Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ эффективности использования светотехнических установок фотобиологического действия 16
1.1 Место источников оптического излучения в системе биоэнергетических и технологических процессов в животноводстве 16
1.2 Системы показателей эффективности оптического излучения для биообъектов 29
1.3 Современное состояние технической базы и методов проектирования световых и облучательных приборов и установок для обеспечения технологических процессов освещения и облучения в животноводстве 46
1.4 Выводы по главе 61
ГЛАВА 2. Математическое моделирование процессов воздействия оптического излучения на биообъект 64
2.1 Основные характеристики и показатели системы биоэнергетического обмена биообъекта с окружающей средой 63
2.2 Математическое описание функций относительной спектральной чувствительности биообъектов 67
2.3 Математическое описание системы: источник оптического излучения — биообъект 84
2.4 Регрессионный анализ эритемной эффективности излучения источников различного спектрального состава в рабочем диапазоне доз 90
2.5 Выводы по главе 100
ГЛАВА 3. Исследование возможностей повышения эффективности ультрафиолетовых РЛНД 101
3.1. Теоретические исследования влияния конструктивных и электрических параметров на характеристики излучения эритемных ламп 101
3.1.1. Математическая модель разряда эритемных ламп 102
3.1.2. Теоретические исследования и анализ светотехнических характеристик эритемных ламп 108
3.2. Разработка новых РЛНД с широкодиапазонным ультрафиолетовым спектром излучения с частично покрытыми люминофором участками колбы 113
3.2.1. Исследование излучательных характеристик ультрафиолетовых РЛ НД с широкодиапазонным спектром с частично покрытыми эритемным люминофором участками колбы 113
3.2.2 Конструктивные исполнения РЛ НД с широко диапазонным ультрафиолетовым спектром излучения с частично покрытыми люминофором участками колбы для облучения животных 116
3.3. Разработка РЛНД с широкодиапазонным ультрафиолетовым спектром при различной удельной нагрузке люминофора и исследование их лучистых характеристик 121
3.3.1. Особенности технологии изготовления РЛ НД
с широкодиапазонным ультрафиолетовым спектром излучения при различной удельной нагрузке люминофора 122
3.3.2 Анализ качества РЛНД с широкодиапазонным ультрафиолетовым спектром при различной удельной нагрузке люминофора и исследование их эксплуатационных характеристик 127
3.4 Исследования характеристик эритемных ламп при питании однополярными импульсами высокой частоты 138
3.4.1. Экспериментальная установка и методики исследования характеристик излучения эритемных ламп при питании однополярными импульсами высокой частоты 139
3.4.2 Методика исследований спектральных и интегральных излучательных характеристик эритемных ламп 143
3.4.3 Исследование условий повышения эффективности эритемных ламппри питании однополярными импульсами высокой частоты 145
3.5 Выводы по главе 151
Глава 4. Совершенствование облучательных приборов для повышения энергетической и эритемнои эффективнсти 152
4.1 Разработка энергоэкономичного комплекта эритемная лампа - ЭПРА 153
4.1.1 Математическая модель режима комплекта эритемная лампа — ЭПРА 154
4.1.2 Схемотехническая реализация результатов моделирования комплекта эритемная лампа - ЭПРА 160
4.1.3 Экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик комплекта эритемная лампа — ЭПРА 163
4.1.4 Улучшение эксплуатационных характеристик ЭПРА 168
4.2 Разработка комбинированных облучателей с широкодиапазонным излучением 172
4.2.1 Разработка комбинированных облучателей с излучением в УФВ, УФС и> ИК диапазонах спектра 173
4.2.2 Разработка комбинированных облучателей с излучением в УФВ, УФС диапазонах спектра 177
4.2.3 Разработка облучателей с источниками излучения в областях УФВ, УФС в комплекте с ЭПРА 179
4.4. Выводы по главе 184
ГЛАВА 5. Программно-техническое обеспечение проектирования и эксплуатации облучательных приборов и установок 186
5.1 Программно-техническое обеспечение для проектирования облучательных приборов 187
5.1.1 Моделирование профиля зеркального отражателя облучателя с цилиндрическим источником излучения 188
5.1.1.1. Математическое описание модели профиля оптического устройства облучателя с цилиндрическим источником излучения 189
5.1.1.2 Синтез профиля оптического устройства облучателя с цилиндрическим источником излучения с помощью ЭВМ 194
5.1.2 Моделирование профиля облучательного прибора на основе ультрафиолет излучающих диодов 197
5.1.2.1 Математическое описание модели профиля полусферического облучательного прибора на основе ультрафиолет излучающих диодов 198
5.1.2.2. Синтез профиля полусферического облучательного прибора на основе ультрафиолет излучающих диодов с помощью ЭВМ 203
5.1.3 Программно-техническое обеспечение для измерения и обработки фотометрических данных при проектировании облучательных приборов 208
5.2 Программно-техническое обеспечение для проектирования и эксплуатации облучательных установок 213
5.2.1 Программно-техническое обеспечение для проектирования облучательных светотехнических установок 214
5.2.2 Компьютерное проектирование облучательно-осветительных комплексов с разработанными источниками излучения и облучательными приборами 222
5.2.3 Программно-техническое обеспечение для эксплуатации облучательных установок 231
5.3 Выводы по главе 234
ГЛАВА 6. Научно-производственные испытания эффективности использования разработанных ОСУ 235
6.1 Экспериментальная оценка влияния разработанных облучательных
светотехнических установок с высокочастотными ЭПРА на показатели
продуктивности животных 236
6.1.1 Задачи экспериментальных исследований, методики их проведения 239
6.1.2 Лабораторные исследования влияния облучения от РЛ НД с излучением УФВ при ВЧ питании на продуктивность телят 239
6.1.3 Производственные испытания и исследования влияния УФ облучения РЛ НД с излучением УФВ при ВЧ питании на продуктивность телят 241
6.2 Производственные испытания облучательных светотехнических установок с РЛНД с излучением УФВ и УФС областей спектра при УФО телят до 6 месячного возраста 244
6.2.1 Исследования показателей продуктивности телят в возрасте от 1-го до 5-ти месяцев под воздействием излучения комбинированного УФВ и УФС спектра 245
6.2.2 Исследования показателей продуктивности телят в возрасте от 1-го до 5-ти месяцев от ОСУ под воздействием излучения УФВ
и излучения УФС с варьированием интенсивностей и доз 247
6.2.3 Производственные испытания ОСУ с шестиламповыми облучателями и исследования показателей продуктивности телят до 20-ти дневного возраста при воздействием комбинированного излучения УФВ, УФС и ИК 255
6.2.4 Производственные испытания ОСУ с экспериментальными РЛ НД и исследования показателей продуктивности телят с 20-ти до 45-ти дневного возраста под воздействием излучения УФВ, УФС 262
6.2.5 Производственные испытания и исследования показателей продуктивности телят до 35-ти дневного возраста при УФО от ОСУ с четырехламповыми облучателями при воздействии излучения УФВ, УФС 264
6.3 Анализ результатов исследований и математическое моделирование показателей продуктивности в зависимости от технологических параметров УФО животных при использовании излучением области УФВ и УФС 267
6.4 Оценка технико-экономической эффективности разработанных технических средств для облучения животных 276
6.5 Выводы по главе 284
Общие выводы
- Системы показателей эффективности оптического излучения для биообъектов
- Математическое описание системы: источник оптического излучения — биообъект
- Разработка новых РЛНД с широкодиапазонным ультрафиолетовым спектром излучения с частично покрытыми люминофором участками колбы
- Экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик комплекта эритемная лампа — ЭПРА
Введение к работе
Актуальность работы. В процессе преобразований в экономике Российской Федерации, начавшихся в 1991г., состояние основной жизнеобеспечивающей отрасли сельского хозяйства – животноводства, в том числе мясного направления крупного рогатого скота (КРС), к 2006 г. стало кризисным. В период становления рынка мясных ресурсов сократилось поголовье КРС, уменьшился объем производства мясной продукции, что при превышении порогового уровня ведет к потере продовольственной независимости страны. Эти тенденции объясняются удорожанием кормов, ростом цен на энергоносители и средства технического обеспечения технологий разведения и содержания сельскохозяйственных животных, недостатками действующего механизма квотирования импорта мяса, а также несовершенством технологий, в том числе, электротехнологий с применением оптического излучения (ОИ).
В связи со сложившейся ситуацией в 2006 г. правительство Российской Федерации приняло к реализации приоритетный национальный проект «Развитие АПК», который с 2008 г. трансформировался в Государственную программу развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 20082012 гг. Мясное направление КРС относится к приоритетным видам сельскохозяйственной деятельности. Одним из основных направлений реализации национального проекта и государственной программы является осуществление строительства, реконструкции и модернизации животноводческих комплексов, что связано, в том числе, с оснащением комплексов светотехническими установками, отвечающими современному научно-техническому уровню. Перечисленный комплекс мер создает возможности переоснащения технической базы фотобиологических технологических процессов в животноводстве для увеличения выхода мясной продукции.
В этих условиях исследования, направленные на совершенствование электротехнологий с применением ОИ для повышения продуктивности животных, а также повышение энергоэкономичности и эффективности светотехнических установок, способствующие повышению конкурентоспособности продукции и увеличению прибыли, чрезвычайно актуальны.
Большой вклад в развитие теоретических и практических основ в развитие электротехнологий облучения животных и техники оптического излучения внесли: А. Майер, А. Маккинли, Н.М. Данциг, Д.Н. Лазарев, Г.М. Франк, В.М. Юрков, А.К. Лямцов, И.И. Свентицкий, А.Л. Вассерман, А.И. Учеваткин, Г.В. Новикова, А.Б. Матвеев, Е.Н. Живописцев, А.В. Чурмасов, Б.Н. Орлов, Н.П. Симонова. Фундаментальные работы в области исследования высокоэффективных источников ОИ и световых приборов принадлежат зарубежным и отечественным ученым: В. Эленбаасу, Д. Уэймаусу, Г.Н. Рохлину, С.П. Решенову, Г.С. Сарычеву, А.Е Атаеву, Ю.Б. Айзенбергу, В.В. Трембачу, А.М. Кокинову и многим другим.
Однако исследования в области технологий облучения сельскохозяйственных животных проводились на основе устаревших представлений о функции относительной спектральной эритемной эффективности (ФОСЭЭ), что ограничивает возможности совершенствования облучательной техники для технологий УФО в сельском хозяйстве на современном этапе. Острая необходимость разработки перспективных энергосберегающих и биологически эффективных светотехнических установок определяет актуальность настоящей работы.
Целью работы является обеспечение прироста животноводческой продукции путем теоретического обоснования и практического введения в эксплуатацию перспективных энергосберегающих светотехнических установок повышенного фотобиологического действия.
Для достижения поставленной цели были решены следующие теоретические, научно-технические и прикладные задачи:
определена возможность использования предлагаемых функций эритемной эффективности в диапазоне профилактических доз для составления математического описания процесса воздействия источников ОИ на биообъект;
установлена математическая связь между функцией эффективного потока источника излучения и показателями продуктивности животных путем разработки комплекса взаимно дополняющих методов корреляционного и регрессионного анализа экспериментальных данных в целях контроля и прогнозирования мясной продуктивности;
разработаны высокоэффективные РЛНД с заданными параметрами излучения в области УФВ и УФС, работающие на промышленной частоте и высокочастотных (ВЧ) режимах питания;
разработаны облучательные приборы (ОП) с расширенными функциональными и улучшенными энергосберегающими и ресурсосберегающими свойствами;
разработано светотехническое программное обеспечение (СПО), осуществляющее повышение эффективности автоматизированного проектирования облучателей, осветительных (ОУ) и облучательных светотехнических (ОСУ) установок фотобиологического действия и оптимизацию параметров при их совместном применении.
Объектом исследования является система, состоящая из светотехнических средств, технологических режимов и приемов воздействия ОИ на биообъект, позволяющая получить максимальный выход сельскохозяйственной продукции.
Предметом исследования являлось изучение процессов, протекающих в подсистемах по изучению воздействия ОИ на биообъекты, определяющих характер и направление совершенствования светотехнических средств и электротехнологий на их основе в сельскохозяйственном производстве.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы. Методология исследования базируется на системном подходе к комплексу теоретических и экспериментальных результатов, полученных при помощи математических, физических, светотехнических, фотометрических, биометрических, статистических методов. Решение ряда новых задач теории светотехники, поставленных в работе, разработка теоретических положений и создание на их основе математических моделей, а также алгоритмов расчета параметров ОП, ОУ и ОСУ не противоречит известным достижениям в этой области знаний.
Разработанные теоретические положения и новые технические решения подтверждены практически. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проведены на экспериментальной базе Мордовского государственного университета и предприятиях светотехнической отрасли. Облучательные установки опробованы, испытаны и успешно используются в животноводческих хозяйствах Мордовии. Результаты эксперимента и испытаний для подтверждения сопоставлялись с экспериментальными данными других исследователей.
Разработанные программы на ЭВМ испытаны и успешно используются на предприятиях светотехнической отрасли, научно-исследовательских и проектных институтах республики Мордовия.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые
1. На основе известных научных исследований выработаны теоретические положения и уточнена математическая модель для описания ртутного разряда низкого давления для определения электрических характеристик и эритемного потока источников ультрафиолетового излучения и описания процессов работы РЛНД с электронными пускорегулирующими аппаратами; получены математические модели эффективного потока с помощью функции эритемной эффективности с двумя максимумами, соотношение между которыми зависит от доз облучения в области УФС и УФВ.
2. Проведены экспериментальные исследования светотехнических характеристик ультрафиолетовых РЛНД мощностью 13, 15, 30, 40 Вт при импульсном высокочастотном питании в широком диапазоне частот при различных скважностях
3. Предложены и конструктивно проработаны технические решения и принцип формирования излучения ультрафиолетовых РЛНД и ОП со спектром в области УФС и УФВ, защищенных авторским свидетельством и патентами.
4. Представлены алгоритмы и программы на ЭВМ для расчета интегрального и спектрального распределения энергетической освещенности облучательных и осветительных установок и моделирования профиля отражателя ОП с трубчатыми лампами и расположения ультрафиолет излучающих диодов в модуле с получением заданной кривой силы излучения.
5. Разработаны технические требования к проектированию светотехнических ОП и установок оптимального использования электроэнергии в животноводческих комплексах; создан и представлен программно-аппаратный комплекс для сбора фотометрических данных, расчета и оптимизации ОП и светодиодных модулей, расчета облучательно-световых комплексов.
6. Приведены результаты испытаний ультрафиолетовых РЛНД и ОП с расширенным спектром области УФС и УФВ с использованием ВЧ питания по воздействию на сельскохозяйственных животных и получены на их основе с помощью методов регрессионного анализа математические зависимости для расчета и прогнозирования показателей продуктивности телят.
Практическая ценность и научная полезность результатов диссертационной работы.
1. Разработанные и запатентованные конструктивные решения ультрафиолетовых РЛНД и ОП для профилактического ультрафиолетового и инфракрасного облучения животных и обеззараживания помещений позволяют увеличить эффективную отдачу ламп и расширить функциональные возможности приборов. Идеи разработанных технических средств могут быть использованы при проектировании новых ламп и приборов.
2. Гибкие методики дисперсионного и регрессионного анализа обеспечивают отработку технологии изготовления эффективных источников излучения с улучшенными качественными показателями на ламповых заводах и предприятиях светотехнической отрасли.
3. Практически реализованные и испытанные в животноводческих хозяйствах схемы импульсных ЭПРА для ультрафиолетовых РЛНД с блоком стабилизации лучистого потока и автоматизированные устройства контроля дозы облучения позволяют получить максимальный зоотехнический эффект.
4. Созданный программно-аппаратный комплекс для расчета светотехнических характеристик облучательных установок, сбора фотометрических данных и контроля эксплуатационных характеристик осветительных и облучательных установок позволяет обеспечить точность соблюдения режимов и доз, повысить качественный уровень и энергосберегающие свойства облучательно-световых комплексов в животноводческой отрасли.
5. Разработанные автором алгоритмы для программ на ЭВМ для сбора фотометрических данных, расчета профиля отражателя ОП с трубчатыми лампами и светотехнических характеристик осветительных и облучательных установок позволяют повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новых образцов светильников и облучателей и модернизации существующих в КБ предприятий светотехнической отрасли, повысить качественные результаты разработок.
6. Полученные программы на ЭВМ, комплекс методик дисперсионного и регрессионного анализа с компьютерной обработкой экспериментальных данных используются в программах для обучения студентов в образовательных учреждениях.
Реализация и внедрение результатов работы.
1. Программы по анализу качества разрядных ламп и методика исследования зависимости качества от влияющих факторов внедрены в ГУП РМ «Лисма» и ОАО «Лисма-ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина».
2. Программа обработки экспериментальных данных и автоматизированное устройство сбора фотометрических данных внедрены в ОАО «Лисма-ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина».
3. Комплекс программ расчета осветительных установок внедрен в ОАО «Кадошкинский электротехнический завод», проектный институт «Мордовгражданпроект», ОАО «Ардатовский светотехнический завод», Муниципальное предприятие городского округа Саранск «Горсвет».
4. Облучатели с эритемными лампами и комплектами ЭПРА внедрены в комплексе КРС совхоза им. 60-летия Союза ССР Горьковской области, учхозе Мордовского госуниверситета.
5. Облучатели с излучением в области УФС и УФВ внедрены в колхозе «Россия» Инсарского района Мордовии, учхозе Мордовского госуниверситета, СПК «Садовод» Чамзинского района Мордовии, ООО «Кочкуровский» Дубенского района Мордовии.
6. Программы для реализации методов регрессионного анализа используются в учебном процессе Мордовского госуниверситета и Чувашской государственной сельскохозяйственной академии.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Способы регулирования соотношения потоков излучения ультрафиолетовых РЛНД в области УФВ и УФС.
2. Принцип создания комбинированных ультрафиолетовых облучателей, сочетающих функции профилактического облучения животных и обеззараживания помещений.
3. Алгоритмы и программное обеспечение для моделирования профилей облучателей, расположения ультрафиолет излучающих диодов в модуле и расчета осветительных и облучательных установок.
4. Математическая модель, описывающая процесс воздействия излучения от ультрафиолетовых РЛНД на показатели продуктивности животных.
5. Режимы ультрафиолетового облучения животных с использованием новых светотехнических средств и автоматизированных устройств контроля эксплуатационных характеристик.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы по мере их получения докладывались и обсуждались на I, III Всероссийской научно - технической конференции «Светоизлучающие системы, эффективность и применение» (Саранск, 1994 г., 2001 г.); .II Международной светотехнической конференции (Суздаль, 1995 г.); Международной конференции «Осветление’96» (Варна, Болгария 1996 г.); IV, V Всероссийском с международным участием совещании по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий (Саранск, 1996 г., 2000 г.); III Международной светотехнической конференции (Н.-Новгород, 1997 г.); Международной конференции «Современные проблемы в животноводстве» (Казань, 2000г.); V Международной светотехнической конференции «Свет и прогресс!» (СПб., 2003 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и природопользования (М., 2004 г., 2005 г.); I, II, III, IV, V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2002 г., 2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г.); VI Международной Светотехнической конференции «Свет без границ» (Калининград – Светлогорск 2006 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в образовании и науке» (М., 2006 г.); V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света» (Саранск, 2007 г.); Международной конференции «Проектирование новой реальности» (Таганрог, 2007 г.), Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» (СПб., 2007 г.), II Международной научно-практической конференции «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектированием CAD/CAM/CAE/PDM. (Пенза, 2008 г.), Международной научной конференции «Информация, сигналы, системы: вопросы методологии, анализа и синтеза» (Таганрог, 2008 г.), VI Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2008 г), IV Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, Болгария, 2008 г.).
Публикации. Материалы диссертации изложены в 105 работах, включая авторское свидетельство, 3 патента, 2 свидетельства на регистрацию программы на ЭВМ, 16 статей, опубликованных в рецензируемых журналах, а также статьи в сборниках материалов и тезисов докладов Международных и Всероссийских конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Объем диссертации составляет 345 стр., включая 107 рис., 42 табл. Список цитируемой литературы содержит 344 наименований.
Личный вклад автора. Исследования и разработки, составляющие основу диссертации, выполнены автором лично или под его руководством. Экспериментальные образцы ламп и программы на ЭВМ изготавливались и выполнялись в рамках НИР: госбюджетной темы «Применение оптического излучения в животноводстве и птицеводстве», хоздоговорной темы «Разработка комплекта программ расчета осветительных установок отечественной комплектации» и других хоздоговорных работ, а также НИР при финансовой поддержке республиканского бюджета Республики Мордовия, на ОАО «ЛИСМА - ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина», ОАО «ЛИСМА», ОАО «Кадошкинский электротехнический завод», ОАО «Ардатовский светотехнический завод» и сельскохозяйственных предприятиях Республики Мордовия и Горьковской области.
На различных этапах исследования, учитывая комплексность работы, в постановке конкретных задач, обсуждении результатов по вопросам технических и биологических наук, изготовлении экспериментальных образцов и опытных партий, проведении измерений принимали участие А.А. Ашрятов, В.К Самородов, О.А. Захаржевский, В.В Афонин, В.Ф. Дадонов, В.В. Азаренок, И.Р. Шашанов. Выражаю им свою глубокую благодарность.
Системы показателей эффективности оптического излучения для биообъектов
Для обеспечения соответствия рекомендациям [45], применяются облучатели ОБН-30, ОБУ-30, направляющими бактерицидный поток в верхнюю зону и использующими в комплектации безозонные лампы. В настоящее время номенклатура облучателей с РЛВД и РЛНД достаточно широка, но обеспечивает в основном нужды медицинских учреждений, пищевой промышленности, а также водозаборных и очистных сооружений. Для обеззараживания воды в с.-х. производстве используют облучатели типа ОВ-ЗН с непогруженными РЛНД типа ДБ-60 и РЛВД типа ДРТ-1000 (разработка АКХ им. К.Д. Памфилова) и ОВУ-6П с погруженными источниками ОИ, расположенными внутри кварцевого цилиндра (разработка ВИЭСХ). Более универсальное и эффективное обеззараживание обеспечивает озонатор «ВЭИ им. В.И. Ленина», основанный на использовании коронного разряда с производительностью 03 300 мг/г (концентрация озона на выходе 12 мг/м ).
Таким образом, к началу 90-х годов электротехнологии в животноводстве вышли на новый качественный уровень в создании полноценной оптической среды обитания с.х. животных в условиях крупных агропромышленных комплексов. Однако эти технологии не нашли достаточно широкого распространения в связи с началом экономических преобразований в стране, негативно повлиявшие на материальную базу сельскохозяйственной отрасли и процессы реконструкции и модернизации отрасли в целом.
На основании анализа литературных данных выявляется тенденция направленности многих исследований на получение высоких показателей конечного продукта (прироста живой массы, удоев, яйценоскости, сохранности), что в целом закономерно с точки зрения производственной необходимости и достижения экономической эффективности за период функционального использования отдельных групп животных. Однако в настоящее время отсутствует общий подход и не выработаны обоснованные критерии к выбору спектрального состава источников искусственного излучения повышенной эффективности. Систематизации данных о количественных характеристиках оптического излучения препятствует отсутствие во многих экспериментальных исследованиях сведений об условиях эксперимента, что не обеспечивает в достаточной мере сопоставимости и воспроизводимости отдельных экспериментов экспериментов и возможности прогнозирования конечных показателей продуктивности. Проблема эффективного использования источников ультрафиолетового излучения в фотобиологических процессах и установках является весьма актуальной [46].
Вопросам биологической фотометрии уделялось большое внимание в конце 70-х начале 80-х годов прошлого столетия-во время обсуждения систем эффективных величин и единиц [2, 47-49]. В дискуссии [50] отмечалось, что между фотосинтезем и формированием урожая лежит сложная цепь многочисленных процессов, что можно отнести также к образованию эритемы и выходу животноводческой продукции, поэтому требования к источникам излучения и лучистым потокам должны быть рассмотрены с двух сторон: с точки зрения функций спектральной эффективности и показателей продуктивности. Одним из основных выводов дискуссии был вывод о необходимости проведенияі исследований и развития методов измерения и расчетов как в энергетических, так и в эффективных величинах и единицах. В связи с большим значением поднятых вопросов к проведению работ предлагалось привлечь Научный Совет АН СССР, ВАСХНИЛ, ВИЭСХ, ВНИСИ, ВНИОФИ, а также заинтересованные министерства и ведомства. При решении поставленных задач наибольшее внимание предполагалось уделить совершенствованию и уточнению системы эффективных величин, учесть оговорки, которые даны, например, в предварительном стандарте ФРГ DIN5031, что кривые спектральной эффективности (эритемной и бактерицидной) справедливы только для пороговых доз облучения и могут претерпеть изменения при больших дозах (уровнях облучения и времени). Рекомендовалось включить в план исследований изучение методик оценки ОИ по его действию на сельскохозяйственных животных и птицу. Работа проводилась длительное время ведущими специалистами, однако до сих пор не завершена.
Повышение эффективности физиологического освещения и облучения животных в биологическом и зоотехническом аспектах может быть достигнуто оптимизацией количественных (уровень освещенности и облученности, величина дозы) и качественных (спектральный состав, структура светового поля) характеристик оптического излучения на основе обобщения экспериментальных данных. Однако сопоставительный анализ различных светотехнических систем с точки зрения продуктивности затруднен в связи с большой длительностью эксперимента и больших выборок для получения достоверных значений привесов.
На степень биологического воздействия ОИ на организм животных влияют излучательные характеристики каждого из источников лучистой энергии, которые принято описывать характеристиками системы эффективных величин и единиц.
Показателем эффективности использования лучистой энергии источника излучения биологическим объектом принято считать функцию интегральной чувствительности приемника, которая определяется из отношения эффективного потока к полному:
Математическое описание системы: источник оптического излучения — биообъект
При уширении основания кривой левой части (пунктирная линия на рисунке 2.16) смоделированная функция принимает вид близкий к ФОСЭЭ, принятой стандартом ГОСТ Р МЭК 60335-2-27-2000.
Математическое описание функции относительной спектральной эритемной эффективности с изменяющимся в зависимости от дозы облучения соотношением между двумя максимумами объясняет существование трех различных кривых, стандартизированных в разное время.
Таким образом, в результате проведенного анализа получены выражения для К}(Х) и КгіХ). Уточненное выражение (2.7) примет вид [213, 214]: где AI(DM) u A2(Dx2) - нормированные коэффициенты уровней максимумов бимодальной кривой, зависящие от дозы облучения в соответствующем диапазоне спектра; К](Х) и К2(Л) - левая и правая части кривой относительной эритемной спектральной эффективности при пороговых дозах; к}, к2 - масштабные коэффициенты.
Такое представление функции относительной спектральной эффективности можно распространить и на другие биологические фотоприемники.
Многими исследователями установлена нестабильность кривой относительной спектральной эффективности дневного зрения V(A.), особенно в синей области [73- 75, 215]. В [75] скорректированную функцию предлагалось представить в виде линейной комбинации функций V(X) и V10(X), последняя из которых включает вклад периферического зрения.
В [216] показано, что кривая световой эффективности в условиях сумеречного зрения может быть описана выражением, подобным выражению (2.8), составляющими которого являются кривые дневного и ночного зрения. При этом уровни максимумов кривых дневного и ночного зрения меняются по логарифмическому закону с отрицательным и положительным коэффициентами при логарифме, соответственно.
Можно предположить, что выражение (2.13) применимо для кривой спектральной фотосинтетической эффективности. В [217] указывается, что в небольшом диапазоне значений облученностей кривую спектральной фотосинтетической эффективности можно считать статичной, но при значительном изменении облученностей необходимо учитывать изменения соотношения между максимумами в синей и красной области спектра.
Очевидно, что для обеспечения эффективного использования оптического излучения в живых организмах и культурах существуют системы фоточувствительных элементов, имеющих двойственную структуру, либо обладающих двойственностью реакций. Двойственная структура обеспечивает лучшую приспособляемость биообъекта к меняющимся условиям внешней среды, и это свойство живых систем необходимо учитывать при выборе спектрального состава воздействующего излучения. Поэтому важным результатом проведенного анализа является возможность применения выражения (2.13), описывающего кривую с двумя максимумами, зависящими от количественных характеристик излучения, для проведения сравнения эффективности ультрафиолетовых ламп, излучающих в области В и С.
В ряде случаев оптическое излучение, воздействующее на биообъект, не ограничивается узким диапазоном, в который вписывается диапазон той или иной системы эффективных величин. В общем случае на реакцию биообъекта влияют доставляемые источниками искусственного и естественного излучения потоки лучистой энергии в различных спектральных диапазонах. Фоточувствительные элементы живых систем способны реагировать на излучение других оптических диапазонов спектра, что приводит к ослаблению или усилению эффективного действия (явление фотореактивации).
Исходя из предположения о взаимном влиянии излучения различных областей спектра, выражения (2.5), (2.6) необходимо корректировать для разных источников излучения с учетом их спектрального состава, мощности, использовании в тех или иных приборах и установках.
При моделировании функций относительной спектральной эффективности необходимо учитывать, что - они имеют сложный характер и представляют не одну кривую с одним максимумом, а сумму кривых; - соотношение между максимумами кривых является величиной переменной и зависит от освещенности (облученности) или дозы; - зависимости изменения максимумов от освещенности (облученности) или дозы могут быть описаны математическими выражениями с указанием диапазона их применимости.
Многообразие фоторецепторов у биообъектов, а также чувствительность фоторецепторов к различным областям спектра, может привести к необходимости применения расширенного описания кривых спектральной эффективности. Например, при значительных яркостях в кривой световой эффективности проявляются три локальных максимума с переменными амплитудами, что связано с изменением чувствительности трех разновидностей колбочек [218].
Разработка новых РЛНД с широкодиапазонным ультрафиолетовым спектром излучения с частично покрытыми люминофором участками колбы
В 1989 г. были начаты исследования по созданию эритемных ламп с увеличенной долей излучения в области УФС. Для проведения экспериментов по выявлению режимов и доз профилактического облучения от излучения в области УФС и УФВ для молодняка крупного рогатого скота (КРС) были изготовлены первые образцы ультрафиолетовых ламп, излучающих в этих областях. Разработка велась совместно с исполнителями хоздоговорной темы № госрегистрации 01860053206 кафедры электротехнологии Московского института инженеров сельскохозяйственного производства (ныне Московский государственный агропромышленный университет) профессором Живописцевым Е.Н., доцентом Овчуковой С.А. и др.
Изготовление опытных образцов ультрафиолетовых ламп осуществлялось на опытном производстве ВНИИИС им. А.Н Лодыгина. Некоторые результаты исследования излучательных характеристик ультрафиолетовых РЛ НД с широкодиапазонным спектром с частично покрытыми эритемным люминофором участками колбы отражены в [221]. Для получения широкодиапазонного ультрафиолетового спектра (спектра области УФС, УФВ) излучения РЛ НД было выбрано увиолевое бактерицидное стекло марки СЛ-97-2, пропускающего 56% излучения с /1=254 нм и 80% излучения с А=297 нм вместо стекла марки СЛ-97-3, используемого в стандартных эритемных лампах с коэффициентом пропускания излучения с 1=297 нм не менее, чем на 76%. Для обеспечения достаточной составляющей излучения в области УФВ был исполь зован стандартный эритемный люминофор марки Э-2 — (CaMg PO Tl. Максимум в спектре излучения люминофора Э-2 приходится на длину волны (310±5) нм, при этом полуширина спектра составляет 40 нм. Люминофор Э-2 возбуждается резонансным излучением ртутного разряда с максимумом в спектре возбуждения при Я=240 нм.
Давление паров ртути и аргона для опытных образцов выбиралось стан-дартным (710" мм рт.ст. и 2,5 мм рт. ст., соответственно). Вольфрамовая спираль для каждого источника подбиралась в соответствии с его мощностью и имела стандартный типоразмер.
Мощность изготовленных образцов составляла 30 Вт для трубчатых ламп диаметром 26 мм и 18 Вт для компактных ламп типа PL с двумя параллельными, соединенными между собой трубками диаметром 16 мм.
Основным требованием, предъявляемым в процессе разработки и изготовления к источнику с широкодиапазонным спектром УФИ, являлась возможность изменения соотношения потоков в области УФС и УФВ. Регулирование соотношения потоков УФС и УФВ за счет изменения площади свободных от люминофора и покрытых люминофором участков поверхности трубки представлялось наиболее целесообразным на стадии разработки, так как позволяло получить широкий диапазон регулирования.
Для определения зависимости изменения соотношения между потоками области УФС и УФВ от площади колбы, свободной от люминофора, на опытном производстве ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина были изготовлены опытные партии ламп с колбой из стекла марки СЛ-97-2 мощностью 18, 30 Вт наполовину (1/2) и полностью (1) покрытые люминофором. Контрольные лампы изготовлены с колбой из стекла марки СЛ-97-3.
Измерение спектральных и интегральных характеристик ламп опытных партий были проведены в измерительной лаборатории ВНИИИС им. А.Н Лодыгина по методике [230]. Описание основных результатов измерений представлено в [221, 231]. Протоколы измерений и сводные таблицы представлены в приложении Г.
Для 2 и 4 партий значения относительных лучистых потоков значительно выше по сравнению с таковыми для контрольной партии (5), 1 и 3 опытных партий, так как максимум излучения люминофора в абсолютных единицах партий 2 и 4 снизился более, чем в 3 раза, за счет уменьшения площади колбы, покрытой люминофором). Спектр излучения лампы ЛЭБ-30 ламп №1 с колбой из бактерицидного стекла, полностью покрытой люминофором, представлен на рисунке 3.4.
Из рисунка 3.5 можно обнаружить, что лампы в колбах из бактерицидного стекла частично покрытые люминофором позволяют обеспечить значительный диапазон варьирования излучения в области УФС, моделировать спектральные соотношения в области УФС, УФВ и получать спектры аналогичные существующим источникам ультрафиолетового излучения, применяемым для облучения сельскохозяйственных животных.
С учетом результатов проведенных исследований были изготовлены опытные образцы РЛ НД для облучения животных с широкодиапазонным ультрафиолетовым спектром излучения с частично покрытыми люминофором участками колбы, которые имели различное соотношение потоков в области УФВ и УФС [221,232].
Для проведения производственных испытаний по профилактическому облучению животных были изготовлены ультрафиолетовые лампы из бактерицидного стекла типа СЛ-97-2 мощностью 30 Вт, на 1/6 поверхности трубки свободной от эритемного люминофора, с условным названием ЛЭБ-30, имеющих соотношение энергетических потоков в области УФС и УФВ 1 : 1,4 (рис.3.6), и компактные двухканальные лампы мощностью 18 Вт с одним каналом, свободным от люминофора, с условным названием ЛЭБ-18, в которых соотношение энергетических потоков в области УФС и УФВ составляло 1 : 0,5 (рис.3.7).
Экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик комплекта эритемная лампа — ЭПРА
Основными предпосылками успешной реализации новых разработок, выполненных на базе существующих люминесцентных ламп, являлись наличие отработанной технологии и высокопроизводительного оборудования для производства этих ламп. Однако для получения образцов, удовлетворяющих существующим ТУ (за основу взяты ТУ-09-4817-80, ТУ 16-535-274-74), необходимо было проконтролировать такие технологические операции как подготовка электродных узлов, подготовка эритемного люминофора, откачка и наполнение инертным газом и пр.
Контроль подготовки электродных улов осуществлялся с учетом требований к оксидному слою катода. Создание оксидного слоя катода, способного обеспечить необходимый срок службы ламп, требует соблюдения соответствующих технологий. Срок службы зависит от массы эмиссионного покрытия катода, от выбора элементов смеси и соотношения между ними. Использование тройной смеси BaO, CaO, SrO (с соотношением 50:30:20) при том же привесе исходного вещества увеличивает массу эмиссионного покрытия примерно на 12%. Работа выхода такого эмиссионного покрытия электродов составляет 1,15-1,2 эВ, что обеспечивает его высокую эмиссионную способность при относительно низких температурах (900-1300С) [239]. Применение смесей приводит, кроме того, к уменьшению количества выделяющихся во время обработки катодов газов, что снижает вероятность образования на катодах промежуточного слоя Ваз\\Юб- Карбонаты стронция и кальция легче разлагаются при нагревании в вакууме, образуя тугоплавкие окислы, препятствующие спеканию оксид ного слоя, которое снижает величину эмитирующей поверхности. С увеличением содержания карбоната кальция несколько снижается эмиссия, но увеличивается прочность покрытия. Был измерен вес катодов до нанесения покрытия и после, привес составил в среднем 6,6-6,65 мг.
Другой контролируемой характеристикой являлось сопротивление катодов, которое измерялось с помощью омметра цифрового Щ34 №01510 и составило соответственно при Р 0,95 для безштенгельного конца 5,034 + 0,126 Ом и штенгельного конца 5,003 + 0,114 Ом (табл. Д.4 приложения Д). Высота ножки до спирали составляла 60-80 мм, как рекомендовано в [240] для ламп с чистой ртутью, для создания температуры стенок колбы около цоколя 35-40 С.
Контролировалась подготовка люминофорной суспензии. Процесс изготовления суспензии сопровождался размолом люминофора. В результате размола получался порошок с гранулометрическим составом частиц, варьирующимся в пределах 3-20 мкм. Результаты определения гранулометрического состава представлены в табл. Д.5 приложения Д.
Результаты определения процентного соотношения фракций частиц представлены в таблице 3.3.
Как видно из таблицы, частиц с размером 4 мкм оказалось 9,9% (по ТУ регламентируется 3,5%); частиц с размером 14 мкм оказалось 22,1%; 20мкм -13% (по ТУ частиц размером 14 мкм должно быть не более 10%); в целом превышено значение мелких частиц размером 4-6 мкм.
Превышение процентного содержания крупных частиц должно привести к ухудшению адгезии (прочности закрепления на стенках трубки). Однако увеличение длительности размола может привести к увеличению содержания мел ких (3 мкм и менее) частиц, что может заметно повысить коэффициент отражения люминофорным слоем ультрафиолетового излучения, что уменьшит его выход. Поэтому без изменений был принят к производству для опытных образцов ламп полученный гранулометрический состав.
Конечными параметрами, которые были приняты за основные при проведении отбраковочного контроля и анализе качества ламп мощностью 15 Вт, явились начальные электрические параметры и начальная облученность, размеры ламп, которые сравнивались с соответствующими значениями, регламентируемыми ТУ-09-4817-80, ТУ16-535-274-74. Для ламп мощностью 13 Вт анализ проводился по сокращенному числу параметров. Протоколы измерений об-лученностей для ламп мощностью 15 и 13 Вт представлены в приложении Е. Примеры протоколов измерений относительной спектральной плотности излучения и лучистых потоков для ламп той же мощности представлены в приложении Ж. В анализе качества был рассмотрен также спад облученности после минимальной продолжительности горения ламп мощностью 15 Вт (примеры измерения облученностей в процессе срока службы представлены в приложении Ж).
При проведении выборочного отбраковочного контроля в соответствии с ГОСТ 6825-74, по результатам приемки отдельной партии ламп не выявлены дефекты по размерам ламп (выборка в количестве 20 шт.); по начальным электрическим параметрам и облученности (выборка 12 шт.).
Для ламп с удельной нагрузкой слоя люминофора 3,33 мг/см среднее значение энергетического потока в области С составляет 0,043 Вт, что ниже предельного значения 0,15 бк (0,15 Вт), регламентируемого ТУ 16-535,274-74.
Ультрафиолетовые лампы мощностью 15 Вт с удельной нагрузкой слоя люминофора 3,33 мг/см проверялись по лучистым характеристикам на соответствие техническим требованиям по ТУ16-535,274-74.
