Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

 

 

 

Осветительное и облучательное оборудование в сельском хозяйстве

Конспект лекций

для студентов специальности 5В081200-Энергобеспечение сельского хозяйства

  

 

 

Алматы 2012

    СОСТАВИТЕЛЬ: О.П. Живаева. Осветительное и облучательное оборудование в сельском хозяйстве. Конспект лекций для студентов специальности 5В081200 - Энергобеспечение сельского хозяйства. – Алматы: АУЭС, 2012. – 37 с.

 

В данном курсе лекций рассмотрены следующие вопросы: оптическое излучение и его преобразование в другие виды энергии; величины оптического излучения и единицы их измерения; источники, основанные на тепловом излучении; люминесцентные лампы низкого давления; газоразрядные лампы высокого давления; светоизлучающие диоды; осветительные приборы и облучательные установки.

Ил. 20, библиогр. - 8 назв.

 

Рецензент: канд. техн. наук, доцент С.А. Бугубаев 

 

Печатается по плану издания НАО «Алматинский университет энергетики и связи» на 2011 год.

 

  © НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2012 г.

 

Содержание

1 Лекция. Оптическое излучение, спектры излучения

4

2 Лекция. Световые величины и единицы их измерения

8

3 Лекция. Источники оптического излучения

12

4 Лекция. Газоразрядные источники света

16

5 Лекция. Светодиоды

21

6 Лекция. Осветительные приборы и облучательные установки

23

7 Лекция. Установки для УФ-облучения в сельскохозяйственном производстве

29

8 Лекция. Установки для ИК-облучения в сельскохозяйственном производстве

32

Список литературы

36

 

1 Лекция. Оптическое излучение, спектры излучения

 

Содержание лекции:

- виды оптического излучения; источники и область применения оптического излучения, основные виды спектров излучения.

Цели лекции:

- изучение основных видов оптического излучения и спектров излучения.

 

Оптическое излучение – электромагнитное излучение с длиной волны от 100 до 10000 нм. Электромагнитные излучения характеризуются частотой колебаний, показывающей число полных циклов колебаний в секунду, или длиной волны, т.е. расстоянием, на которое распространяется излучение за время одного колебания. Скорость распространения излучений определяется по формуле:

 

 

с  = f l, м/с

 

 

где l – длина волны, м;

f – частота электромагнитных колебаний, Гц.

 

В зависимости от длины волны оптическое излучение подразделяется на ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение.

Ультрафиолетовое излучение.

Ультрафиолетовое излучение – это невидимое глазом оптическое излучение, располагающееся на спектре между видимым и рентгеновским излучениями. Ультрафиолетовое излучение разделяется на три группы: УФ-А - от 315 нм до 380 нм; УФ-В - 280-315 нм; УФ-С - 100- 280 нм. Область ультрафиолетового излучения условно делится на ближнюю (400-200 нм) и дальнюю или вакуумную (200-10 нм); последнее название обусловлено тем, что ультрафиолетовое излучение этого участка поглощается воздухом, и его исследование проводят внутри вакуума.

Ближний ультрафиолетовый диапазон часто называют «черным светом», так как он не распознаётся человеческим глазом, но при отражении от некоторых материалов спектр переходит в область видимого излучения.

Для дальнего и экстремального диапазона часто используется термин «вакуумный», в виду того, что волны этого диапазона сильно поглощаются атмосферой Земли.

Основным природным источником ультрафиолетового излучения является Солнце, а искусственными источниками УФ-излучения – газоразрядные источники света, эритемные лампы, бактерицидные лампы и облучатели

Область  применения ультрафиолетового излучения.

УФ излучение широко используется на предприятиях пищевой промышленности для обеззараживания воздуха и поверхностей.  Ультрафиолетовые лампы способны убивать бактерии и микроорганизмы, поэтому «кварцевые» лампы широко применяют для дезинфекции воздуха в местах массового скопления людей. Для защиты документов от подделки их часто снабжают ультрафиолетовыми метками, которые видны только в условиях ультрафиолетового освещения. Ультрафиолетовое излучение используется и в развлекательных целях: для создания световых эффектов на сцене.

 

Видимое излучение.

Видимое излучение – оптическое излучение, вызывающее зрительное ощущение и занимающее участок спектра от 380 до 780 нм. Световые излучения различных частот воспринимаются человеком как разные цвета.

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета: фиолетовый (380-440 нм), синий (440-485 нм), голубой (485-500 нм), зеленый (500-565 нм), желтый (565-590 нм), оранжевый (590-625 нм) и красный (625-780 нм).

 

Инфракрасное излучение.

Инфракрасное излучение - оптическое излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны 780 нм) и коротковолновым радиоизлучением (с длиной волны 1 мм)

Вся область, занимаемая инфракрасным излучением, делится на 3 диапазона с различной длиной волны:

- на короткие волны от 800 до 1400 нм;

- на средние волны от 1400 до 3000 нм;

- на длинные волны от 3000 до 10000 нм.

Обычно инфракрасное излучение измеряют в микрометрах. Инфракрасное излучение испускается всеми телами, имеющими температуру выше абсолютного нуля.

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.

Источники инфракрасного излучения.

К природным источникам относятся: излучение Солнца, действующие вулканы, термальные воды, процессы тепломассопереноса в атмосфере, лесные пожары, все нагретые тела.

К техногенным источникам относятся: газоразрядные лампы, угольные и электрические дуги, электрические плиты со спиралью, плазменные установки, электронагревательные приборы, печи, двигатели, генераторы, атомные реакторы, инфракрасные лазеры.

Область применения инфракрасного излучения.

Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии, дистанционном управлении, в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей,  для стерилизации пищевых продуктов, антикоррозийное средство,  для обогрева помещений и уличных пространств, в волоконно-оптических системах связи.

Спектры излучения.

Спектр излучения – совокупность излучений расположенных в ряд в порядке изменения длины волны.

Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа: сплошной, линейчатый и полосатый.

Сплошной спектр.

Сплошной спектр – спектр, у которого монохроматические составляющие заполняют без разрывов интервал длин волн, в пределах которого проходит излучение (см. рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Сплошной спектр излучения

 

Сплошной спектр излучают нагретые твердые и жидкие вещества, газы, нагретые под большим давлением. Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным.

Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

 

Линейчатые спектры.

Линейчатый спектр – спектр, который состоит из отдельных не прилегающих друг к другу монохроматических излучений (см. рисунок 2).

Линейчатый спектр излучается газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий разного цвета (длины волны, частоты), имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определенных частот. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр.

 

Рисунок 2 – Линейчатый спектр излучения

 

Полосатые спектры.

Полосатый спектр – спектр, монохроматические составляющие которого образуют дискретные группы (полосы), которые состоят из многих тесно размещенных линий (см. рисунок 3).

Полосатый спектр - это спектр, который испускается газом в молекулярном состоянии.

 

Рисунок 3 – Полосатый спектр излучения

 

Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.


2 Лекция. Световые величины и единицы их измерения

 

Содержание лекции:

- световые величины, методы расчета и единицы измерения.

Цели лекции:

-  ознакомиться с методами расчета световых величин.

 

Для оценки количественных и качественных параметров света разработана специальная система световых величин.

К количественным параметрам относятся световой поток Ф, сила света I, освещенность Е, яркость поверхности L и коэффициент отражения ρ. Качественные показатели характеризуют условия зрительной работы. Это такие понятия, как фон, величина контраста объекта с фоном К, видимость V, показатель ослепленности Р.

Световой поток.

Световой поток Ф – количество излучаемой энергии, протекающей через единицу площади за единицу времени. Световой поток – это часть лучистого потока, которая воспринимается зрением человека как свет и характеризует мощность источника света. Световой поток определяется по формуле:

 

 

,

 

 

где Q – количество излучаемой энергии, Вт;

t – единица времени излучаемой энергии, с.

Единица измерения светового потока - люмен (лм).

Световой поток определяется как величина не только физическая, но и физиологическая, поскольку измерение ее основывается на зрительном восприятии.

Световой поток принято оценивать в пространстве и на поверхности.

В первом случае характеристикой служит сила света I – пространственная плотность светового потока, а во втором случае характеристикой служит освещенность Е:

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов – сферических фотометров. Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях. Для этого можно использовать сферический фотометр – прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеяный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Сила света.

Все источники света, в том числе и осветительные приборы, излучают световой поток в пространство неравномерно, поэтому вводится величина пространственной плотности светового потока – сила света (см. рисунок 4).

Сила света I – пространственная плотность светового потока. Определяется как отношение светового потока, исходящего от источника и равномерно распространяющегося внутри элементарного телесного угла, к величине этого угла:

 

 

,

 

 

где Ф – световой поток, лм;

w – телесный угол, ср.

Измеряется в канделлах (кд). Сила света, излучаемая свечой, примерно равна одной канделе.

Рисунок 4 – Сила света

 

Освещенность.

Освещённость Е – физическая величина, характеризующая освещение поверхности, создаваемое световым потоком, падающим на поверхность. Освещенность – это отношение светового потока попадающего на элемент поверхности, к площади этого элемента (см. рисунок 5):

 

 

,

 

 

где Ф – световой поток, лм;

S – площадь освещаемой поверхности, м2.

Единицей измерения освещенности – люкс (лк).

Освещенность пропорциональна силе света. С увеличением дистанции от поверхности освещенность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. При падении световых лучей наклонно к освещаемой поверхности освещенность падает пропорционально косинусу угла падения лучей.

 

 

,

 

 

где I – сила света, кд;

l – расстояние от источника света до освещаемой поверхности, м;

a – угол падения света на освещаемую поверхность.

Единицей измерения освещенности – люкс (лк).

Проще говоря, люксами измеряют освещённость поверхности, на которую попадает свет. Для определения освещенности применяют приборы, называемые люксметрами. Наиболее благоприятная освещенность составляет 200 люкс. Для большинства офисных помещений достаточной является освещенность в 120 - 250 лк, складских помещений - 60 - 120 лк, производственных помещений - 120 - 500 лк.

 

Рисунок 5 – К определению понятия «освещенность»

 

Яркость.

Яркость L – это отношение силы света, излучаемой этой поверхностью, к площади ее проекции (см. рисунок 6):

 

 

,

 

 

где I – сила света поверхности в определенном направлении, кд:

Sплощадь поверхности, м2 ;

a – угол между перпендикуляром к плоскости и направлением, в котором мы хотим знать яркость.

Единица яркости - кандела на квадратный метр (кд/м2).

 

Рисунок 6 – К определению понятия «яркость»

Из всех фотометрических величин яркость наиболее близко связана со зрительными ощущениями, так как освещенности изображений предметов на сетчатке глаза пропорциональны именно яркости этих предметов.

Она зависит от силы света, угла падения светового потока на плоскость, цвета предмета и др. Чрезмерная яркость называется блесткостью.

Телесный угол.

Под телесным углом w понимается часть пространства, ограниченная конической поверхностью. Телесный угол равен отношению площади, вырезаемой этим углом на сфере произвольного радиуса, к квадрату этого радиуса (см. рисунок 7):

 

 

,

 

 

где Rпроизвольного радиуса, м;

S – площадь, вырезанная телесным углом, м2.

Единицей измерения телесного угла является стерадиан (ср).

 

Рисунок 7 – Телесный угол

 

Коэффициент отражения.

Способность предметов отражать падающий на них свет характеризуется коэффициентом отражения r.

Коэффициент отражения – это отношение величины светового потока, отраженного от какой-либо поверхности, к световому потоку, падающему на эту поверхность от какого-либо источника света или светильника:

 

 

,

 

 

Чем выше коэффициент отражения предмета, тем более светлым он кажется. Коэффициент отражения материалов зависит от свойств самих материалов, так и от характера обработки поверхности.

Контраст объекта с фоном.

Контраст объекта с фоном К характеризуется отношением яркостей рассматриваемого объекта и фона:

 

 

,

 

где L – яркость фона, кд/м2;

L – яркость объекта, кд/м2.

При К > 0,5 контраст объекта с фоном считают большим, при 0,2-0,5 – средним и при К< 0,2 – малым.

Видимость.

Видимость V – это способность глаза воспринимать объект в зависимости от его освещенности, размера, яркости, контраста объекта с фоном и длительности экспозиции:

 

 

,

 

 

где К – контраст объекта с фоном;

Kпор – пороговый контраст, т.е. наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличимым.

Показатель ослепленности.

Показатель ослепленности Р критерий оценки слепящего действия осветительной установки, определяемый выражением

 

 

,

 

 

где S – коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения.

  

3 Лекция. Источники оптического излучения

 

Содержание лекции:

- основные параметры источников света, тепловые источники света.

Цели лекции:

-  ознакомиться с параметрами источников света, с характеристиками тепловых источников света и областью применения.

 

Искусственным источником света (ИС) называют устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в оптическое излучение (электромагнитное излучение с длинами волн от 1 до 10б нм).

По физической природе различают три вида ОИ: тепловое, люминесценцию и излучение на полупроводниковом переходе.

Тепловым называют ОИ, возникающее при нагревании тел. У твердых тел оно имеет непрерывный спектр, зависящий от температуры тела и его оптических свойств. Тепловыми излучателями являются все источники, свечение которых обусловлено нагреванием.

Люминесценцией называют спонтанное излучение, избыточное над тепловым излучением, если его длительность значительно превышает период колебаний электромагнитной волны соответствующего излучения. Люминесценция наблюдается в газообразных, жидких и твердых телах. Твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений, называют люминофорами.

Излучение на полупроводниковом переходе – при пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда, электроны и дырки, рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

 

Параметры источников света (ламп).

Все параметры источников света можно разделить на 2 группы: технические и  эксплуатационные.

К техническим параметрам относятся все электрические, световые и механические параметры ламп.

Электрические параметры источников света: номинальное напряжение, номинальная мощность, род питающего тока, номинальный ток.

Светотехнические параметры источников света: световой поток, яркость разрядного промежутка, габаритная яркость тела накала, сила света,  световая отдача, цветовая температура, индекс цветопередачи Rа (для тепловых – Rа=100, для газоразрядных – Rа<100).

Механические параметры источников света: габаритные размеры,  форма колбы, ее оптические свойства, масса, тип цоколя, положение тела накала и разрядного промежутка, форма и размеры разрядной колбы,  рабочее положение ламп.

Эксплуатационные параметры источников света: срок службы (полный и полезный), устойчивость к внешним климатическим факторам (температура, давление, влажность окружающей среды), устойчивость к механическим воздействиям (удары, вибрация, звук), устойчивость к колебаниям напряжения питающей сети.

Под полным сроком службы понимают продолжительность горения ламп от начала эксплуатации или испытания до момента полной или частичной утраты ими работоспособности. Например, в ЛН – из-за перегорания нити, в ГЛ - из-за потери способности зажигаться и т.п.

Полезным сроком службы называют продолжительность горения ламп от начала эксплуатации или испытания до момента ухода за установленные пределы одного из параметров, определяющих целесообразность использования ламп данного типа, например из-за снижения потока или яркости ниже определенного предела для осветительных и облучательных ламп или невозможности эксплуатации специальных ГЛ высокой яркости в светооптических приборах из-за нестабильности положения дуги и т.п.

Важным показателем надежности является также вероятность безотказной работы ламп в течение заданного времени, которая часто регламентируется минимальной продолжительностью горения.

Тепловые источники света.

К тепловым источникам света относятся обычные лампы накаливания и галогенные лампы.

Лампа накаливания – осветительный прибор, искусственный источник света, в котором свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока.

 

1 – тела накала;

2 – колба;

3 – инертный газ;

4 – электрод;

5 – держатель;

6 – стеклянный уступ держателей;

7 – электрод;

8 – контактный проводник,

9 – цоколь;

10 – нижний контакт;

11 – лопатка.

Рисунок 8 – Устройство лампы накаливания

 

Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.

Лампы заполняются инертным газом (лампы малой мощности делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа. Используются смеси азота с аргоном, криптоном или ксеноном.

В лампах применяются спирали из осмиево-вольфрамового сплава.  Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции. Для уменьшения потерь нить накала лампы свертывается в спираль.

Для подвода тока в лампе имеются электроды, которые чаще всего делаются из никеля. Электроды выполняют функцию и основных крепящих элементов, поддерживающих тело накала. Дополнительно тело накала поддерживается еще специальными крючками, которые делаются и молибдена.

На месте спая горловины колбы с помощью специальной мастики крепиться цоколь. У обычных осветительных ламп цоколь делается резьбовым, также встречаются цоколи без резьбы, а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях.

Галогенные лампы накаливания.

Галогенные ЛН по сравнению с обычными лампами имеют более стабильный по времени световой поток и, следовательно, повышенный полезный срок службы, а также значительно меньшие размеры, более высокие термостойкость и механическую прочность благодаря применению кварцевой колбы. Малые размеры и прочная оболочка позволяют наполнять лампы до высоких давлений дорогостоящим ксеноном и получать на этой основе более высокую яркость и повышенную световую отдачу (либо увеличенный физический срок службы).

Рисунок 9 – Устройство галогенной лампы накаливания

 

Устройство ГЛН показано на рисунке 9. Колба лампы – длинная узкая кварцевая трубка 1; тело накала - прямолинейная вольфрамовая спираль 2, закрепленная на вольфрамовых держателях 3 по оси колбы. Расположенные по обоим концам трубки вольфрамовые вводы 4 соединены с выводами 5 впаянной в кварц молибденовой фольгой 6. Место отпая штенгеля 7 расположено на боковой стенке колбы. Тело накала ГЛН изготавливается из специальных марок вольфрамовой проволоки, преимущественно в виде спирали, которой в лампе с помощью электродов и держателей придается необходимая форма. В состав наполняющего газа водиться небольшое количество галогенов – фтор, хлор, бром и йод.

Принцип действия ГЛН заключается в образовании на стенке колбы летучих соединений - галогенидов вольфрама, которые испаряются со стенки, разлагаются на теле накала и возвращают ему, таким образом, испарившиеся атомы вольфрама.

Преимущества: малая стоимость, небольшие размеры, простота монтажа, ненужность пускорегулирующей аппаратуры, при включении они зажигаются практически мгновенно, отсутствие токсичных компонентов, отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе.

Недостатки: низкая световая отдача, относительно малый срок службы, резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения, большое энергопотребление.

Классификация и обозначение ламп накаливания.

Классификация ЛН чаще всего производится по двум признакам: по назначению (общего назначения и лампы специального назначения) и по конструкции (крупногабаритные, среднегабаритные, малогабаритные, миниатюрные, лампы-фары, лампы-светильники, галогенные.

Лампы общего назначения используются в быту, для освещения административных и промышленных зданий, улиц. Лампы общего назначения изготавливаются на напряжение 127 и 220 В (для местного освещения – на 12 или 36 В) мощностью от 15 до 1000 Вт.

В маркировке ламп присутствует одна или две буквы, обозначающая тип лампы (В – вакуумная со спиральным телом накала, Б – с аргоновым наполнением и биспиральным телом накала, БК – с криптоновым наполнением и биспиральным телом накала, МО – для местного освещения). После букв указывается диапазон рабочих напряжений в вольтах и через дефис – мощность в ваттах.

К лампам специального назначения относятся лампы для различного транспорта (автомобильные, самолетные, железнодорожные, судовые, трамвайные), для использования в оптических приборах, прожекторные, кинопроекционные, миниатюрные, сверхминиатюрные, коммутаторные, декоративные, светоизмерительные.

Галогенные лампы накаливания делятся на две группы – линейные и малогабаритные (компактные). Линейные имеют двухстороннюю цоколевку с торцевыми цоколями. Лампы мощностью 2000 Вт и более часто делают без цоколей с гибкими проволочными выводами или плоскими контактами для зажима «под винт». Диапазон мощностей линейных ламп от 100 до 20000 Вт, номинальное напряжение – 110, 127, 220 В. Линейные лампы маркируются буквами КГ или КИ (кварцевые галогенные или йодные) и цифрами, обозначающими номинальное напряжение и мощность.

Компактные галогенные лампы накаливания на напряжение 220 В мощностью от 500 до 5000 Вт делаются для прожекторов. Эти лампы имеют специальную конструкцию и различные типы специальных цоколей.

Линейные галогенные лампы применяются в прожекторах для освещения открытых пространств, фасадов зданий, рекламных щитов. Малогабаритные галогенные лампы используются для акцентирующего освещения музейных и выставочных экспонатов, торговых витрин, оптических и светосигнальных приборах.

  

4 Лекция. Газоразрядные источники света

 

Содержание лекции:

- общие свойства газоразрядных ламп, люминесцентные лампы, дуговые ртутные лампы, металлогалогенные лампы, натриевые лампы.

Цели лекции:

- ознакомиться характеристиками газоразрядных источников света и областью применения.

 

Общие свойства газоразрядных ламп.

Газоразрядной лампой (ГЛ) называют лампу, в которой оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях. Особенности ГЛ определяются тем, что ГЛ имеют самую высокую световую отдачу и большой срок службы по сравнению с ЛН, а также могут иметь разнообразные спектры излучения и широкий диапазон значений мощности, яркости и других параметров.

Принцип действия ГЛ основан на электрическом разряде между двумя электродами, запаянными в прозрачную для оптического излучения колбу той или иной формы. Иногда для облегчения зажигания впаивают дополнительные электроды. Внутреннее пространство колбы после удаления воздуха наполняется определенным газом (чаще всего инертным) до заданного давления или инертным газом и небольшим количеством металла с высокой упругостью паров, например ртутью, натрием.

Классификация ГЛ возможна по физическим (спектр, цветность излучения, яркость, градиент потенциала, энергетический КПД), конструктивным признакам, эксплуатационным свойствам и областям применения.

По составу газов или паров, в которых происходит разряд, ГЛ делятся на лампы с разрядом: в газах, в парах металлов, в парах металлов и их соединений.

По рабочему давлению ГЛ делятся на: лампы низкого давления (ГЛНД), примерно от 0.1 до 104 Па; высокого давления (ГЛВД),  от 3´104 до 106 Па; сверхвысокого давления (ЛСВД), больше 106 Па.

По виду разряда - на лампы: дугового разряда, тлеющего разряда, импульсного разряда.

В зависимости от того, что является основным источником излучения, ГЛ делят на:

1) газо- или паросветные, в которых излучение вызвано возбуждением атомов, молекул или рекомбинацией ионов,

2) фотолюминесцентные (называемые для краткости просто люминесцентные), в которых излучение создают люминофоры, возбуждаемые излучением разряда,

3) электродосветные, в которых излучение создается электродами, раскаленными в разряде до высокой температуры.

По форме колбы ГЛ со столбом подразделяются на:

1) трубчатые или линейные ГЛ в цилиндрических колбах, у которых расстояние между электродами в два раза и более превышает внутренний диаметр трубки;

2) капиллярные - в трубках с внутренним диаметром меньше 4 мм;

3) шаровые ГЛ с расстоянием между электродами, меньшим или равным внутреннему диаметру колбы (колбы ГЛ имеют часто форму шара или близкую к ней, откуда они и получили свое название); их называют также ГЛ с короткой или средней длиной дуги.

По способу охлаждения ГЛ подразделяют на ГЛ с естественным и с принудительным (воздушным или водяным) охлаждением.

Люминесцентные лампы.

Люминесцентная лампа – это разрядный источник света низкого давления, в котором разряд происходит в смеси паров ртути и инертного газа. Устройство лампы показано на рисунке 10. Колба лампы 1 – это всегда цилиндр из стекла. В торцевые концы цилиндра герметично впаяны стеклянные ножки 2, на которых с внутренней стороны смонтированы электроды 3. Электроды делаются из вольфрамовой проволоки. С наружной стороны электроды подпаяны к штырькам 4 цоколя 5. Из колб люминесцентных ламп воздух тщательно откачивается через штенгель 6, впаянный в одну из ножек. После откачки объем колбы заполняется инертным газом 7 и в него вводиться ртуть в виде небольшой капли 8. Вся цилиндрическая часть колбы с внутренней стороны покрыта тонким слоем люминофора 9, который превращает ультрафиолетовое излучение атомов ртути в видимый свет. В качестве люминофора используют галофосфат кальция с добавками сурьмы и марганца. При облучении такого люминофора ультрафиолетовым излучением он начинает светиться белым светом разных оттенков.

Рисунок 10 – Устройство люминесцентных ламп

 

Принцип работы.

При работе люминесцентной лампы между двумя электродами, находящимися в противоположных концах лампы, возникает тлеющий разряд. Лампа заполнена инертным газом и парами ртути, проходящий ток приводит к появлению ультрафиолетового излучения. Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции.

Все люминесцентные лампы можно разделить на две группы: линейные и компактные. Люминесцентные лампы выпускаются с различной цветностью излучения. Цветность излучения ламп можно охарактеризовать цветовой температурой Тцв. Тепло-белой цветности соответствует температура              Тцв = 2700-3000 К, белой – Тцв = 3500 К, холодно-белой – Тцв = 4200 К, естественной – Тцв = 5000 К, дневной – Тцв = 6000-6500 К.

Достоинства люминесцентных ламп: высокая световая отдача, которая может достигать 75 лм/Вт; более высокий коэффициент полезного действия (20-25%); длительный срок службы, у стандартных ламп доходящий до 10 тысяч часов; высокое качество цветопередачи.

Недостатки люминесцентных ламп: большие габариты ламп часто не позволяют перераспределять световой поток нужным образом; световой поток лам зависит от окружающей температуры; в лампах содержится ртуть, что делает их экологически опасными; световой поток ламп устанавливается не сразу после включения, а спустя некоторое время, зависящее от конструкции светильника, окружающей температуры и самих ламп; требуют для включения в сеть дополнительных приборов.

         Газоразрядные лампы высокого давления.

Дуговая ртутная лампа (см. рисунок 11) состоит из кварцевой трубки (горелки), расположенной в стеклянной колбе, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем люминофора, способного преобразовывать ультрафиолетовое излучение, сопровождающее дуговой разряд в трубке, в видимый свет, пригодный для освещения.

1 - внешняя стеклянная колба;

2 - слой люминофора;

3 - разрядная трубка из кварцевого стекла; 4 - рабочий электрод; 5 - зажигающий электрод; 6 - ограничительные резисторы в цепи зажигающего электрода; 7 - экран;

8 – ртуть.

Рисунок 11 – Устройство дуговой ртутной лампы

В трубку, выполненную из кварцевого стекла, впаяны два основных вольфрамовых электрода, покрытых активированным слоем и подсоединенных к центральной части цоколя лампы, и два дополнительных электрода (зажигающих). В трубке имеется капелька ртути (25-165 мг). После откачки воздуха для поддержания стабильности свойств люминофора колба заполняется чистым инертным газом (аргоном). Благодаря наличию внешней колбы, светотехнические характеристики лампы типа ДРЛ практически не чувствительны к температуре окружающего воздуха в отличие от люминесцентных ламп низкого давления. Они надежно работают при температуре окружающего воздуха от -30 до +40 °С. Влияние температуры окружающего воздуха сказывается в основном на напряжении зажигания лампы и времени ее разгорания.

 

При эксплуатации осветительных установок допускается любое положение ламп типа ДРЛ. Однако при горизонтальном положении дуга в горелке из-за конвекционных потоков газов слегка выгибается вверх. Это приводит к некоторому снижению мощности, световой отдачи и срока службы лампы.

Достоинства дуговых ртутных ламп: высокая световая отдача, которая может достигать 40-60 лм/Вт; большой срок службы – 24000 часов, причем к концу этого срока световой поток снижается до 70 % от начального; компактность при высокой единичной мощности.

Недостатки дуговых ртутных ламп: низкое качество цветопередачи (Rа = 45-55); большая пульсация светового потока (65-75%); большое время разгорания (10 минут); невозможность повторного включения горячей лампы; высокая температура на внешней колбе (250-300°С); требуют для включения в сеть дополнительных приборов.

Ртутные лампы высокого давления применяются там, где не требуется качество цветопередачи – в уличном освещении, на складах, на промышленных предприятиях.

Металлогалогенные лампы (МГЛ).

По устройству МГЛ похожи на ртутные лампы высокого давления, но внешняя колба у них не покрыта люминофором, а сделана из прозрачного стекла (см. рисунок 12).

Общий вид осветительных металлогалогенных ламп

1 – пружинящие распорки; 2 – разрядная трубка; 3 – основные электроды; 4 – зажигающий электрод; 5 – утепляющее покрытие; 6 – ограничительное термостойкое сопротивление

Рисунок 12 – Устройство металлогалогенных ламп

В прозрачной колбе находится разрядная трубка, с обеих сторон которой впаяны электроды. В основании колбы установлен экран. В качестве внешней колбы применяется либо стандартная колба лампы ДРЛ без люминофорного покрытия (в типе лампы указана модификация 5), либо колба цилиндрической формы (модификация 6). Лампы модификации 5 предназначены для работы в любом положении, а модификации 6 – преимущественно в горизонтальном. В МГЛ для исправления цветности и повышения световой отдачи применяются специальные светоизлучающие добавки – галогенные соединения металлов.

 

 

Достоинства металлогалогенных ламп: высокая световая отдача; большой срок службы – 15000 часов, лучшую цветопередачу (Rа = 90); имеет малогабаритную горелку, что позволяет легче перераспределять световой поток в пространстве с помощью отражателей.

Недостатки металлогалогенных ламп: высокая стоимость; большая глубина пульсаций светового потока; большое время разгорания (10 минут); невозможность повторного включения горячей лампы; требуют для включения в сеть дополнительных приборов.

Натриевые лампы.

Натриевые лампы представляют собой горелку из светопропускающей поликристаллической керамики (окись алюминия), полость которой заполнена ксеноном с добавками натрия, придающего излучаемому свету желто-оранжевый оттенок, и ртути в виде амальгамы (см. рисунок 13). Горелка размещена в колбе, которая имеет цилиндрическую или эллиптическую форму и оснащена резьбовым цоколем. При работе лампы дуговой разряд в горелке осуществляется в парах ртути и натрия, что способствует его стабилизации. Для откачки воздуха и наполнения ламп инертными газами в процессе изготовления используется штенгель. Во время работы лампы он выполняет роль вакуумно-плотного токоввода и держателя электрода, а его наружная часть служит холодной зоной, которая является резервуаром амальгамы натрия. Штенгель представляет собой бесшовную трубочку из ниобия, конец которой, входящий внутрь лампы, имеет специальную форму для крепления электрода.

1 – керамическая заглушка; 2 – керамическая светопропускающая трубка; 3 – внешняя колба из тугоплавкого стекла; 4 – электрод;

5 – ниобиевый штенгель; 6 – бариевый геттер (газопоглотитель); 7 – цоколь.

Рисунок 13 – Устройство натриевой лампы

Натриевые лампы высокого давления малочувствительны к температуре окружающей среды и работоспособны при ее изменении в диапазоне от -60 до +40 °С. Колебания напряжения электрической сети существенно сказываются на световых и электрических параметрах натриевых ламп. Кроме того, эти лампы требуют соблюдения установленного положения горения: цоколем вверх или вниз с нормированным отклонением от вертикального положения.

 

 

Достоинства натриевых ламп: экономичный источник света; высокая световая отдача (150 лм/Вт); большой срок службы – 28000 часов.

Недостатки натриевых ламп: плохая цветопередача; большое время разгорания (5-7 минут); большая глубина пульсаций светового потока (80%); невозможность повторного включения горячей лампы; требуют для включения в сеть дополнительных приборов.

Применяется для освещения улиц, туннелей, площадей.

 

 

5 Лекция. Светодиоды

 

Содержание лекции:

- общие свойства светодиодов.

Цели лекции:

- ознакомиться с характеристиками светодиодов и областью применения.

 

Светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение.

В светодиодах используется принцип генерации света при прохождении электрического тока через границу полупроводникового и проводящего материалов. При приложении к диоду прямого напряжения электроны из n-области инжектируются в p-область, где происходит их рекомбинация с дырками. При этом выделяется энергия в виде излучения кванта света определенной длины волны.

Светодиод состоит из нескольких слоев различных полупроводниковых материалов, выращенных на общей подложке методами современной микроэлектроники.

Устройство светодиода показано на рисунке 14. Основу светодиода составляет полупроводниковый кристалл 1, расположенный на проводящей подложке 2. К кристаллу и подложке подводиться электрическое напряжение через вводы 3 и 4. Кристалл окружен отражателем 5, направляющим свет в одну сторону. От внешних воздействий кристалл защищен корпусом 6 из поликарбоната. Верхняя часть корпуса делается в виде купола с определенной кривизной и исполняет роль линзы, формирующей световой пучок.

 

Рисунок 14 – Устройство светодиода

 

Для питания светодиодов нужен постоянный ток низкого напряжения, величина которого зависит от цветности излучения: у красных светодиодов это 1,9-2,1 В, у зеленных 2,5-3 В, у синих и белых около 4 В. Номинальный рабочий ток 20 мА. Наибольшая мощность отдельного светодиода составляет 5 Вт. Световая отдача у белых светодиодов до 35 лм/Вт, красных и зеленных светодиодов – до 50  лм/Вт. При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя.

Существуют два основных типа светодиодов: индикаторные и осветительные. Индикаторные светодиоды являются недорогими, маломощными источниками света, пригодными для использования только в качестве световых индикаторов в индикаторных панелях и электронных приборах, для подсветки дисплеев компьютеров или приборных панелей автомобиля. Осветительные светодиоды, представленные светодиодами поверхностного монтажа, высокой яркости и высокой мощности – это надежные мощные устройства, способные обеспечить нужный уровень освещенности и обладающие световым потоком, равным или превосходящим световой поток традиционных источников света. Существуют два способа получения белого цвета с помощью светодиодов. Согласно цветовой модели RGB белый цвет получают при объединении излучений красного (R), зеленого (G) и синего (B) светодиодов. Люминофорные технологии получения белого цвета предполагают использование одного светодиода, например синего, в комбинации с желтым люминофорным покрытием.  Оттенок или цветовая температура белого цвета определяется длиной волны света, испускаемого синим светодиодом, толщиной и составом люминофора.

 

Достоинства светодиодов: большой срок службы (50000 часов); энергосберегающий источник света; высокая надежность; высокая устойчивость к внешним воздействующим факторам (окружающей температуре, влажности, механическим нагрузкам); малые габариты; высокий коэффициент использования светового потока; легкая управляемость; полная экологическая безопасность из-за отсутствия ртути; безопасность обслуживающего персонала; широкая цветовая гамма и разнообразие углов излучения; простота электромонтажа.

Недостатки светодиодов: малая единичная мощность; низкое напряжение питания, требующее включение светодиодов только со специальными приборами (трансформаторами и выпрямителями); довольно высокая цена

 

Применение светодиодов.

В уличном, промышленном, бытовом освещении.

В качестве индикаторов, в виде одиночных светодиодов (например индикатор включения на панели прибора) так и в виде цифрового или буквенно-цифрового табло (например цифры на часах).

Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих строках. Такие массивы часто называют кластерами светодиодов, светодиодными кластерами, или просто кластерами.

Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и светофорах, в светодиодных дорожных знаках.

В подсветке ЖК экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры), в игрушках, USB-устройствах.

 

 

6 Лекция. Осветительные приборы и облучательные установки

 

Содержание лекции:

- светотехнические параметры осветительных приборов и облучательных установок, классификация, назначение.

Цели лекции:

- ознакомиться с осветительными приборами и облучательными установками.

 

Осветительный прибор – это устройство, перераспределяющее световой поток источников света в пространстве требуемым образом. Осветительный прибор состоит из источника света и светотехнической арматуру.

Основное назначение светотехнической арматуры осветительных приборов:

1) перераспределение и концентрация светового потока лампы в необходимых направлениях в пространстве;

2) защита глаз от слепящего действия ламп;

3) защита лампы от воздействия факторов окружающей среды эксплуатации (пыли, влаги, механических повреждений);

4) крепление ламп в ОП и подключение их к источнику питания.

Светотехнические параметры осветительных приборов: светораспределение; защитный угол; коэффициент полезного действия.

Светораспределение описывается с помощью кривых силы света продольной кривой сил света. Кривая сил света – это графическое изображение зависимости силы света прибора от направления распространения света. По характеру светораспределения осветительные приборы делятся на 5 классов (см. рисунок 15): прямое (П), преимущественно прямое (Н), рассеянное (Р), преимущественно отраженное (В) и отраженное (О).

Рисунок 15 – Классы светораспределения

 

Кривая сил света делится на 7 типов: концентрированная (К), глубокая (Г), косинусная (Д), полуширокая (Л), широкая (Ш), синусная (С) и равномерная (М) (см. рисунок 16).

 

 

Рисунок 16 – Типы кривых сил света

Защитный угол g – это угол, в пределах которого глаз защищен от попадания на него прямого света ламп (см. рисунок 17).

 

Рисунок 17 – Защитные углы осветительных приборов

 

Световую эффективность работы осветительного прибора можно характеризовать коэффициентом полезного действия кпд осветительного прибора. Под кпд осветительного прибора принято понимать это отношение светового потока ФОП, выходящего из осветительного прибора к световому потоку источника света ФИС:

 

Для оценки энергетического КПД светильника следует дополнительно учесть эффективность работы комплекса «лампа–ПРА».

Значение кпд осветительного прибора характеризует его экономичность и зависит от материала осветительной арматуры и конструкции осветительного прибора в целом.

 

Классификация светильников.

- по светотехнической функции: осветительные приборы, приборы для световой сигнализации и рекламное освещение

- по условиям эксплуатации: световые приборы для помещений, световые приборы для открытых пространств и световые приборы для экстремальных сред

- по характеру светораспределения: светильники, прожекторы и проекторы

- по форме фотометрического тела: симметричные световые приборы, круглосимметричные световые приборы и не симметричные световые приборы

- по возможности перемещения при эксплуатации: стационарные, переносные и передвижные

- по способу питания лампы: сетевые, с индивидуальным источником питания и комбинированного питания

- по возможности изменения положения оптической системы: подвижные и не подвижные

- по возможности изменения светотехнических характеристик: регулируемые  и нерегулируемые

- по способу установки: настенные, потолочные, напольные, настольные, подвесные, встраиваемые, консольные, ручные.

Классификация светильников по степени защиты.

Светильнику, классифицированному по системе IP, присваивается маркировка, состоящая из букв IP и двух цифр. Первая цифра обозначает уровень защиты от твердых частиц, вторая - от влаги.

Класс защиты светильников от поражения электрическим током и степень защиты от воздействия окружающей среды.

Класс 0 – защита от поражения электрическим током обеспечивается только основной (рабочей) изоляцией.

Класс I – защита от поражения электрическим током обеспечивается как основной изоляцией, так и присоединением доступных для прикосновения токопроводящих частей светильника к защитному (заземленному) проводу стационарной однофазной трехпроводной или трехфазной пятипроводной питающей сети.

Класс II – защита от поражения электрическим током обеспечивается двойной или усиленной изоляцией.

Класс III – защита от поражения электрическим током обеспечивается применением безопасного сверхнизкого напряжения (≤50 В) питания.

 

Облучательные установки.

Устройства, служащие для передачи лучистой энергии определенного спектрального состава и интенсивности от источника излучения объекту облучения, называются облучательными установками. Поглощенная телом энергия излучения частично преобразуется в фотопродукты, вызывая качественные изменения в фотоприемнике. В воде и воздухе бактерицидное ультрафиолетовое излучение снижает содержание бактерий; видимое излучение в зеленом листе растения накапливается в виде углеводов; под действием инфракрасное излучение нагреваются поверхности. Энергия излучения, преобразованная фотоприемником в другие виды энергии, отнесенная к величине площади облучаемой поверхности фотоприемника, называется дозой облучения или экспозицией. Облучательные установки предназначены для генерации и перераспределения оптического излучения в пространстве, по времени и по спектру с целью обеспечения целесообразной реакции незрительных приемников излучения.

Облучательные установки делятся на установки с естественным облучением, с искусственными источниками излучения и смешанного облучения. Искусственные источники излучения бывают: с некогерентным и когерентным излучением.

Классификация.

Все облучательные установки классифицируются по следующим признакам: назначению; типу применяемого источника; взаимному расположению источника и приемника излучения.

По назначению. Оптические излучения охватывают область электромагнитных колебаний от 1,0 нм до 1,0 мм. Эта область делится на три зоны; УФИ, ВИ, охватывающего всю цветовую гамму от фиолетового до красного цвета, и ИКИ. Каждой зоне или ее части соответствуют свои излучательные установки;

УФ-С – l = 100...280 нм (бактерицидное излучение). В этом диапазоне работают установки обеззараживания воды, воздуха, тары и других материалов и поверхностей.

УФ-В – l = 280...315 нм (зона сильного биологического действия). В этом диапазоне работают установки эритемного (витального) облучения, стимуляции и лечения живых организмов.

УФ-А – l = 315...380 нм (эффективная люминесценция). В этом диапазоне работают установки для люминесцентного анализа.

УФ – l =  100...380 нм (зона всего ультрафиолета). В этом диапазоне работают установки ультрафиолетовой обработки семенного материала для повышения посевных качеств и получения мутантов, установки для борьбы с летающими насекомыми.

ФАР – l = 360...720 нм (физиологически активная радиация) . В этом диапазоне работают установки для облучения рассады тепличных культур и взрослых растений.

ВИ – l= 380...760 нм (зона видимого излучения). Эта зона используется для осветительных установок как рабочего, так и технологического характера.

ИКБ – l = 760...10000 нм (ближнее инфракрасное излучение). В этой зоне работают установки нагрева, обогрева, сушки, борьбы с насекомыми и их личинками (инсектицидные) и инфракрасной обработки семенного материала.

Комбинированные установки включают в себя различные зоны оптического излучения. В них используются как одинаковые лампы, например ДРТ, имеющие излучения по всей ультрафиолетовой зоне и в зоне видимого излучения, так и комбинации из различных ламп, например в установках ИКУФ (инфракрасные и ультрафиолетовые).

По взаимному расположению источника и приемника излучения. Стационарные установки отличаются неизменностью взаимного расположения источника и приемника. Установки для обогрева и облучения животных, люминесцентного анализа, обеззараживания, как правило, выполняются стационарными. К таким установкам относятся ОБУ, ББП, ЭО УФ-зоны, все облучатели для растениеводства, инфракрасные и комбинированные облучатели.

Передвижные установки отличаются от стационарных тем, что в течение одного рабочего цикла облучатели занимают два или более положений. Переносные установки также относятся к передвижным. Возможна и замена приемника под облучателем, например в сушильных установках; в камере сушки заменяют обрабатываемые детали.

Подвижные установки отличаются тем, что в них либо облучатель движется непрерывно над приемником излучения (установки УОК, УО-4, У0-4М), либо приемник непрерывно движется под облучательной установкой.

В подвижной установке облученность изменяется во времени достаточно медленно. Такое изменение облученности может быть получено изменением подводимой к источнику мощности (установки переменной облученности).

Импульсные установки. В таких установках энергия от источника к приемнику передается периодически, с определенной частотой, причем паузы в передаче энергии значительно больше времени облучения (импульса).

Конструкция облучателя показана на рисунке 18. Корпус 2, в котором размещается балластное устройство для газоразрядной лампы, снабжен фарфоровым патроном 3 с уплотнением из термостойкой силиконовой резины, узлом подвеса 1 в виде стальной скобы и двумя отрезками шлангового кабеля 4, один из которых оснащен трехштырьковой вилкой, а другой – трехгнездовой розеткой. Вилки и розетки, попарно образующие герметизированные разъемы, позволяют объединять в группу с последовательным питанием и заземлением корпусов до пяти облучателей.

Облучатели подключают к сети с напряжением 220 В. Выпускаются облучатели двух модификаций: ОТ 400И – с индуктивным балластным устройством, ОТ 400Е – с индуктивно-емкостным балластным устройством. Обе модификации имеют коэффициент мощности около 0,5, но в одной ток отстает от напряжения, а в другой – опе­режает его, что позволяет при одновременном использо­вании обеих модификаций получить cos j облучательной установки близким к единице. Масса облучателя ОТ 400И – 5 кг, масса ОТ 400Е – 7 кг.

 

а – общий вид; б – характеристика распрделения пространственной плотности излучения; 1 – узел подвеса; 2 – ПРА источника излучения; 3 – фарфоровый патрон с уплотнителем; 4 – кабель питания облучателя; 5 – лампа ДРЛФ-400.

Рисунок 18 – Тепличный облучатель ОТ-400

7 Лекция. Установки для УФ-облучения в сельскохозяйственном производстве

 

Содержание лекции:

- установки для УФ-облучения, биологическое действие, дозирование.

Цели лекции:

- ознакомиться с установками для УФ-облучения.

 

Биологическое действие УФ излучения.

УФ излучение – один из важных факторов внешней среды, оказывающих большое влияние на жизнедеятельность живых организмов.

Биологическое действие УФ излучения на организм сельскохозяйственных животных проявляется через фо­тохимические реакции в кожных покровах, слизистых оболочках и органах зрения, а также через воздействие озона, окислов азота, аэроионов, возникающих при УФ облучении.

Под действием УФ излучения в коже животных происходит реакция образования из пассивного провитамина активно действующего витамина D, играющего важную роль в регулировании обмена веществ. При недостатке витамина D нарушается минеральный, белковый и углеродно-жировой обмен. Следствием этого являются такие заболевания, как ацидоз, остеомаляция, рахит и др. При этом задерживаются рост и развитие молодняка, учащаются заболевания, снижается продуктивность взрослых животных и птицы.

Под влиянием УФ излучения улучшается усвояемость кормов, увеличивается на 7...12% молочная, мясная, яичная и шерстяная продуктивность, усиливается воспроизводительная функция, приплод появляется на свет более жизнеспособным и устойчивым к заболеваниям.

 

Стационарные установки для УФ облучения животных и птицы.

В стационарных установках используют эритемные облучатели ЭО1-30М, ОЭ1 и ОЭ2 с люминесцентными эритемными лампами ЛЭ 30-1, реже дуговые ртутно-кварцевые лампы ДРТ 400 в арматуре ЛРК-2М, иногда дуговые ртутно-вольфрамовые эритемные лампы ДРВЭД 220-160 в арматуре «Астра-12», УПМ-15 и других светильников пылезащищенного исполнения для ламп мощностью до 200 Вт.

Дозирование УФ излучения при стационарной установке ведется по времени ее работы при известном значении облученности на расчетной поверхности. За расчетную принимается точка с наилучшими условиями облучения, что объясняется необходимостью избежать переоблучения животных.

Совместное действие на объект облучения видимого и УФ излучений вызывает эффект, превосходящий сумму эффектов от их раздельного воздействия. Благотворное действие комбинированного излучения отмечается многими исследователями.

Осуществить комбинированное облучение сельскохозяйственных животных и птицы можно при помощи различных средств облучения.

1. Облучение животных и освещение помещений можно выполнять при помощи отдельных облучательной и осветительной установок. Облучательная установка в этом случае может быть стационарной с эритемными люминесцентными лампами или подвижной с дуговыми ртутно-кварцевыми лампами. Могут применяться и переносные облучатели типа ОРК или ОРКШ с лампами ДРТ 400. Наряду с облучательной установкой в помещении должна быть смонтирована и осветительная установка на базе люминесцентных ламп. Обе установки должны иметь раздельные сети питания и управления, раздельные облучатели и светильники, а также конструкции для их крепления.

2. Облучение животных и освещение помещений можно выполнять при помощи осветительно-облучательной установки на базе двухламповых светильников-облучателей, в которых установлены эритемная и осветительная люминесцентные лампы. Лампы подключают к разным группам электрической сети, и ими можно управлять независимо одной от другой.

3. Осветительно-облучательная установка может быть создана на базе эритемно-осветительных ламп, излучение которых содержит как видимое, так и УФ излучения с длиной волны более 280 нм. Таковы лампы ЛЭО 15, ЛЭО 15П и ДРВЭД 220-160.

Эритемно-осветительные лампы имеют фиксированное соотношение видимого и ультрафиолетового потоков излучения, которое зависит от количественного соотношения соответствующих люминофоров у ламп ЛЭО 15 или от соотношения ширины прозрачной и покрытой люминофором полос на внутренней поверхности колбы ламп ЛЭО 15П.

Фиксированное соотношение излучений ламп ЛЭО однозначно определяет возможность их использования лишь для обеспечения конкретной дозы эритемного облучения при заданной продолжительности светового дня в животноводческом помещении.

Для обеспечения регламентированной дозы эритемного облучения при уменьшении ультрафиолетового потока во время эксплуатации ламп возникает необходимость увеличивать время их ежесуточной работы, что связано с увеличением расхода электроэнергии и удлинением светового дня сверх оптимальной продолжительности. В противном случае, сохраняя неизменной продолжительность светового дня, приходится мириться с уменьшением количества облучения относительно регламентированной дозы, что также отрицательно сказывается на экономической эффективности осветительно-облучательной установки.

Дозирование УФ облучения.

Строгое дозирование излучения – необходимое условие оптимальности режима технологического процесса с использованием энергии оптического излучения.

Действие ультрафиолетового излучения на живые организмы в зависимости от его качества и количества может быть благотворным, угнетающим или губительным. Количество облучения меньше рекомендованной дозы экономически не эффективно, переоблучение животных также наносит ущерб, так как снижает продуктивность.

Продолжительность облучения подлежит расчету на основании конкретных исходных данных: типов источника излучения и облучателя, расстояния от облучателя до объекта облучения, потока излучения источника или результатов измерений облученности на расчетной поверхности.

Подпись: пзПодвижные установки для УФ облучения животных и птицы

Облучательная механизированная установка УО-4 предназначена для УФ облучения сельскохозяйственных животных при их содержании в стойлах или станках. Конструкция установки показана на рисунке 19.

 

1 – несущая проволока; 2 – ведущий трос; 3 – роликовая каретка; 4 – облучатель с лампой ДРТ 400; 5 – шкаф управления; 6 – кабель питания облучателей; 7 – приводная станция.

Рисунок 19 – Облучательная установка УО-4

 

При эксплуатации установки УО-4 следует в зависимости от изменений облученности под облучателем с лампой ДРТ 400, характеризующих изменения потока ее излучения, корректировать высоту подвеса облучателей над животными.

 

 

8 Лекция. Установки для ИК-облучения в сельскохозяйственном производстве

 

Содержание лекции:

- установки для ИК-облучения, биологическое действие, дозирование.

Цели лекции:

- ознакомиться с установками для ИК-облучения.

 

ИК излучение, так же как видимое и УФ, позволяет передавать энергию при отсутствии непосредственного контакта между источником и приемником.

Передача энергии излучением имеет ряд преимуществ перед передачей конвекции или теплопроводностью. Поток ИК излучения имеет направленное распространение и может быть сконцентрирован на приемнике излучения. Применяя различные типы источников и формы отражателей ИК излучения, можно создавать локализованное облучение или обеспечивать требуемую равномерность распределения облученности по облучаемой поверхности.

ИК излучение многими веществами поглощается избирательно, воздухом оно почти не поглощается, коэффициент поглощения ИК излучения водой весьма высок.

Электрические источники ИК излучения обладают высоким коэффициентом полезного действия, малыми инерционностью, металлоемкостью и массой при значительных единичных мощностях, легко поддаются регулированию и управлению при помощи средств автоматизации.

ИК излучение используется в сельскохозяйственном производстве для обогрева молодняка животных и птицы, сушки овощей и фруктов, для предпосевной обработки семенного материала зерновых и овощных культур, дезинсекции и во многих других процессах сельскохозяйственного производства.

 

Биологическое действие ИК излучения.

Требуемый тепловой режим в животноводческих помещениях может быть обеспечен системой общего обогрева или комбинированной системой общего и локального обогрева.

Система обогрева, предназначенная для поддержания необходимых температур во всем животноводческом помещении, требует значительных затрат энергии. Более целесообразна комбинированная система, при которой температура воздуха повышается лишь в ограниченной зоне содержания молодняка животных.

Для обеспечения локального обогрева используют электрообогреваемые поля, электронагревательные коврики, маты, панели и другие нагревательные установки. Широкое распространение в практике сельскохозяйственного производства получил ИК обогрев молодняка.

Поток ИК излучения, достигая тела животного, частично отражается, но остальная его часть поглощается кожей и подкожной тканью, создавая тепловой эффект.

В облучаемых участках кожи количество крови увеличивается в 10...15 раз, через 1...2 мин появляется тепловая эритема.

Поглощение ИК излучения живым организмом – весьма сложный биологический процесс, в котором участвует весь организм животного. Действуя на нервную систему организма через тепловые рецепторы кожи, излучение улучшает функции желез, кроветворных органов и кровоснабжение тканей тела.

Таким образом, ИК излучение в отличие от других средств местного обогрева не только оказывает на животных согревающее действие, но и усиливает биологические процессы в их организме, способствует повышению тонуса и резистентности а, следовательно, улучшению состояния, развития, прироста и сохранности животных.

 

Установки для ИК облучения животных и птицы.

В облучательных установках используют ИК облучатели СОПО1-250, ОРИ-1, ОРИ-2, ОВИ-1, «ЛатвИКО», размещаемые над станками с животными. Облучатели укрепляют при помощи подвесок на трубах или тросах, предназначенных для прокладки проводов электрической сети установки.

Автоматизированные установки ИКУФ-1, ИКУФ-1М, «Луч» предназначены для одновременного ИК обогрева и УФ облучения, молодняка сельскохозяйственных животных и птицы.

В состав одной установки входят 40 облучателей и пульт управления. Каждый облучатель (см. рисунок 20) содержит две ИК лампы ИКЗК 220-250 1 и одну эритемную лампу ЛЭ 15 2 (или эритемно-осветительную ЛЭО 15) с пускорегулирующим устройством 3.

 

1 – ИК лампа; 2 – эритемиая лампа; 3 – кожух ПРА с переключателями; 4 – подвеска; 5 – защитная решетка.

Рисунок 20 – Конструкция облучателя установки ИКУФ-1

 

Эффективность использования инфракрасного излучения в значительной степени зависит от режима ИК облучения.

Для облучения поросят необходимо в свинарниках-маточниках создавать два раздельных температурных режима: один для подсосных маток, другой – для поросят-сосунов.

Поросят в подсосный период следует обогревать в зоне их отдыха при помощи облучателей ОРИ-2, ССПО 1-250. Облучатели установок ИКУФ, «Луч», облучатели ОРИ-1, «ЛатвИКО» используют, как правило, для обогрева двух смежных станков, размещая их над перегородкой. Если в помещении отсутствует система общего обогрева, то облучатели установок ИКУФ, «Луч» размещают по одному на каждое станко-место.

При температуре воздуха в помещении более 16°С ИК лампы облучателей ИКУФ следует переключить на последовательное соединение.

Для обогрева телят наиболее целесообразно применять облучательные установки ИКУФ, «Луч». При содержании телят в клетках один облучатель используют для облучения двух животных в смежных клетках. При групповом содержании телят оборудуют обогреваемую площадку из расчета один облучатель на 4 м2 площади. Режим облучения телят – прерывистый с выключением на 30 мин через каждые 1...1.5 ч работы установки. В первые два-три дня жизни, когда телята много лежат, высота подвеса облучателей может составлять 0,5...0,6 м, потом ее следует увеличить до 1,2 м.

Для обсушивания и обогрева телят в первые часы жизни следует использовать переносной облучатель с лампой ИКЗК 220-250, закрепляемый на ограждении клетки.

Для обогрева молодняка птицы используют ИК лампы только с окрашенной колбой. Одной лампой мощностью 250 Вт можно обогреть 100... 120 цыплят, 60...80 индюшат, гусят или утят первого возраста. Наиболее эффективны автоматизированные установки ИКУФ, «Луч». Облучатели установки ИКУФ или «Луч», попарно укрепленные на прямоугольной несущей раме, могут использоваться вместо брудера БП-1. ИК обогрев птицы применим и при одноярусных клеточных батареях. В этом случае облучатели располагают стационарно на высоте 0,6...0,7 м от пола клетки.

Молодняк птицы обогревают до 20...30-дневного возраста. Режим обогрева, как правило, непрерывный.

При эксплуатации облучательных установок следует строго соблюдать режимы ИК и УФ облучения, указанные в «Рекомендациях по инфракрасному обогреву молодняка сельскохозяйственных животных и птицы».

Недопустимо использовать термометры, термографы и другие приборы для измерения температуры воздуха с целью контроля теплового режима под ИК облучателями. Вследствие специфических особенностей ИК облучения эти приборы не позволяют получить объективные данные о тепловом режиме в зоне облучения.

Регулировать ИК облученность под облучателями можно высотой подвеса облучателей, переключением ИК ламп облучателей ИКУФ-1 с параллельного соединения на последовательное или регуляторами напряжения. Облученность регулируют вручную (ступенчато) или автоматически (плавно, в зависимости от возраста и развития животных или птицы и от температуры воздуха в помещении для их содержания).

Использование видимого и ИК излучений в технологических процессах сельскохозяйственного производства.

Дозированное воздействие ИК излучением на семена сельскохозяйственных культур оказывает благотворное влияние на их посевные качества. Обрабатываемые семена перемещаются по вибрирующему лотку под лампами накаливания, включенными попарно-последовательно на напряжение 380 В. За 40...60 с пребывания зерна в машине оно нагревается до 48…55°С. Обработкой зерна в машине достигают несколько целей: зерно подсушивается, подвергается дезинсекции, проходит предпосевную обработку, повышающую всхожесть, качество растений и урожай. Дезинсекцирующее действие ИК излучения основано на селективном воздействии его на живые организмы в зависимости от содержания в них влаги, обладающей высоким коэффициентом поглощения ИК излучения.

Для дезинсекции мешкотары создан передвижной дезинсектор. Установка состоит из двух плоских вертикальных ИК излучателей, между которыми бесконечной цепью с крюками перемещаются мешки, подвергаемые обработке. В течение 70 с ткань нагревается до 100°С, и находящиеся на ней насекомые гибнут. Мощность установки 12,6 кВт, производительность 600 мешков за час, удельный расход энергии 1 кВт·ч на 5 мешков.

Сортировка плодов и овощей. Большинство зрелых плодов, овощей и ягод отличается от незрелых своей окраской, поврежденные плоды – окраской и формой.

Известны системы фотосортировальных машин, принцип действия которых основан на оценке оптических свойств исследуемого продукта: отражения, пропускания и поглощения им ИК и видимых излучений различных длин волн. Так, машина для сортировки томатов определяет степень их зрелости на основании сопоставления коэффициентов отражения от их поверхности излучений с длинами волн 550, 640 и 660 нм. Машина разделяет томаты на 5 фракций в момент движения их через фотометрическое устройство со скоростью 0,12 м·с-1. По команде электронного устройства толкатели сбрасывают плоды в одну из пяти приемных емкостей.

Пастеризация молока ИК излучением обладает существенными преимуществами перед традиционным способом обработки молока в теплообменных аппаратах. При воздействии ИК излучения за 3...4 с уничтожается 99,8...99,9% бактерий, после чего молоко может храниться при температуре +5°С в течение 8...10 суток.

В качестве источника ИК излучения предлагается использовать кварцевые галогенные лампы накаливания КГ 220-1000-1.

Список литературы 

1. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 2008.

2. Баев В.И. Практикум по электрическому освещению и облучению. – М.: КолосС, 2008.

3. Долгих П.П., Кунгс Я.А., Цугленок К.В. Облучение сельскохозяйственных объектов: Учебное пособие. Красноярск: Краснояр. гос. аграр. ун-т, 2006.  

4. Айзенберг Ю.Б. Основы конструирования световых приборов: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1996.

5. Кнорринг Г.М. Справочная книга для проектирования электрического освещения. – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1992.

6. Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. – М.: Агропромиздат, 1991.

7. Махнева О.П. Электрическое освещение: Учебное пособие. –  Свердловск: Свердлов. инж.-пед. ин-т, 1990.

8. Жилинский Ю.М., Кумин В.Д. Электрическое освещение и облучение. – М.: Колос, 1982.  

 

Сводный план 2011 г., поз. 329