Электрификация сельскохозяйственного производства - Использование оптического излучения

Глава IX. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
§ I. Общие сведения
Известно, что оптическое излучение является необходимым условием для жизни и нормального развития растений и животпых. Оптическое излучение — лишь небольшая часть спектре электромагнитных колебаний, который весьма обширен и занимает диапазон от космических лучей до медленных электрических колебаний.
По современным представлениям, электромагнитные излучения — это поток материальных частиц в виде порций энергии — квантов, называемых в оптическом излучении фотонами. Поскольку энергии в потоке излучения распределена равномерно, излучение рассматривают как непрерывный процесс.
Оптическая область спектра включает в себя световые и граничащие с ней инфракрасные и ультрафиолетовые излучения. В длинноволновой части к оптическому излучению примыкают ультракороткие радиоволны, в коротковолновой — рентгеновские лучи. Для измерения длин волн оптической области спектра в качестве единиц измерения используются нанометр (нм) и м и к р о м е т р (мкм): 1нм=10~3 мкм—10_ 6мм — 10-9 м. Излучения с длиной волны от 380 до 760 нм, воспринимаемые органами зрения как свет, называют видимыми излучениями.
В таблице дана общая характеристика излучения оптической области спектра.
Таблица I
Оптическая область спектра электромагнитных излучений

Свет необходим для жизни растений, для развития живых организмов, для создания нормальных условий труда, и отдыха человека. Солнце является гигантским естественным источником света. В осветительной технике используется видимое излучение, получаемое при помощи искусственных источников света.
Искусственное освещение и ряде случаен становится мощным средством интенсификации некоторых процессов и отраслей сельскохозяйственного производства. Так, на современных птицефермах, птицефабриках и птицеводческих комплексах удлинение светового дня до 13—15 ч (особенно и осенне-зимний период) посредством применения искусственных источников спета—электрических ламп накаливания и люминесцентных ламп позволяет значительно (на 20—25%) увеличить яйценоскость кур. При этом режим освещения изменяется автоматчики, в соответствии с заранее заданной программой.
Невидимые инфракрасные излучения и сельскохозяйственном производстве используются главным образом для нагрева и сушки. Кроме того, они способствуют лучшему развитию сельскохозяйственных животных и снижению их восприимчивости к заболеваниям (особенно молодняка).
Ультрaфиолетовые излучен и я (также невидимые) наряду с ионизирующей способностью обладают сильным химическим и биологическим действием, оказывая существенное влияние на протекание различных процессов в живых организмах и неживых телах. Их применяют для люминесцентного анализа с целью определения качества продукции (излучения области А), для улучшения физиологического состояния сельскохозяйственных животных п птиц и увеличения их продуктивности (излучения области В), для стерилизации воздуха в помещениях, воды, продуктов, посуды и т. п., а также для возбуждения светящихся составов в люминесцентных лампах (излучения области С).
Для характеристики источников света и освещения различных предметов приняты специальные световые (фотометрические) величины и единицы их измерения с учетом физиологических особенностей органов зрения людей (спектральной чувствительности «среднего» человеческого глаза).
Согласно ГОСТ 7932—56 и международной системе единиц (СИ), установлены следующие основные величины: световой поток, сила света, освещенность.
Световой поток определяется как мощность видимого излучения (энергия, излучаемая в единицу времени). Единица измерения светового потока — л ю м е н (лм).
Сила света — это плотность светового потока, распределенного в определенном пространстве (в так называемом телесном угле). Единица измерения силы света — к а н дел а (кд)— световой поток в 1 люмен, равномерно распределенный внутри телесного угла в 1 стерадиан.

Определяется сила света (кд) отношением светового потока F (лм), равномерно распределенного в пространстве, к телесному углу (стер), то есть

Освещенность — это плотность светового потока, приходящегося на единицу освещаемой им поверхности. Единица измерения освещенности — л ю к с (лк): такая освещенность, когда световой поток в 1 люмен равномерно распределен на освещаемой поверхности площадью 1 квадратный метр. Выражается освещенность Е (лк) отношением светового потока  (лм) к площади освещаемой поверхности S (м2), то есть

§ 2. Лампы накаливания

В условиях сельского хозяйства электрические лампы накаливания применяются в качестве источников искусственного освещения в различных производственных и бытовых помещениях, для наружного освещения, на автомобилях тракторах, комбайнах и других машинах.
Всем известна обычная лампа накаливания. Еe колба сделана из прозрачного, матированного или «молочного» стекла и закреплена при помощи специальной мастики в металлическом цоколе. Внутри колбы размещена нить накала — спираль из тугоплавкого металла (обычно вольфрам).
Для того чтобы увеличить срок службы нити накала, воздух из колбы удаляет или заполняют пространство внутри колбы инертным газом (аргон, азот, криптон). Под действием электрического тока нить накала нагревается настолько, что становится источником света.
Лампы накаливания характеризуются рядом показателей, основные из которых приведены ниже.
Номинальное (рабочее) напряжение определяется условиями работы ламп накаливания. Например, лампы общего назначения выпускаются на номинальные напряжения 127 или 220 В, лампы местного освещения — на 12 или 30 В, автомобильные и тракторные лампы — на 6 или 12 В.
Электрическая мощность выпускаемых промышленностью ламп накаливания занимает весьма обширный диапазон: от долей ватта до нескольких киловатт.
Номинальные значения напряжения и электрической мощности указывают на колбе или цоколе лампы.
Световой поток лампы накаливания зависит от мощности, температуры нагрева и состояния тела накала, а также от степени прозрачности колбы. В процессе эксплуатации излучение нити накала уменьшается в результате испарения материала спирали, который оседает на стенке колбы. Все это приводит к ослаблению светового потока.
У ламп накаливания с прозрачной колбой световой ноток в среднем на 3% выше, чем у ламп с матированной колбой, и
на 20% выше, чем у ламп с «молочной» колбой при одинаковой их мощности.
Световая отдача (лм/Вт) является важным показателем экономичности ламп накаливания и выражается отношением светового потока F (лм) к электрической мощности Р (Вт) ламы как источника излучения:
(177)
Световой к. п. д. ламп накаливания определяется по формуле
(178)
и не превышает 3,2%.
Срок службы ламп накаливания, согласно ГОСТ 2239—60, составляет 1000 ч, в том числе при номинальном напряжении продолжительность горения каждой лампы должна быть не менее 700 ч. При отклонении напряжения от поминального основные характеристики ламп накаливания заметно изменяются. Например, в случае уменьшения напряжения
на 10% мощность ламп снижается на 18%, световой поток—
на 30%, световая отдача — на 26%, а срок службы увеличивается на 250%; при увеличении напряжения на 7,5% изменения тех же величин соответственно +15, 30, 20 и —60%.
В таблице 5 приведены основные технические характеристики некоторых типов ламп накаливания.
В обозначении ламп зашифрованы их основные данные. Например марка НВ 127-40 означает: лампа накаливания, вакуумная, номинальное напряжение 12/ В, мощность 40 Вт; НБ 220-75 — накаливания биспиральная (две нити накала), номинальное напряжение 220 В, мощность 75 Вт.

Технические характеристики ламп накаливания

§ 3. Газоразрядные источники света

Рис. 113. Основные части люминесцентной лампы:
1— колба; 2 — слой люминофора; 3 — электрод из вольфрама; 4 — прополочные экраны; 5 — штырьки; 6 — цоколь.

К газоразрядным источникам света, получившим широкое распространение, относят лампы, внутреннее пространство которых заполнено инертным газом с добавлением
небольшого количества ртути. В этих лампах свечение происходит б результате возникновения электрических разрядов в парах ртути. Поэтому такие лампы называют ртутными.
Люминесцентная лампа низкого давления (рис. 113) представляет coбой цилиндрическую стеклянную колбу 1, внутренняя поверхность которой покрыта слоем
люминофора 2. У концов колбы расположены спиральные вольфрамовые электроды 3, покрытые слоем оксида. К электродам приварены проволочные экраны 4. Электроды соединены со штырьками 5 цоколей 6.
Под действием электрического разряда люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение в видимое. От химического состава люминофора зависит спектральный состав излучения люминесцентной лампы.

Рис. 114. Схема включения люминесцентной лампы и пускорегулирующей аппаратуры в сеть: 1-люминесцентная лампа; 2 — стартер; 3, 5 — конденсаторы; 4 — дроссель.

Когда люминесцентную лампу включают в сеть, электрический ток нагревает ее электроды до температуры 800—900 С, затем создается импульс повышенного напряжения, необходимый для электрического пробоя промежутка между электродами, и лампа зажигается.
На рисунке 114 приведена одна из многих возможных схем включения люминесцентных ламп. Характерная особенность таких схем — наличие стартера 2 (лампа тлеющего разряда) и дросселя 4. При помощи стартера создается импульс напряжения, необходимый для зажигания лампы. Дроссель ограничивает ток, проходящий через лампу, предотвращая тем самым перегорание ее электродов. Конденсатор C1 служит для снижения радиопомех, конденсатор С2 — для повышения коэффициента мощности схемы. В совокупности все эти устройства обеспечивают автоматически управляемый, надежный и стабильный режим горения лампы.             
Люминесцентные лампы мощностью 15 и 20 Вт предназначены для включения в сеть напряжением 127 В, а мощностью 30, 40, 80, 125, 150 и 200 Вт  — в сеть  напряжением 220 В.

В сравнении с лампами накаливания люминесцентные лампы обладают рядом преимуществ: при одинаковой мощности их светоотдача в 4—5 раз, а эффективная отдача (фитоотдача)  в 3—4 раза выше и срок службы значительно больше (по ГОСТу не менее 5000 ч).
Основные технические характеристики люминесцентных ламп, применяемых в сельском хозяйстве, приведены в таблице 6.
В зависимости от цветности излучения и назначения люминесцентные лампы отечественного производства имеют соответствующую маркировку. Например, ЛД— лампа дневного света; ЛБ — лампа белого света; ЛХБ — лампа холодно-белого света; ЛДЦ — лампа улучшенной цветопередачи; ЛФ — лампа с высокой фотосинтетической эффективностью.
Обычные осветительные лампы создавались применительно к свойствам человеческого глаза, который наиболее чувствителен к зеленой группе волн и во много раз менее к красным и синим группам. Растения же, наоборот, наиболее чувствительны к красному и синему излучениям и в процессе фотосинтеза менее эффективно используют зеленые излучения. С учетом этих особенностей растений были разработаны и получили широкое распространение в облучающих установках новые люминесцентные лампы низкого давления типа ЛФ-40. У них в результате подбора состава люминесцентного покрытия более высокая, чем у остальных люминесцентных ламп, фотосинтетическая эффективность излучения.
Размеры и электрические характеристики ламп ЛФ- 40 такие же, как у обычных осветительных ламп ЛБ-40 и ЛД-40. Все эти лампы используются с одинаковой арматурой и пускорегулирующей аппаратурой.
Применение ламп ЛФ-40 в установках для облучения рассады вместо осветительных люминесцентных ламп (например, типов ЛБ-40 и ЛД-40) позволяет уменьшить на 30—40% удельную мощность установки, приходящуюся на 1 м2 облучаемой поверхности (при одинаковых сроках выращивания) и повысить качество рассады.
Ртутные лампы высокого давления по конструкции отличаются от люминесцентных ламп низкого давления. В сравнении с люминесцентными лампами низкого давления типов ЛД и ЛБ обладают меньшей светоотдачей, но имеют и ряд существенных преимуществ. Из выпускаемых промышленностью ламп высокого давления в настоящее время получили наиболее широкое применение в сельском хозяйстве лампы общего назначения типа ДРЛ.
Для облучения растений в культивационных сооружениях предназначены новые специальные ртутные лампы высокого давления типа ЛОР-1000 (ДРФ-1000) мощностью 1000 Вт с добавками йодидов металлов (рис. 115). У таких ламп в сравнении с лампами типа ДРЛ фитоотдача больше на 60-80%.
Лампы этих типов имеют ртутно-кварцевую горелку высокого давления, которая расположена в стеклянной колбе, покрытой изнутри люминофором.


Рис.  115. Общий вид ртутной люминесцентной лампы высокого давления типа ЛОР-1000:
1— ртутно-кварцевая горелка; 2 — основные электроды; 3 — вспомогательный электрод; 4 — ножка; 5 — внешняя колба; 6 — внутренний отражатель; 7 — цоколь.
Принцип действия лампы состоит в том, что коротковолновое ультрафиолетовое излучение ртутно-кварцевой горелки преобразуется люминофором в длинноволновое (красное) фотосинтетически активное излучение. Анализ преимуществ ламп ДРЛ в сравнении с лампами накаливания показывает, что их инфракрасное излучение значительно ниже и, следовательно, меньше опасность перегрева (например, растений) при использовании ламп в облучательных установках.
Применяются двухэлектродные (мощностью 250, 500, 750
и 1000 Вт) и в основном четырехэлектродные
(мощностью 80, 125, 250, 400, 700 и 1000 Вт) лампы ДРЛ напряжением 220 В.
Зажигание и стабилизация параметров лампы ДРЛ, подключенной к сети при помощи пускорегулирующей аппаратуры (ПРА), например четырехэлектродиой (рис. 116), происходит в течение 5—7 мин. Такое запаздывание зажигания лампы ДРЛ объясняется тем, что для образования пробоя газового промежутка номинального напряжения сети недостаточно и необходим импульс повышенного до 5 кВ напряжения. Поэтому в четырехэлектродной лампе ДРЛ применены два дополнительных (к двум основным) электрода, включенных через активные сопротивления.

Вначале возникает разряд между каждой парой основных и добавочных электродов, а затем разряд между основными
электродами, в результате чего и происходит зажигание лампы. Пускорегулирующим аппаратом этой лампы служит дроссель 2.