,01 до 1,98 при 5%-ном р-уровне значимости и 2,68-2,63 для 1%-ного -уровня значимости. Если по результатам /-теста для коэффициентов регрессии их влияние не значимо, дополнительную переменную, которая не прошла t-тест, можно просто отбросить и строить уравнение регрессии без неё. Стандартные ошибки оценки коэффициентов регрессии указывают выборочную оценку отклонения каждого коэффициента регрессии.
Согласно регрессионному анализу (таблица 4.1) наибольшее влияние на выживаемость Escherichia coli оказывает концентрация озона Xj с высоким уровнем значимости р = 0,000002. Время обработки х2, с уровнем значимости р = 0,000019, оказывает незначительно меньшее влияние, чем xj.
В результате использования в регрессионном анализе сочетания независимых переменных {хь х2) установлено, что некорректно использовать понятие «доза обработки», так как влияние произведения концентрации озона и времени обработки значительного ниже (р = 0,001204), чем влияние факторов по отдельности. Полученные результаты свидетельствуют о правильности планирования эксперимента.
Диаграммы влияния концентрации озона в озоновоздушной смеси, подаваемой в контейнер с чашками Петри, и времени воздействия на значение параметра выживаемости Escherichia coli представлены на рисунке П4.3.
