УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ОБОГРЕВА ПРИ НАПОЛЬНОМ СОДЕРЖАНИИ ПТИЦЫ И ЖИВОТНЫХ Российский патент 2001 года по МПК A01K29/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может найти применение в птицеводстве и животноводстве при общем конвективном и локальном обогреве инфракрасными обогревателями.

Изобретение предназначено для организации локального инфракрасного обогрева в птичнике применительно при изменении уровня обогрева в первые 30-40 дней развития птицы и в животноводческих помещениях для обогрева животных.

Известные способы и средства контроля микроклимата исключают возможность регистрировать локальные конвективный и радиационный потоки при использовании газового инфракрасного обогрева (а.с. N 1604296, МКИ7 А 01 К 29/00, БИ N 42, 1991 г., а.с. N 860018, МКИ7 А 01 К 29/00, БИ N 12, 1980 г.).

Эти устройства как, правило, контролируют тепловой режим обогрева птицы интегрально по некоторой "средней" температуре окружающей среды, величина которой определяется взаимным действием как радиационного, так и конвективного потоков и существенно зависит от таких характеристик датчиков, как его форма, степень черноты рабочей поверхности и т.п. Регистрируемая величина температуры окружающей среды в этом случае неадекватно отражает реальный тепловой режим обитания для птицы и животных и не может служить основой создания комфортных условий для цыплят и других инкубируемых птиц, а также молодняка свиней, особенно в начальные 40 дней развития. Именно в этот период организм птицы как биологически еще неокрепший (температура цыпленка в этот период изменяется с 41,5^oC до 39^oC) максимально отрицательно реагирует на незначительные колебания температуры окружающей среды, вызванные как правило изменением локального конвективного или радиационного потока. Изменение этих потоков с целью создания комфортной среды обитания должны регистрироваться на уровне спинки цыпленка или животного. В противном случае даже выше или ниже установленной нормы незначительные изменения этих потоков приводят к гибели молодняка.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее блок задания температуры и радиционно-конвективного теплообмена от ИК-излучателя животного или птицы в различные периоды их развития в случае изменения температуры воздуха в помещении, биокалориметр и блок управления уровня радиционно-конвективного теплообмена в различные периоды роста и развития животного или птицы. Блок термостатирования и моделирования температуры живого объекта содержит нагреватель, соединенный с исполнительным механизмом и выходом блока сравнения, один из входов которого через задатчик конвективного потока соединен с датчиком температуры, а другой вход с блока сравнения соединен через задатчик с первым выходом таймера-программатора, второй выход таймера-программатора через задатчик и через исполнительный механизм соединен с вентилем-регулятором расхода, третий выход таймера-программатора в блоке управления конвективно-радиационным обменом соединен с входом задатчика уровня терморадиации, выходы задатчиков терморадиации и конвекции соединены с входом сумматора, выход которого соединен с блоком сравнения, второй вход блока сравнения соединен в биокалориметре с датчиком теплового потока, а выход блока сравнения связан через исполнительный механизм системы инфракрасного нагрева с электродвигателем привода механизма перемещения ИК-горелки в вертикальном направлении (патент РФ N 2132610, МКИ А 01 К 29/00, 45/00, БИ N 19, 1999 г.).

Недостатками данного устройства контроля обогрева птицы и животных является невозможность раздельного регулирования и поддержания уровня комфортного теплового режима путем изменения радиационного и конвективного потоков теплоты в зоне обитания (на уровне пола) сельскохозяйственных животных и птицы. Поэтому в случае напольного содержания животных или птицы основной технической задачей является дифференциальное (раздельное) измерение и контроль локального и конвективного потоков на уровне спинки обогреваемого объекта при условии, что для, например, птицы ее температура изменяется во времени от 41,5^oC до 39^oC в первые 40 суток.

Другим недостатком прототипа является необходимость термостатирования биокалориметра до температуры птицы или животного проточной водой.

Известные системы обогрева птичников или животноводческих помещений регулируют уровень энергоподвода по усредненной температуре воздуха помещения. При использовании локального газового инфракрасного нагрева такой температурный контроль обладает следующими недостатками:
- в нем отсутствует взаимосвязь между изменяющейся температурой цыпленка (41-39^oC) в первые 40 дней его развития и температурой окружающей среды, что влечет возможный перегрев (переохлаждение) и возможную гибель цыпленка,
- измерение такого параметра, как температура воздуха на уровне спинки цыпленка в условиях локального инфракрасного обогрева, дает завышенные абсолютные значения температуры, т.е. имеет значительную ошибку, а также затрудняет регистрацию действительной температуры воздушного (конвективного) потока на уровне пола.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение контроля теплового режима при напольном содержании птицы и животных путем создания оптимального уровня конвективных и радиационных потоков.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность избежать падения молодняка животных и птицы особенно в первые дни их развития.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что устройство контроля обогрева птицы и животных снабжено биокалориметром, выполненным в виде теплового моста из высокопроводного материала. Тепловой мост имеет грибковую форму, включающую в себя крышку, укрепленную на сборном цилиндре в верхней части с плоским основанием и нижней частью в виде конуса, введенного и забетонированного в землю. Весь тепловой мост, кроме открытых поверхностей датчиков теплового потока, теплоизолирован, причем теплоизолированный боковой цилиндр отделен установленным на уровне торцевой части крышки фигурным цилиндром с прямоугольными отверстиями с возможностью свободного протока напольного воздуха через них к нижней поверхности крышки.

На поверхность теплового моста выведены три датчика теплового потока: первый датчик-радиометр установлен в центре на верхней поверхности крышки, второй и третий датчики установлены диаметрально друг относительно друга в нижней части крышки и размещены на уровне спинки цыпленка или животного, кроме того, соосно с первым датчиком в верхней части теплового моста установлен четвертый датчик теплового потока. Над вторым, третьим и четвертым датчиками теплового потока через разделительную металлическую стенку установлен первый плоский многосекционный нагреватель, включающий секции малой и большой мощности, при этом секции малой мощности расположены над поверхностью второго, третьего и четвертого датчика теплового потока, а секции большой мощности около их торцевых частей. Под четвертым датчиком теплового потока через разделительную стенку установлен соосно второй двухсекционный нагреватель, состоящий из секции малой и большой мощности; при этом секция малой мощности расположена соосно под нижней поверхностью четвертого датчика теплового потока, а секция большой мощности расположена около торцевой поверхности датчика теплового потока.

В центре разделительной стенки под первым датчиком теплового потока установлена первая термопара. В центре разделительной стенки под четвертым датчиком теплового потока установлена вторая термопара, а третья термопара установлена в центре разделительной стенки, под вторым двухсекционным нагревателем. При этом первый и четвертый датчики теплового потока включены электрически встречно, а выходной электрический сигнал с них поступает в блок регулирования инфракрасным тепловым потоком. Второй и третий датчики теплового потока соединены с блоком определения коэффициента теплоотдачи, выход которого соединен с блоком регулирования нагревателем калорифера, первая и третья термопары включены дифференциально и соединены с первым многосекционным нагревателем, при этом вторая термопара через блок температуры соединена с вторым двухсекционным нагревателем.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3 и 4.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства контроля локального обогрева при напольном содержании птицы и животных.

На фиг. 2 показан блок регулирования и поддержания температуры в биокалориметре.

На фиг. 3 - блок контроля и регулирования инфракрасным тепловым потоком.

На фиг. 4 - схема контроля и регулирования конвективным тепловым потоком.

Устройство контроля локального обогрева при напольном содержании птицы и животных содержит биокалориметр 1, блок регулирования и поддержания заданной температуры 2, биокалориметр 1 соединен с блоком контроля и регулирования инфракрасным тепловым потоком 3 и управляет через блок 4 подъемом и опусканием инфракрасной горелки 5. Одновременно биокалориметр 1 связан с блоком контроля и регулирования конвективным тепловым потоком 6. Блок 6 соединен с калорифером подогрева воздуха в помещении 7.

Биокалориметр 1 (фиг. 1) состоит из следующих элементов: теплового моста 8, выполненного в виде грибкового фигурного цилиндра, и установленных в него датчиков теплового потока 9, 10, 11 и 12.

Тепловой мост 8 выполнен из высокотеплопроводного материала, например меди, температура которого поддерживается равной температуре цыпленка или животного в зависимости от времени его развития и роста. Грибковая форма теплового моста 8 позволяет одновременно контролировать как радиационный тепловой поток от инфракрасной горелки 5, так и уровень конвективного теплового потока у пола 13 животноводческого помещения на уровне спинки цыпленка или другого животного. Высокая теплопроводность материала теплового моста 8 обеспечивает в процессе контроля практически безынерционное установление в нем необходимого температурного поля.

Нижняя часть 14 теплового моста 8 жестко закреплена в грунте так, чтобы торец верхней грибковой части с датчиком 9 располагался с возможностью его перемещения с помощью резьбового соединения относительно поверхности пола 13 до высоты, соответствующей среднему росту птицы или животных в первые 40 дней их развития и роста.

В верхней части теплового моста 8 последовательно от торцевой плоскости располагаются: обращенный вверх датчик-радиометр 9 для контроля радиационного теплового потока, под ним вдоль всей грибковой части расположен многосекционный электрический нагреватель 15, состоящий из секций большой мощности 16 и секций малой мощности 17.

Многосекционный электрический нагреватель 15 выполнен в виде четырех частей - в форме трех концентрических колец и центрального диска. Дисковая и кольцевая часть нагревателя 17 малой мощности установлена между датчиками теплового потока 9, 11 над датчиками 10, 12. Датчик теплового потока 11 является компенсационным относительно датчика теплового потока 9.

По торцам грибковой части устанавливаются обращенные вниз (в сторону пола) два диаметрально расположенных датчика 10 и 12, контролирующих около пола 13 конвективный поток. Под компенсационным датчиком теплового потока 11 соосно с ним расположен двухсекционный электрический нагреватель 18.

Двухсекционный нагреватель 18 выполнен в виде концентрического кольцевого нагревателя большой электрической мощности 19 и дискового нагревателя малой мощности 20.

Нагреватель 16 большой электрической мощности поддерживает необходимую температуру в области датчика, соответствующую температуре цыпленка в заданный момент времени в процессе его роста, а нагреватель 17 малой электрической мощности поддерживает указанную температуру с заданной точностью.

Датчики 10 и 12 соединены по отдельной автономной схеме, согласно алгоритма, позволяющего контролировать коэффициент теплоотдачи около пола 13.

Значения радиационного потока, регистрируемого датчиком контроля радиационного теплового потока 9, и коэффициента теплоотдачи, регистрируемого двумя датчиками 10 и 12 контроля около пола 13 конвективного потока, сравнивают в блоках 3 и 6 с заданным значением этих величин по времени в процессе поддержания оптимального уровня теплообмена около биокалориметра 1.

Тепловой мост 8 в верхней части закрывается фигурной крышкой 21, а в нижней - цилиндром 22, выполненными из теплоизолирующего материала с низким коэффициентом теплопроводности. В нижней части стакан 21 до уровня пола 13 имеет ряд равномерно расположенных по окружности прямоугольных отверстий 23 для сквозного прохода напольного воздуха у поверхностей датчиков 10, 12, контролирующих конвективный поток тепла около биокалориметра 1. Сверху тепловой мост 8 закрывается металлической сеткой 24, имеющей над датчиком 9 центральное отверстие в виде окружности, равное не менее двух диаметров датчика 9 контроля радиационного потока. Ячейки в металлической сетке 24 выбираются не менее 1/20 мм, что служит преградой, например, для прохождения цыплят в подгрибковую часть теплового моста 8, а также одновременно не препятствует протоку воздуха к датчикам 10 и 12. По оси теплового моста 8 под датчиком теплового потока 9, компенсационным датчиком 11 и нагревателем 18 расположены термопары 25, 26, 27.

Датчик теплового потока - радиометр 9 включен с компенсационным датчиком 11 электрически встречно (фиг. 2). Электрический сигнал от датчиков 9 и 11 в блоке 3 контроля и регулирования радиационным потоком вводится в блок 28. Зависимость оптимального значения, соответствующая радиационному тепловому потоку в заданное время роста животного или птицы, вводится в задатчик 29, где сравнивается с ним в нуль органе 30. В системе контроля инфракрасным потоком отклонение сигнала между регистрируемым датчиками 9 и величиной сигнала задатчика 29 подается в усилитель - исполнительный механизм 31 и в блок 4, перемещающий по высоте газовую инфракрасную горелку 5, под которой стоит биокалориметр 1.

По своим функциональным возможностям и в представленном конструктивном исполнении биокалориметр 1 (фиг. 1) моделирует реальные условия оптимального теплообмена между телом цыпленка или животного при условии воздействия радиационных и конвективных тепловых потоков в условиях их напольного содержания.

На фиг. 3 представлен блок регулирования и поддержания заданной температуры в биокалориметре 1 (фиг. 1), соответствующей температуре цыпленка Т_ц от времени в первые 40 дней. Термопара 26 (фиг. 3) поддерживает температуру Т равной температуре тела цыпленка Т_ц нагревателем H₁ - 16, 19, расположенным как под датчиком -радиометром 9 и компенсационным датчиком 11, так и над датчиками контроля коэффициента теплоотдачи 10, 12. При отклонении сигнала термопары 26 (фиг. 3) от заданного значения по задатчику 32 через нуль орган 33 исполнительным механизмом на нагревателе H₁ - 16, 19 изменяется напряжение. Термопары 25 - T₁ и 27 - Т₃ включены дифференциально и задают с высокой точностью минимальную разность температур области рабочих поверхностей всех датчиков - 9, 10, 11, 12 (фиг. 1).

В случае отклонения сигнала, пропорционального данной разности температур, от заданного значения в задатчике 35, через нуль-орган 36 искомая величина разности сигналов усиливается в исполнительном механизме 37, преобразуется и изменяет напряжение на маломощном нагревателе H₂ - 17, 20. Установка в биокалориметре 1 (фиг. 1) двух типов нагревателей, мощного H₁ - 16, 19 и маломощного H₂ - 17, 20 (соотношение мощностей 1:20), позволяет поддерживать температуру в тепловом мосте 8 практически с минимальными пульсациями (отклонениями) от температуры тела цыпленка и избежать дополнительных наводок в процессе измерений тепловых потоков.

Контроль коэффициента теплоотдачи α, определяющего локальный перенос тепла конвекцией на уровне спинки цыпленка или животного, контролируется одновременно с радиационным потоком по датчикам 10, 12 (фиг. 1) в соответствии с алгоритмом
α = (K₁U₁ - K₂U₂)/(R₁K₁U₁ - R₂K₂U₂),
где K₁, K₂ - градуировочные коэффициенты датчиков теплового потока, контролирующие околопольный конвективный поток 10, 12.

R₁,R₂ - термические сопротивления датчиков 10, 12.

U₁,U₂ - электрические сигналы датчиков 10, 12.

Блок-схема, реализующая данный алгоритм, представлена на фиг. 4. Электрические сигналы с датчиков 10, 12 контроля конвективного потока одновременно поступают в сумматоры 38, 40, 41, 42. С сумматоров 38 и 40 поступают в дифференциатор 43, а из сумматоров 41 и 42 в дифференциатор 44. Из дифференциаторов 43 и 44 электрический сигнал поступает в делитель 45, откуда в регистратор 46 величины коэффициента теплоотдачи α и нуль-орган 47, где он сравнивается с величиной коэффициента теплоотдачи в задатчике 48 (фиг. 4), полученной методом математического моделирования, расчетным и экспериментальным путем.

Разница сигналов задатчика 48 и регистратора 46 поступает из нуль-органа 47 в усилитель - исполнительный механизм 49, который включает (выключает) нагреватель 7 калорифера перед вентилятором общей вентиляционной системы птичника или животноводческого помещения.

По датчику температуры 50 на регистраторе 51 определяется температура воздуха на уровне пола 13 птичника.

Устройство контроля локального обогрева при напольном содержании птицы и животных работает следующим образом.

Биокалориметр 1 устанавливается под инфракрасной горелкой 5, например газовой (фиг. 1), так, чтобы их геометрические центры (O и O') совпадали. Включается электрокалорифер 7 общей вентиляционной системы. Контролируется по датчику 50 начальная температура воздуха (не ниже 33-35^oC). Проводится прогрев птичника до указанной температуры. Одновременно в задатчик 32 (фиг. 3) термометрического блока 2 вводится программа изменения температуры, например, цыпленка, начиная с первых 40 суток, т.е. Т_ц = f( τ ).

В задатчик 35 (фиг. 3) вводится допустимое изменение температуры в биокалориметре 1 (не хуже ± 0,01), (фиг. 1), определяемое стабильными (без пульсаций) показаниями датчиков теплового потока 9, 11 при изменении температуры биокалориметра 1, т.е. Т_ц = f ( τ ) от времени в соответствии с изменением температуры цыпленка во времени в процессе его роста и развития по задатчику 29 (фиг. 2). Включаются электронагреватели (H₁) - 15 и (H₂) - 18 (фиг. 1) биокалориметра 1 (фиг. 3).

В задатчик 48 (фиг. 4) системы контроля коэффициента теплоотдачи вводится соотношение в виде α = 1,17 Δt - 2,55; Δt = t_ц - t_в, где t_ц = f( τ ) - например, температура цыпленка, ^oC, изменяется во времени в процессе роста цыпленка; t_в - температура окружающего воздуха, ^oC. По оценкам Δt ≈ 2 - 22^oC. Разница сигналов задатчика 48 и регистратора 46 (фиг. 4) поступает в исполнительный механизм 49, который включает (выключает) нагреватель 7 калорифера общей вентиляционной системы птичника.

В условиях установившегося режима работы устройства при допустимых температуре окружающего воздуха с учетом конвективных потоков около пола и радиации от радиационного инфракрасного излучателя в птичник, оснащенный газовыми горелками, вводятся цыплята. Конвективный и радиационный обогрев цыплят осуществляется согласно изменяющейся температуре устройства, соответствующей температуре цыпленка.

Аналогично организуется работа устройства при напольном содержании животных.

Предлагаемое устройство контроля локального обогрева при напольном содержании птицы и животных позволяет создать энергооптимальный комфортный режим обогрева при напольном содержании птицы при использовании газового инфракрасного обогрева.

Устройство может быть использовано в птицеводстве и животноводстве при общем конвективном и локальном обогреве инфракрасными обогревателями. Устройство включает биокалориметр, выполненный в виде теплового моста из высокотеплопроводного материала. На поверхность теплового моста выведены три датчика теплового потока: первый датчик-радиометр установлен в центре на верхней поверхности крышки, второй и третий датчики установлены диаметрально относительно друг друга в нижней части крышки и размещены на уровне спинки цыпленка или животного, кроме того, соосно с первым датчиком в верхней части теплового моста установлен четвертый датчик теплового потока. Над вторым, третьим и четвертым датчиками теплового потока через разделительную металлическую стенку установлен первый плоский многосекционный нагреватель, включающий секции малой и большой мощности. Секции малой мощности расположены над поверхностью второго, третьего и четвертого датчиков теплового потока, а секции большой мощности около их торцевых частей. Устройство обеспечивает повышение контроля теплового режима при напольном содержании птицы и животных и сохраняет молодняк в первые дни его развития. 4 ил.

Устройство контроля локального обогрева при напольном содержании птицы и животных, содержащее систему инфракрасного нагрева, биокалориметр, датчики теплового потока, отличающееся тем, что биокалориметр выполнен в виде теплового моста грибковой формы из высокотеплопроводного материала, включающего в себя крышку, укрепленную на сборном цилиндре с плоским основанием в верхней части и конусом в нижней части, введенным и забетонированным в землю, причем весь биокалориметр, кроме открытых поверхностей датчиков теплового потока, установленных в нем, теплоизолирован, а теплоизолированный боковой цилиндр отделен установленным на уровне торцевой части крышки фигурным цилиндром с прямоугольными отверстиями для свободного протока напольного воздуха через них к нижней поверхности крышки, на поверхности биокалориметра установлены три датчика теплового потока, первый из которых - радиометр установлен в центре на верхней поверхности крышки, а второй и третий установлены диаметрально относительно друг друга в нижней части крышки и размещены на уровне спинки птицы или животного, кроме того, соосно с первым датчиком в верхней части теплового моста установлен четвертый датчик теплового потока, а над вторым, третьим и четвертым датчиками теплового потока через разделительную металлическую стенку установлен первый плоский многосекционный нагреватель, включающий секции малой и большой мощности, при этом
секции малой мощности расположены над поверхностью второго, третьего и четвертого датчиков теплового потока, а секции нагревателя большой мощности установлены около их торцевых частей, а под четвертым датчиком теплового потока через вторую разделительную стенку установлен соосно второй двухсекционный нагреватель, состоящий из секции малой и большой мощности, причем секция нагревателя малой мощности расположена соосно под нижней поверхностью четвертого датчика теплового потока, а секция нагревателя большой мощности расположена около торцевой поверхности датчика теплового потока, в центре разделительной стенки под первым датчиком теплового потока установлена первая термопара, в центре разделительной стенки под четвертым датчиком теплового потока установлена вторая термопара, а третья термопара установлена в центре разделительной стенки под вторым двухсекционным нагревателем, при этом первый и четвертый датчики теплового потока включены электрически встречно, а выходной электрический сигнал с них поступает в блок регулирования инфракрасным тепловым потоком, второй и третий датчики теплового потока соединены с блоком определения коэффициента теплоотдачи, выход которого соединен с блоком регулирования нагревателем калорифера, а первая и третья термопары включены дифференциально и соединены с блоком температуры, выход которого соединен с первым многосекционным нагревателем, при этом вторая термопара через блок температуры соединена с вторым двухсекционным нагревателем.