НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Червінський Леонід Степанович

УДК 636.083.39:621.3

ОПТИЧНІ ЕЛЕКТРОТЕХНОЛОГІЇ В ТВАРИННИЦТВІ

05.09.16 - застосування електротехнологій в сільськогосподарському виробництві

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

КИЇВ 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аграрному університеті Кабінету Міністрів України

Науковий консультант: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, академік УААН, професор Мартиненко Іван Іванович, Національний аграрний університет, професор кафедри автоматизації сільськогосподарського виробництва

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Карпов Валерій Миколайович, Санкт-Петербурзький державний аграрний університет, завідувач кафедри енергозабезпечення виробництв в АПК

доктор технічних наук, професор Черенков Олександр Данилович, Харківський державний технічний університет сільського господарства, завідувач кафедри електропостачання сільського господарства

доктор технічних наук, доцент Щур Ігор Зенонович, Національний університет "Львівська політехніка", професор кафедри електроприводу і автоматизації промислових установок

Провідна установа: Національний науковий центр "Інститут механізації та електрифікації сільського господарства" УААН, відділ електрифікації сільського господарства, смт. Глеваха Васильківського району, Київської області

Захист відбудеться "26" червня 2002 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.004.07 в Національному аграрному університеті за адресою: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 15, ауд. 65.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аграрного університету за адресою: 03041, Київ-41, вул. Героїв оборони, 11, читальний зал.

Автореферат розісланий "23" травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лут М.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток технічного прогресу в сучасному суспільстві вимагає поглибленої уваги до екологічних і продовольчих проблем, які неможливо вирішувати без застосування високоефективних та екологічно чистих технологій, побудованих на чіткій уяві про взаємодію живих організмів з навколишнім середовищем. До таких технологій належать оптичні електротехнології (ОЕТ), в яких оптичне випромінювання використовується як специфічний енергетичний фактор, характерний своїми особливими законами генерації, передавання та сприймання тваринним організмом. Ця специфіка обумовлює значні втрати енергії оптичного випромінювання на всіх етапах його утворення та сприймання. Так, генерація оптичного випромінювання у різних джерел складає від 10% до 70% споживаної електроенергії, втрати у процесі передачі випромінювання від джерела до тварини становлять до 40%.

Ефективним засобом взаємодії тваринних організмів з навколишнім середовищем є їх зовнішня оболонка - шкіряно-шерстинний покрив у тварин, шкіряно-пір?яний покрив у птиці. Цей покрив захищає організм в процесі життєдіяльності від механічного пошкодження; підтримує волого- та теплообмін організму із навколишнім середовищем; регулює винесення назовні та розподіл продуктів внутрішніх біологічних процесів, енергетичне та сенсорне сприйняття навколишнього середовища, зокрема енергії оптичного випромінювання. Визначення напрямків дії оптичного випромінювання на тваринні організми, пізнання шляхів його проникання до активних біологічних структур та механізму перетворення променистої енергії дозволить суттєво підвищити якість і кількість продукції тваринництва і птахівництва.

Таким чином, підвищення ефективності застосування оптичного випромінювання в тваринництві вимагає вирішення наукової проблеми: дослідження шляхів та закономірностей взаємодії енергії оптичного випромінювання з тваринним організмом з метою розробки методів регулювання її впливу, об'єднання і удосконалення на системних позиціях всіх етапів енергоперетворень у технологічних процесах опромінення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження виконувались в Національному аграрному університеті у відповідності до Державної науково-технічної програми ДНТП 12 "Енерго- та ресурсозберігаючі технології у сільськогосподарському виробництві" та планів НДР Національного аграрного університету: "Розробка нових технічних засобів по ефективному використанню оптичного випромінювання в тваринництві і птахівництві з метою підвищення продуктивності" від 2.02.1987р. №448(40/39); "Підвищення ефективності застосування оптичного випромінювання в тваринництві і птахівництві" від 01.01.2000р. №ДР 0100U002903.

Мета і задачі дослідження. Розробити науково-технічні передумови енергозберігаючого використання оптичного випромінювання в тваринництві і птахівництві, теоретично обгрунтувати режими опромінення з урахуванням оптичних характеристик шкіряно-шерстинного покриву та критерію біологічної дії променистої енергії різних ділянок спектра, що забезпечить підвищення ефективності дії випромінювання на тварин, зростання їх продуктивності, а також сприятиме енергозбереженню.

Досягнення мети базується на положеннях механізму передачі енергії оптичного випромінювання неоднорідному середовищу із прошарків шкіряно-шерстинного покриву, які відображають інтегральні характеристики і динаміку процесів перетворення поглинутої енергії в організмі, і вирішується шляхом теоретично-експериментальних досліджень, що грунтуються на закономірностях оптичних характеристик покриву тварин і птиці та ресурсоощадних можливостях оптико-електротехнологічного процесу утримування тварин.

Задачі дослідження. Визначити шляхи проникання та механізм впливу енергії оптичного випромінювання та побудувати системну математичну модель технологічного процесу опромінення:

- дослідити спектральні характеристики проникання енергії оптичного випромінювання крізь шкіряно-шерстинний покрив з урахуванням неоднорідності його фізико-хімічних структур;

- розробити методику та устаткування для дослідження світлопровідності мікро- (окрема шерстина) та макро- (ділянка шкіри із шерстю) ділянок покриву тварини;

- дослідити і систематизувати оптичні характеристики (пропускання, поглинання, відбивання, люмінесценцію) шкіряно-шерстинного покриву тварин і шкіряно-пір'яного покриву птиці з урахуванням їх вікових та породних особливостей;

- розробити математичні моделі для визначення розподілу енергії оптичного випромінювання в поглинаючих структурах організму.

Розробити методологію дозування оптичного опромінення тварин з урахуванням оптичних характеристик їх покриву і критерію біологічної дії променистої енергії:

- визначити критерії біологічної дії енергії оптичного випромінювання різних ділянок спектру;

- розробити оптимізуючу математичну модель взаємодії оптичного випромінювання із організмом тварини;

- розробити метод дозування енергетичної дії оптичного випромінювання на організм з урахуванням ефективності його поглинання покривом тварини.

Обгрунтувати метод управління фотобіологічними процесами з урахуванням результатів теоретичного дослідження явища фотореактивації.

Розробити метод багатофакторної оптимізації технологічного процесу одержання продукції тваринництва з урахуванням оптичних електротехнологій.

Об'єкт дослідження. Фотофізичні і фотобіологічні процеси передачі та перетворення енергії оптичного випромінювання в біотехнічній системі "джерело оптичного випромінювання - тваринний організм".

Предмет дослідження. Шляхи дії та спектральні і енергетичні залежності впливу променистої енергії на організм тварини.

Методи дослідження. При виконанні дослідження використовувалися сучасні методи фотометрії та світлотехніки, біофізики і фотобіології, термодинаміки неврівноважених систем. Для встановлення статичних і динамічних енергетичних закономірностей дії оптичного випромінювання на тваринний організм та шляхів його проникання використовувались відомі і розроблені автором детерміновані та імовірнісні математичні і фізичні моделі. Експериментальні дослідження в лабораторних умовах проводились на спеціально розробленій установці на основі спектрофотометра "СФ-4А" і універсального люмінесцентного мікроскопу "Люмам -3И" з використанням різних джерел оптичного випромінювання.

Дослідження проводились за методами теорії планування багатофакторного експерименту. Обробка експериментальних даних, отриманих в результаті дослідів у лабораторних і виробничих умовах, здійснювалась за допомогою ПЕОМ в математичному програмному середовищі "MathCad 2001 Professional" та "Curve Expert 1.3".

Наукова новизна одержаних результатів. На основі представлених досліджень:

- теоретично обгрунтовано і експериментально доведено, що шерстинний покрив і шкіра є основними шляхами проникання променистої енергії до біологічно активних структур організму, при чому, характер світлопровідності залежить від виду, породи та віку тварини;

- експериментально встановлена і теоретично підтверджена відмінність механізмів перетворення поглинутої енергії у тварин світлої і темної мастей;

- установлені закономірності розподілу променистої енергії у глибину структур шкіряно-шерстинного покриву та її поширення всередині окремих шерстин;

- одержана математична модель визначення ефективності перетворення поглинутої енергії у продукт фотобіологічної реакції в організмі тварини;

- вперше розроблено метод дозування енергії оптичного випромінювання за критерієм біологічної дії з урахуванням породних і вікових змін та пропускної здатності шкіряно-шерстинного покриву;

- визначено ефективні дози УФ опромінення тварин і птиці за спектром D-вітаміностворюючої дії, які уточнюють існуючі норми;

- розроблена методика селекційного відбору тварин за флуоресцентними характеристиками їх шерстинного покриву;

- запропоновано методичний підхід до керування фотобіологічними процесами в організмі тварини на основі розвитку теорії фотореактивації та динаміки двоступеневого процесу поглинання енергії оптичного випромінювання;

- обгрунтовано метод багатофакторної оптимізації технологічного процесу одержання продукції тваринництва на базі диференціальних перетворень Пухова, який дозволяє знизити енерго- і ресурсовитрати.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлення участі шерстинного і пір'яного покриву в каналізації енергії оптичного випромінювання до біологічно активних підшкіряних структур має наукове значення як факт, що змінює знання про його лише захисну функцію для організму від впливу зовнішнього середовища і підтверджує активну участь у взаємодії із зовнішнім середовищем.

Математичні моделі та результати досліджень проникання оптичного випромінювання по окремих шерстинах і крізь шкіряно-шерстинний покрив в тіло тварини дають практичну можливість визначити головні шляхи дії енергії оптичного випромінювання на організм у залежності від віку і масті тварини, оцінити ефективність перетворення поглинутої енергії. Тому використовуються у наукових дослідженнях біологічного напрямку при вивченні шляхів та механізму дії електромагнітного випромінювання на тваринний організм з метою селекції високопродуктивних тварин і птиці.

На основі результатів досліджень розроблені "Методичні рекомендації по економії електроенергії в сільськогосподарських освітлювальних і опромінювальних установках" і рекомендовані до впровадження у господарствах України рішенням секції механізації і електрифікації Науково-технічної ради Держагропрому України від 25.12.1989 року.

Результати теоретичних і практичних розробок використовуються з 1999 року в конструкторському відділі НДІ лазерної біології та лазерної медицини ХНУ при розробці лазерних приладів для сільськогосподарського виробництва; з 2001 року - у ТОВ "ЕЛЕТОН" при розробці пультів керування освітлювальними установками в тваринницьких і птахівничих приміщеннях та установок УФ- опромінення тварин і птиці; увійшли до книги Червінського Л.С., Шевеля С.С. "Експлуатація освітлювальних та опромінювальних установок у сільському господарстві" - Київ: Урожай. 1990.- 104 с"; з 2000 року використовуються в навчальному процесі при викладанні курсу "Електричне освітлення і опромінення" на факультеті "Електрифікації і автоматизації сільського господарства" Національного аграрного університету і Харківського державного технічного університету сільського господарства, а також Ніжинському та Бережанському агротехнічних інститутах, Стрийському державному аграрному коледжі.

Виробнича перевірка розробленого методу та технічних засобів дозування УФ опромінення тварин в свинарнику-відгодівельнику колгоспу ім. Леніна, с. Митниця Васильківського району Київської області (з 1988 р.); телятнику і свинарнику-маточнику ПСП "Слобода", м. Тетіїв Тетіївського району Київської області (з 2001 р.) та корівнику ПОП "Пристроми", с. Пристроми Переяслав-Хмельницького району Київської області (з 2001 р.) підтвердила підвищення ефективності застосування УФ опромінення тварин на 4...11 % порівняно із "Рекомендаціями по застосуванню ультрафіолетового випромінювання в тваринництві птахівництві" (1979 р.).

Особистий внесок здобувача. Автору належать:

- розробка та обґрунтування математичних моделей провідності енергії оптичного випромінювання крізь мікро- (окрема шерстина) та макро- (ділянка поверхні шкіри із шерстю) структури покриву тварини;

- результати експериментальних досліджень оптичних характеристик шкіряно-шерстинного покриву сільськогосподарських тварин різного віку, масті і порід;

- обґрунтування і визначення критерію оцінки дії променистої енергії на організм тварин з урахуванням оптичних характеристик їх покриву та розробка відповідної математичної моделі;

- розробка методу дозування ультрафіолетового опромінення тварин і птиці за спектром D-вітаміностворюючій дії та одержані величини доз для сільськогосподарських тварин і птиці різного виду, віку і порід.

Участь в опублікованих у співавторстві роботах складає 35%...70%.

Аналіз та узагальнення результатів досліджень виконано із науковим консультантом д.т.н., академіком УААН Мартиненко І.І. Дослідження біологічного напрямку консультував к.вет.н. Січкар В.С., доцент кафедри терапії та клінічної діагностики ветеринарного факультету НАУ.

Апробація результатів досліджень:

Матеріали досліджень представлені , обговорені і схвалені:

На щорічних науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Української сільськогосподарської академії (зараз-Національного аграрного університету) (1985 - 2001 р.р.) і Харківського державного технічного університету сільського господарства (1999 - 2001); на міжнародній конференції "PITTCON'95", Bellingham, March 1-5, 1995, USA; на міжнародній конференції "BIOS Europe'95", на міжнародній конференції "PITTCON'98", March 1-5, 1998, New Orleans, Louisiana, USA; на міжнародній науково-практичній конференції в НАУ "Новітні технології в АПК у новому тисячолітті", 1-4 березня 2000 р.; на міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України" , ХДТУСГ, 3-4 жовтня 2000 р., Харків; на XУ міжнародній науково-практичній конференції "Применение лазеров в медицине и биологии", ХНУ, 24-26 квітня 2001 р, Харків.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 1 монографії, 4 статтях у наукових журналах, 16 статтях в збірниках наукових праць, 9 матеріалах та 3 тезах міжнародних конференцій. Із них 20 публікацій підготовлено самостійно. Одержано авторське свідоцтво на винахід та видано 1 нормативний документ і 1 методичні рекомендації для сільського господарства України.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, шести розділів, висновків, списку літератури і додатків. Основний зміст дисертації викладено на 256 сторінках машинописного тексту, 48 рисунках і 28 таблицях. Список літератури містить 296 найменувань використаних літературних джерел .

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована наукова проблема, задачі і мета досліджень. Визначені наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, викладені основні положення, що виносяться на захист.

У першому розділі "АНАЛІЗ ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ З ПРОБЛЕМИ ЗАСТОСУВАННЯ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ В ТВАРИННИЦТВІ І ПТАХІВНИЦТВІ" вивчені питання проблеми підвищення ефективності оптичних електротехнологій в тваринництві і птахівництві. Показано, що розвиток сучасних технологій впровадження оптичного випромінювання в галузях сільського господарства неможливий без глибокого пізнання законів його сприймання опромінюваними об'єктами і розробки на їх основі ефективних режимів та технічних засобів опромінення. Проаналізовано хід наукових теоретичних і експериментальних досліджень в напрямку застосування оптичних електротехнологій в сільському господарстві. Стан їх реалізації можна виділити у два етапи.

На першому етапі, до 70-х років, ефективність оптичного випромінювання в галузях сільського господарства в основному визначалась результатами експериментальних досліджень впливу спектру оптичного випромінювання джерела, що застосовувалось для опромінювання, на визначений параметр продуктивності. На їх основі були визначені і рекомендовані до впровадження дози (експозиції) опромінення різними ділянками спектру оптичного випромінювання.

В 80-х роках розпочався другий етап, який характеризується формуванням глибоких досліджень шляхів, первинних механізмів перетворення та спектрів дії оптичного випромінювання на біологічні об'єкти з використанням сучасної комп'ютерної і електронної техніки, а також кількісного визначенням ефективності поглинутого випромінювання. В цей час було практично сформовано оптичне опромінення як напрямок застосування променистої енергії в сільському господарстві.

Вирішальне значення в формування даного напрямку внесли наукові розробки відомих українських та російських вчених Бутова Г.П., Гаврілова П.В., Жилінського Ю.М., Земляного І.І., Карпова В.М., Козінського В.А, Лазарєва Д.Н., Лямцова А.К., Мартиненка І.І., Мельника І.Л., Мурзіна В.К., Муругова В.П., Осєтрова П.А, Прищепа Л.Г., Самойлової К.А., Свентіцького І.І., Соколова М.В., Торосяна Р.Н., Устінова Д.А., Шкеле А.Е., Щура І.З., Юркова В.М. та інших.

Відомо, що біологічна активність випромінювання зростає пропорційно енергії фотонів випромінювання. Законом Гротгуса-Дрепера встановлено, що енергетичну дію на біологічні структури живих організмів спричиняє тільки поглинуте випромінювання. Якісні і кількісні прояви цієї дії залежать від:

- глибини проникання енергії випромінювання в живі тканини;

- місця перетворення її в інші види енергії;

-специфіки первинних фотохімічних реакцій, що проходять у взаємодіючих з оптичним випромінюванням біологічних структурах;

- рівня самоорганізації тваринного організму відносно використання, зберігання та перерозподілу поглиненої енергії.

Сучасна теорія пояснення впливу оптичного випромінювання на тваринні організми визначає два основних шляхи дії: гуморальний і нервово-рефлекторний. Ці шляхи нерозривно пов'язані і залежні один від одного.

Гуморальна дія спостерігається при утворенні в шкірі вітаміну Д3, гістаміну і гістаміноподібних речовин - під дією ультрафіолетового випромінювання та гемоглобіну крові - під дією видимого випромінювання. Дані речовини по кровоносних каналах розносяться у всі органи і системи організму, де викликають відповідні реакції.

Нервово-рефлекторна дія здійснюється при подразненні випромінюванням нервових рецепторів, розташованих у верхніх прошарках шкіри.

Оптичне випромінювання, попадаючи на поверхню тіла тварини чи птиці, в першу чергу взаємодіє з його шерстинним чи пір'яним покривом. Деякі вчені заперечують можливість проходження випромінювання скрізь покрив, інші відводять йому важливу роль у передачі енергії оптичного випромінювання біологічно активним підшкірним і шкіряним структурам. Така розбіжність результатів обумовлена недосконалістю методик проведених досліджень та низькою чутливістю вимірювальної апаратури.

Проведений аналіз досліджень шляхів і механізму впливу оптичного випромінювання на тваринний організм дозволив констатувати:

- Спостерігається значна розбіжність експериментальних результатів по дослідженню проникання оптичного випромінювання крізь шерстинний покрив. Причиною тому є недосконалість у методах і пристроях при проведенні експериментів. Це спричиняло значну похибку при вимірюваннях. Мало уваги в експериментах приділялось методу узгодження досліджуваного об'єкта і приймача випромінювання. Якщо прошарок шерсті безпосередньо накладається на вікно приймача випромінювання, то частина випромінювання розсіюється. Усунути розсіювання дозволяє оптичний інтегратор або фотометрична сфера.

- В усіх дослідженнях проникання ультрафіолетового випромінювання в біологічні структури значний вплив на результати вимірів вносить випромінювання люмінесценції. Проте у більшості проаналізованих досліджень впливу випромінювання люмінесценції на покази реєструючих приладів не приділено належної уваги. Тим самим, вносилася похибка в точність результатів вимірів. Усунути похибку можна за допомогою фільтру ультрафіолетового випромінювання з вузькою смугою пропускання, що перешкоджав би попаданню випромінювання люмінесценції на фотореєструючий приймач.

- Недоліком деяких досліджень є також відсутність зоотехнічних даних про тварин, шерстинний покрив яких досліджувався. Найчастіше відсутня інформація про породу, вік і статеві ознаки тварини. Не приводилися дані про параметри мікроклімату в приміщеннях для утримання тварин, раціони і способи їхньої годівлі. Від усіх названих чинників у значній мірі залежать розвиток тварини і оптичні властивості шкіряно-шерстинного покриву.

- При всьому різноманітті досліджень по визначенню шляхів проникання випромінювання в організм тварини не вивчалася можливість проходження випромінювання під шкіру тварини по окремим шерстинам його шерстинного покриву. На активну роль шерсті в передачі енергії оптичного випромінювання організму тварини указував відомий актинолог академік Г.М. Франк ще в 50-ті роки. Випромінювання, що проходитиме по окремим шерстинам, як по світлопровідним каналам, матиме прямий вплив на активні елементи шкіряних рецепторів тварини та на кровоносні судини і нервові закінчення, що охоплюють фолікулу шерстини. В відомих дослідженнях процес передачі оптичного випромінювання в організм вивчався тільки відповідно до схеми: крізь шерстинний покрив - на шкіру - крізь шкіру - на рецептори організму.

У порівнянні з нею, передача енергії оптичного випромінювання за схемою: усередині циліндра шерстини - до фолікули, розташованої в глибині шкіри, і від неї - безпосередньо на шкіряні рецептори організму й у кров, якою живиться фолікула, є більш ефективною.

Системний аналіз результатів наукових досліджень, наведених у розділі, дозволяє зробити наступні висновки для подальшої роботи:

1.Оптичне випромінювання є важливим природнім чинником, що активно впливає на живі організми і необхідним елементом мікроклімату при безвигульному утриманні та вирощуванні тварин і птиці.

2.Реакції організму на дію різних ділянок оптичного випромінювання на даний час достатньо вивчені. Проте механізм первинної взаємодії фотонів випромінювання зі структурними елементами організмів тварин чіткого пояснення не має.

3.Численними дослідженнями різних авторів встановлено, що основним шляхом біологічного впливу оптичного випромінювання на тварини та птицю є шкіра. Незначна дія здійснюється також за допомогою зорових, дотикальних рецепторів і слизуватих оболонок.

4.Дослідження пропускної спроможності оптичного випромінювання різних ділянок спектру застосовується ряд емпіричних методів дозування по спектрам біологічної дії. На даний час експериментально визначені орієнтовні дози ультрафіолетового опромінювання та інфрачервоного обігріву для тварин і птиці різного віку. Суттєвим недоліком доз ультрафіолетового опромінювання є відсутність їх диференціації по породах тварин і пігментації шкіряно-шерстинного покриву.

6.Оцінка сучасних методів і пристроїв для дозування та створення оптичного випромінювання показала, що існує необхідність розробки дешевого портативного фотометру для вимірювання оптичних характеристик шкіряно-шерстинного покриву сільськогосподарських тварин і птиці та автоматизації процесу опромінювання.

Наведені висновки обумовили напрямки подальших досліджень:

- розробити узагальнюючу методику по дослідженню оптичних характеристик поверхневого покриву тварин і птиці, дослідити роль шерсті, пір'я та шкіри в процесі взаємодії оптичного випромінювання з тваринним організмом;

- розробити методологію дозування оптичного опромінення тварин і птиці шляхом визначення критерію оцінки дії випромінювання на організм з урахуванням оптичних характеристик їх шкіряно-шерстинного або шкіряно-пір'яного покриву;

- провести теоретичні дослідження механізму первинної взаємодії випромінювання з біологічними структурами і розробити наукові передумови управління фотобіологічними реакціями в тваринному організмі.

В другому розділі "ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ПЕРЕДАЧІ І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ" для математичного обґрунтування розподілу енергії оптичного випромінювання в шкіряно-шерстинному покриві використано рівняння переносу променистої енергії в _розсіюючому середовищі, розроблене на основі першого закону термодинаміки В.С.Владіміровим і С.Чандрасекаром.

З метою підвищення достовірності одержаних результатів для вимірювання потоку випромінювання використовувався фотоелектронний помножувач, сигнал із якого сприймався через підсилювач гальванометром, або відповідним інтерфейсом через аналого-цифровий перетворювач подавався для математичної обробки на ПЕОМ.

В дослідженнях каналізації оптичного випромінювання окремими шерстинами значна увага приділялась щетині свиней. Вибір обгрунтований тим, що щетина має найбільшу площу поперечного перерізу в порівнянні із шерстю інших сільськогосподарських тварин і випромінювання, яке проходило по циліндру щетини до фотоелектронного помножувача, викликало в ньому сигнал у межах лінійної ділянки характеристики чутливості. Цим додатково збільшувалась достовірність результатів вимірів.

Таблиця 3

Коефіцієнти рівняння регресії спектральної залежності пропускання оптичного випромінювання окремою щетиною та її відрізками

Площа перерізу щетинки, мм2Коефіцієнти рівняння регресіїКоефіцієнт кореляціїabc0,12 (ціла)-79,70,309-0,00240,9960,12 (зріз)-69,10,273-0,00230,9980,12 (відрізок)-41,80,173-0,00150,9860,08 (ціла)-80,10,324-0,0030,9960,08 (зріз)-16,40,068-6,050,9480,08 (відрізок)-13,20,051-4,230,9890,062 (ціла)-31,20,13-0,00120,9820,062 (зріз)-8,90,038-3,40,998

З метою моделювання падіння випромінювання на поверхню шерстин в природних умовах досліджено залежності світлопровідності окремої шерстини від відстані до місця введення променя в її циліндр при критичних кутах падіння випромінювання на шерстину: промінь направляється перпендикулярно поверхні (рис.3а); промінь направляється в торцовий зріз (паралельно вісі циліндру шерстини) (рис.3б). Аналіз математичних виразів показує, що коефіцієнт світлопровідності шерстини, при її опроміненні перпендикулярно бічній поверхні, значно менший за коефіцієнт світлопровідності шерстини, при її опроміненні в торцовий зріз.

а) б)

Рис.3.Математичний вираз та експериментальні результати залежності коефіцієнта світлопровідності ? шерстини від її довжини L; (а) - при направленні випромінювання на торцовий зріз; (б) - при направленні потоку випромінювання перпендикулярно на бічну поверхню.

Узагальнення результатів світлопровідності окремої шерстини від довжини хвилі оптичного випромінювання представлено в просторовій картині залежності каналізації оптичного випромінювання всередині циліндра окремої шерстини від довжини хвилі випромінювання ? та довжини світлопровідної ділянки шерстини L, яка приведена на рис.4.

Рис. 4. Залежність коефіцієнта світлопровідності окремої шерстини ? від спектрального складу оптичного випромінювання (?) і довжини її світлопровідної частини L (відстані до фолікула).

Встановлено, що світлопровідність окремої шерстини зростає із збільшенням довжини хвилі випромінювання в діапазоні від 360 до 600 нм.

Картина просторового зображення залежності світлопровідності щетини свиней великої білої породи від довжини хвилі оптичного випромінювання та діаметра щетини, яка побудована на основі узагальнення результатів дослідження спектрів світлопровідності окремих щетинок, показана на рис.5.

Рис.5. Просторове зображення залежності світлопровідності ? щетини з свиней великої білої породи від довжини хвилі оптичного випромінювання ? та площі перерізу щетини ?.

Експериментально підтверджено, що світлопровідність зростає пропорційно діаметру щетини і довжині хвилі випромінювання (у діапазоні від 330 до 560 нм). Проведені також дослідження проникання оптичного випромінювання крізь пір'яний покрив птиці. В даних експериментах пір'я накладалось прошарком, відповідно до розміщення на поверхні птиці. Результати дослідження коефіцієнтів відбивання і пропускання покриву курчат породи "Канадський леггорн" приведені в табл. 4.

Таблиця 4

Коефіцієнти пропускання і відбивання випромінювання діапазону 300...400 нм покривом курчат породи "Канадський леггорн"

Оптичні

коефіц.Вік птиці, днів5-1010-2020-3030-6060-9090-150150-210210-270270-360?, %8-107-95-74-63-52-41-20.5-10.5-1?,%18-2120-2526-2828-3131-3535-3737-4242-4646-47

Значна увага в дослідженнях приділена підтвердженню світлопровідності шерстинного покриву різних видів тварин та вивченню структурної побудови їх шерстин. Наряду із викладеною вище методикою досліджень були проведені дослідження світлопровідності окремих шерстин, їх зрізів та зовнішнього вигляду циліндрів шерстин методом фотографування. Як приклад, нижче на рис.6 приведено фотознімки світлопровідності відрізків пухового волоса із курки (а), відрізка шерстини із лопатки білої корови (б) та окремої щетини зі спини свині (в).

а) б) в)

Рис.6.Фотознімки світлопровідності зрізів: (а)- пухового волосу курки, (б)- шерстини з лопатки білої корови і (в) - цілої щетини зі спини свині.

Значна увага приділена дослідженням оптичних характеристик структурних складових шкіри тварин. Визначені і зведені у відповідні таблиці коефіцієнти відбивання поверхні шкіри, коефіцієнти пропускання епідермісу та коефіцієнти поглинання шкіри для сільськогосподарських тварин різного віку, масті і віку в ультрафіолетовому (300...400 нм) і видимому (400...700 нм) діапазонах оптичного випромінювання. Побудовано усереднені спектральні залежності коефіцієнтів пропускання оптичного випромінювання від товщини шкіряного покриву (рис.7) та коефіцієнтів відбивання покриву тварин різної масті (рис.8). На просторовій картині (рис.9) представлені, після математичної обробки і узагальнення експериментальних даних, результати досліджень залежності коефіцієнта пропускання від спектрального складу випромінювання та товщини шкіри тварини, які свідчать, що із зменшенням довжини хвилі випромінювання зменшується інтенсивність і глибина проникання його енергії в товщу шкіряно-шерстинного покриву сільськогосподарських тварин.

Рис.7. Усереднені спектри пропускання Рис.8. Усереднені спектри відбивання

покриву тварин світлих порід у залежності тварин різної масті:1 - білої; 2 - рудої;

від товщини шкіри (мм). 3- чорної .

Рис.9. Просторова картина залежності коефіцієнта пропускання оптичного випромінювання в глибину шкіряно-шерстинного покриву тварини від довжини хвилі оптичного випромінювання та товщини покриву.

Результати регресивного аналізу узагальнених даних з використанням математичного програмного забезпечення "Mathcad 2000 Pro" та "Curve Expert 1.3" надали можливість визначати кількість енергії оптичного випромінювання, що проникає крізь шкіру в тіло тварини на зазначену глибину (з коефіцієнтом кореляції k =0.994) залежністю типу:

_ EMBED Equation.3 ___, (11)

де Wпад- енергія випромінювання, що падає на поверхню шкіри тварини; ? - коефіцієнт пропускання шкіри; ? - товщина шкіряного покриву, мм; a, b, c - коефіцієнти аналітичної залежності.

Кількість енергії оптичного випромінювання, що проникає під шкіру в залежності від довжини хвилі випромінювання (з коефіцієнтом кореляції 0,996) визначається за виразом:

_ EMBED Equation.3 ___ , (12)

де ? довжина хвилі падаючого випромінювання; а, b, с - відповідні аналітичні коефіцієнти. Коефіцієнти а, b, с у виразах (11) і (12) залежать від виду і масті тварини.

Проведено досл(дження спектральних люмінесцентних характеристик шкіряно-шерстинного покриву тварин на предмет визначення їх залежност( в(д д(лянки т(ла, в(ку, стат( тварин, пори року, а також в(д генетичних зв'язк(в з метою використання для селективного відбору високопродуктивних тварин. Інформативною ділянкою спектру люмінесценції є випромінювання 520...540 нм (при збуджуючому випромінюванні 360...440 нм). На рис.10 приведені спектри люмінесценції шерсті сільськогосподарських тварин різного виду, віку.

Рис.10. Спектральні залежності інтенсивності люмінесценції шерсті сільськогосподарських тварин (при збуджуючому випромінюванні 360...440 нм):1 - щетини білої свині, 4 міс.; 2 - щетини білої свині, 8 міс.; 3 - щетини білої свині, 12 міс.; 4 - теляти, 6 міс.; 5 - щетини білої свині, 2 роки; 6 - корови, 3 роки; 7 - чорної щетини хряка, 3,3 р.

Наведені на рис. 10 результати свідчать про можливість їх використання для аналізу генетичних ознак потомства з метою селекції чистопородних тварин або їх розведення з метою підвищення відповідної продуктивності (шерсті, молока, м'яса і т.п.).

У четвертому розділі "ВИЗНАЧЕННЯ КРИТЕРІЮ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ДІЇ ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА КОРЕКЦІЯ ДОЗ УФ-ОПРОМІНЕННЯ ТВАРИН І ПТИЦІ" обгрунтована оцінка ефективності опромінення тварин за спектрами біологічної дії. Так критерієм дозування УФ випромінювання прийнято його D-вітаміноутворюючу дію на тваринний організм і на основі виразів (8) і (9) для визначення ефективної дози УФ опромінювання тварин і птиці в виробничих умовах запропоновано вираз:

_ EMBED Equation.2 ___, (15)

де Md -добова кормова норма вітаміну D, інтерн.од.; ?- інтегральний коефіцієнт ефективності поглинутого шкіряно-шерстинним покривом тварини УФ випромінювання; ? - відносний коефіцієнт густини шерстинного покриву; S - площа опромінюваної поверхні тварини, м2 ; _ EMBED Equation.3 ___ - спектральна кількісна енергетична ефективність УФ випромінювання (250..330 нм) утворення інтернаціональної одиниці маси вітаміну D, Вт*год? і.о.

Відносний коефіцієнт густини покриву визначається за виразом:

_ EMBED Equation.3 ___ , (16)

де М - маса тварини, кг; n - щільність шерстин, шт/см2 ; l - середня довжина шерстин, м; d -середній діаметр шерстин, м; S - площа опромінюваної поверхні тварини, м2; k.- коефіцієнт, що враховує видові особливості тварин (0.1 - для свиней, 0.2 - для ВРХ, 0.3 - для кролів, 0.33 - для овець, 0,4 - для птиці).

За виразом (15) проведена корекція доз УФ-опромінення сільськогосподарських тварин і їх порівняння із рекомендованими нормативним документом (Рекомендации по применению ультрафиолетового излучения в животноводстве и птицеводстве. - М.: Колос, 1979. - 32 с.). Встановлено, що інтегральний коефіцієнт ефективності поглинутого УФ випромінювання для сільськогосподарських тварин світлих порід становить ?=0,28-0,3, а коефіцієнт поглинання шкіри - ?= 0,5-0,7; для тварин темної масті, відповідно, ?=0,2-0,22, ?= 0,6-0,8. Розрахунок ефективної добової дози УФ опромінювання для сільськогосподарських тварин і птиці різного віку та порід за виразом (15) виконано в програмному середовищі MCAD 2000 Pro і узагальнено в табл. 4 і 5.

Приклад просторового зображення усереднених результатів розрахунків дози УФО для свиней і великої рогатої худоби показано на рис.11, відповідно, (а) і (б) .

а) б)

Рис.11. Просторове зображення залежності дози УФ опромінення (Нd) від площі опромінюваної поверхні тварини (S) та добової потреби у вітаміні (D) при різних коефіцієнтах ефективності поглинутого випромінювання ?; ?2 - характеризує ефективність поглинання випромінювання у дорослих тварин; ?1 - в організмі молоді.

Аналіз отриманих результатів підтверджує правомірність визначення доз УФ-опромінення тварин і птиці за D-вітаміностворюючим спектром дії

Аналіз отриманих результатів підтверджує правомірність визначення доз УФ-опромінення тварин і птиці за D-вітаміностворюючим спектром дії та добовою потребою тварини у вітаміні D. При цьому встановлена значно більша диференціація доз УФ -опромінення у залежності від віку, маси, породи та стану шкіряно-шерстинного покриву тварини ніж у "Рекомендаціях..". Тобто, більш ефективно використовуються джерела опромінювання.

У п'ятому розділі "РОЗРОБКА ТА ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ ВПРОВАДЖЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ" для реалізації методу дозування енергії оптичного опромінення тварин за спектрами біологічної дії із врахуванням оптичних характеристик їх покриву розроблені універсальний спектрофотометр для вимірювання оптичних характеристик і автоматизовану установку для УФ опромінення тварин та обгрунтовано і визначено напрямки підвищення ефективності оптичних електротехнологій.

Оскільки об'єктом ОЕТ є система "Джерело випромінювання - середовище передачі енергії випромінювання - тварина", підвищення її ефективності можливе в усіх трьох складових частинах системи. Загальний к.к.д. ОЕТ визначається за відповідним виразом:

_ EMBED Equation.3 ___, (17)

де індекси, відповідно, означають к.к.д джерела випромінювання; опромінювача (його відбиваючої поверхні); середовища, крізь яке випромінювання доходить до поверхні тварини; поглинаючої поверхні (шкіряно-шерстинного покриву) тварини; ефективності перетворення поглинутого випромінювання в тілі тварини.

Технологічна ефективність джерела випромінювання залежить від ефективності перетворення у ньому електричної енергії в оптичне випромінювання необхідного спектрального діапазону (діапазон характеризує біологічну ефективність поглинутого випромінювання) та перерозподілу енергії випромінювання у заданому напрямку арматурою опромінювача. Тобто, підвищення ефективності ОЕТ за рахунок джерела випромінювання можливе за напрямками:

- підвищення температури нитки розжарення у ламп розжарення, або температури розряду у газорозрядних ламп, що сприяє підвищенню ефективності перетворення електричної енергії в енергію оптичного випромінювання необхідного спектрального діапазону (збільшується інтенсивність випромінювання); створення джерел із спектром випромінювання, який відповідає спектру біологічної дії на опромінюваний об'єкт; надання джерелам випромінювання геометричної форми, яка забезпечувала б максимальну рівномірність опромінювання поверхні тварини.

Підвищення ефективності ОЕТ за рахунок арматури джерела випромінювання можливе шляхом вдосконалення конфігурації, яка забезпечувала б перерозподілу потоку випромінювання від джерела у заданому напрямку і рівномірність опромінення поверхні тіла тварини та підвищення відбиваючої здатності внутрішньої поверхні арматури.

Ефективність передачі енергії випромінювання середовищем залежить від його спектральної оптичної щільності та відстані від джерела до тварини. І, на кінець, ефективність перетворення енергії, що поступила на поверхню тварини, залежить від напрямку падіння випромінювання на опромінювану поверхню, рівномірності її опромінення, оптичних характеристик сприймаючого покриву, характеристики поглинаючих структур в тілі тварини та ефективності перетворення поглинутої енергії в корисну роботу.

Узагальнюючи викладене, визначено напрямки підвищення ефективності ОЕТ :

- проведення подальших досліджень шляхів проникання і механізмів перетворення енергії ділянок спектру оптичного випромінювання в тваринний організм з метою визначення та уточнення кількісних характеристик спектрів біологічної дії і, на їх основі - обгрунтування параметрів автоматизації технологічного процесу;

- розробка і вдосконалення джерел оптичного випромінювання на основі забезпечення впливу за спектрами біологічної дії на об'єкт опромінювання при умові максимального к.к.д. перетворення електричної енергії в енергію оптичного випромінювання ;

- розробка технологічних процесів, із мінімальним впливом середовища на передачу енергії випромінювання від джерела до об'єкта.

В шостому розділі проведена техніко-економічна оцінка результатів виробничої перевірки технічних засобів та скоригованих доз УФ опромінення тварин. Впровадження розробок дозволило підвищити приріст маси телят на 14%, поросят - на 10%, добовий удій молока - на 5%.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми: визначення шляхів та встановлення закономірностей дії енергії оптичного випромінювання на тваринний організм для розробки методології її дозування, об'єднання і удосконалення на системних позиціях всіх етапів енергоперетворень у технологічних процесах опромінення, що забезпечує підвищення ефективності застосування оптичного випромінювання в тваринництві і птахівництві. Проблема реалізована у методі дозування променистої енергії за спектрами біологічної дії на тваринний організм з урахуванням пропускної та поглинаючої здатності структур сприймаючого покриву, шляхом аналізу системних експериментальних досліджень оптичних характеристик шкіряно-шерстинного покриву с.г. тварин різного віку, масті і порід та теоретичного дослідження механізму перетворення поглиненої енергії в організмі тварини. Отримані теоретичні і експериментальні результати дозволяють зробити наступні загальні висновки:

1. На основі експериментально обґрунтованого факту проходження енергії оптичного випромінювання до підшкіряних структур тварини всередині циліндрів окремих шерстин або волосин і результатів комплексних досліджень проникання енергії оптичного випромінювання в шкіряно-шерстинний покрив тварини встановлено, що шерсть і шкіра є основними шляхами проникання променистої енергії в організм. Із віком тварини змінюється роль шерстинного покриву відносно оптичного випромінювання:

у молодих тварин, при тонкій шкірі, шерстинний покрив має слабкі світлопровідні характеристики і захищає поверхню від надлишкової дії оптичного випромінювання; у дорослих тварин, при товстій шкірі, шерстини мають кращі світлопропускні властивості ніж шкіра і сприяють проникненню оптичної енергії під шкіру. Установлено, що крізь епідерміс шкіри тварин темної масті проникає у 1,3...2 рази менше випромінювання ніж у тварин світлої масті. Дані результати поглиблюють знання щодо механізму взаємодії оптичного випромінювання із тваринним організмом та ролі зовнішнього покриву у цій взаємодії.

2. Системний аналіз методик та результатів експериментальних досліджень покриву сільськогосподарських тварин і птиці дозволив розробити узагальнюючу методику для експериментальних досліджень оптичних характеристик (пропускання, відбивання, поглинання та люмінесценції) мікро- (окремих шерстин) і макро- (шкіри та шкіряно-шерстинного покриву) сприймаючих структур тварин та створити універсальний комплекс устаткування для визначення названих характеристик у об'єктів, розмірами від 1 мкм до 10 см, при інтенсивності опромінення від 0,5 мВт/см2 до 50 Вт/см2 .

3. Запропонована математична модель світлопровідності окремих шерстин, як біологічних світлопроводів оптичної енергії, на основі якої визначено аналітичні залежності спектральних коефіцієнтів світлопровідності окремих шерстин від довжини і діаметра шерстини та спектрального складу випромінювання. Установлено, що під шкіру тварин світлої масті по окремих шерстинах проходить від 0,2% падаючого випромінювання з довжиною хвилі 365 нм до 2% випромінювання з довжиною хвилі 546 нм.

4. Проведена кількісна оцінка енергії оптичного випромінювання, що поступає до підшкіряних структур крізь шкіру та по окремим шерстинам. Установлено, що у свиней світлих порід 1,5...3 річного віку під шкіру через щетинний покрив поступає в 1,4...2 рази більше енергії оптичного випромінювання ніж крізь поверхню шкіри відповідної площі. Для поросят 4...8 місячного віку навпаки, крізь шкіру проходить в 1,35...1,9 рази більше ніж через шерстинний покрив. Наведені результати свідчать, що із віком тварини зменшується світлопропускна здатність шкіри (при збільшенні товщини) і зростає світлопровідність шерстинного покриву (при збільшенні діаметру і довжини шерстин).

5. На основі теоретичного дослідження фотофізичних і фотохімічних процесів в організмі тварин і птиці вперше розроблено метод дозування дії променистої енергії за спектрами фотобіологічної дії та побудована математична модель ефективності перетворення оптичного випромінювання в продукт фотобіологічної реакції. Метод випробувано на розрахунку доз УФ опромінення тварина за спектром D-вітаміностворюючої дії з урахуванням інтегрального коефіцієнту ефективності поглинання УФ випромінювання. Установлено, що для одержання рівноцінного ефекту від опромінення тваринам темної масті необхідна доза в 1,2...1,5 рази більша ніж тваринам світлої масті.

6. Виробнича перевірка метода розрахунку енергетичної дози УФ опромінення тварин і птиці за спектром D-вітаміностворюючої дії та добовою потребою тварин у вітаміні D із врахуванням ефективності поглинання променистої енергії шкіряно-шерстинним покривом показала підвищення ефективності застосування УФО тварин і птиці на 4..11 % порівняно із режимами опромінення за "Рекомендаціями по застосуванню ультрафіолетового випромінювання в тваринництві і птахівництві" (1979 р.).

7. Запропоновано метод селективного відбору племінних тварин за флуоресцентними характеристиками їх шерстинного покриву. Апробація методу підтвердила його високу достовірність і зниження трудовитрат на 30%.

8. На