к оглавлению

4. УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА В ЗИМОВНИКАХ РАЗНОЙ ВМЕСТИМОСТИ.

Как отмечалось выше, содержание пчелиных семей в зимовниках с регулируемым микроклиматом способствует их более высокой сохран­ности в зимний период и обеспечивает экономию кормовых запасов, что благоприятно сказывается на экономических показателях хозяйств.

В Институте пчеловодства разработана и испытана гамма техничес­ких средств разной степени сложности и стоимости для регулирования микроклимата в зимовниках разной вместимости. Стоимость предла­гаемых средств увязана с размерами зимовника таким образом, чтобы добиться их окупаемости в течение одного, максимум двух сезонов.

Для маленьких, индивидуальных зимовников, рассчитанных на 20-30 (до 50) пчелиных семей, удаленных от основного жилья, можно рекомендовать устройства, регулирующие в них только температуру, например, путем изменения уровня вентиляции. Они могут быть энерго­независимыми, то есть, не потребляющими для своей работы электро­энергию. В качестве привода в таких автоматических воздушных заслон­ках могут быть использованы биметаллическая пластина, сильфон (медная или латунная гармошка) или поршневая система, заполненная легкокипящей жидкостью.

Чтобы обеспечить необходимые тяговые характеристики для пере­мещения рабочего органа, биметаллическая пластина воздушной заслон­ки должна иметь устройство, снимающее нагрузку с привода при темпе­ратурах, существенно отличающихся от рабочей, иначе возможны его остаточные деформации, что приводит к нарушению его настройки. Точ­ность регулировки температуры такими устройствами невысока.

Использование в качестве привода поршневой или сильфонной системы более предпочтительно, так как существенно улучшает метрологические характе­ристики воздушных засло­нок. Возможная конструк­ция привода, в котором ис­пользован сильфон, пока­зана на рис.4.

Рис. 4. Конструкция привода с использованием сильфона.

Наиболее перспективным было бы использование в такой заслонке сильфонной системы (7) диаметром 50-60 мм, заполненной тетрафтор- 1,2-дихлорэтаном (фреоном Ф-114). Фреон Ф-114 при нормальном ат­мосферном давлении имеет температуру кипения, равную +3,55°С. При более высокой температуре часть жидкого фреона перейдет в газооб­разное состояние, что вызовет существенное увеличение длины сильфо­на. Снижение температуры вызовет обратное действие. Таким образом, использование в качестве рабочего тела вещества, находящегося в двух­фазовом состоянии (жидком и газообразном) существенно увеличивает чувствительность системы вблизи температуры фазового перехода.

Для регулирования температуры кипения рабочей жидкости в сос­таве прибора должна быть пружина (6), создающая в сильфоне избыточ­ное давление. Регулируя силу ее сжатия с помощью регулировочного винта (4), можно в некоторых пределах изменять температуру кипения жидкости в сильфоне. Верхняя часть сильфона механически связана с заслонкой посредством передаточного механизма, состоящего из шес­теренки (2) и рейки (3). Этот механизм преобразует поступательное движение сильфона во вращательное. Рабочий орган заслонки может быть выполнен в виде квадратной или круглой металлической или пласт­массовой пластины сечением от 200 до 500 см², расположенной в возду­ховоде. Пластина может поворачиваться вокруг продольной оси на угол до 90° и в зависимости от своего положения открывать или перекрывать воздуховод приточной или вытяжной вентиляции зимовника. Упоры (1) ограничивают перемещение сильфона при температурах, существенно отличающихся от рабочих.

Для зимовников объемом до 50 м² (на 30-50 пчелиных семей), реко­мендуется более сложное, электронное устройство, регулирующее не только температуру, но при необходимости и влажность воздуха. В комп­лект устройства входят: регулятор температуры и относительной влаж­ности воздуха, 1-2 электрифицированные воздушные заслонки; 2-4 на­гревателя (в зависимости от размеров зимовника и мощности нагрева­телей) и увлажнитель воздуха.

Нагреватели и увлажнитель используют типовые, выпускаемые промышленностью. С их помощью регулируют микроклимат в довольно широких пределах. Увеличивая приток наружного холодного воздуха, с малым содержанием водяных паров, понижают температуру и абсолют­ную влажность воздуха в зимовнике; с помощью нагревателей повышают температуру, одновременно снижая относительную влажность, с помощью увлажнителя увеличивают абсолютную и относительную влажность воздуха.

Устройство работает как от сети переменного тока, так и от авто­номного источника питания напряжением 9-12 В (аккумулятора, галь­ванических батарей). При питании устройства от сети переменного тока 220 В оно может управлять всеми входящими в комплект исполни­тельными органами. При отсутствии централизованного энергоснабже­ния автоматически подключается автономный источник питания напря­жением 9-12 В, и регулирование температуры продолжается, но лишь путем изменения уровня воздухообмена с окружающей средой с по­мощью электрифицированных заслонок.

Прибор представляет собой сдвоенный трехпозиционный термо­регулятор (рис.5).

Второй канал терморегулятора использован для измерения и регу­лирования относительной влажности воздуха. Для этого второй датчик температуры (на схеме - Датчик влажности) помещен в чехол из батиста, нижний конец которого погружен в резервуар с дистиллированной водой. Определение относительной влажности осуществляется по разнице тем­пературы “сухого” и “влажного” датчика. Оператор устанавливает задат­чик второго канала, находя значение температуры с помощью психро­метрической таблицы.

При отсутствии сетевого питания аварийный источник автомати­чески подключается к регулятору. При этом для обеспечения наиболь­шей продолжительности работы регулятора узлы прибора, не способ­ные нормально функционировать при отсутствии сетевого питания, от­ключаются. Включенными остаются узлы, окрашенные на рисунке в серый цвет: датчик температуры и его задатчик, дифференциальный уси­литель датчика температуры, логическое устройство, усилители (-ль) управления воздушными заслонками, усилитель контрольного прибора и стабилизатор-преобразователь с таймером.

Использование специального таймера еще более снижает расход электроэнергии регулятором, поскольку переводит его в циклический режим работы (4 сек. работы - 3 мин. пауза или 4 сек. работы - 30 мин. пауза). Благодаря этому режиму расход электроэнергии снижается почти в 1000 раз, и одного свежего комплекта батарей (6 элементов А 373) вполне хватает на 6 мес. работы. При этом, как говорилось выше, не будут работать нагреватели и увлажнитель.

Логическое устройство обеспечивает обработку всех сигналов, по­ступающих от усилителей, и бесконфликтное управление всеми исполни­тельными органами. Для того, чтобы электрифицированная заслонка могла работать от автономного источника питания, она снабжена малень­ким мотором-редуктором постоянного тока (типа ПМЧ), который должен потреблять не более 60-100 мА при напряжении питания 6 В. Заслонка имеет две секции с поворотными клапанами. Одна секция служит для регулирования притока наружного воздуха, другая - для удаления его из зимовника. В случае использования дв)* заслонок их функции разде­ляются: одна устанавливается в приточном канале, другая - в вытяжном.

Основные метрологические характеристики регулятора следую­щие: регулятор обеспечивает измерение и регулирование температуры по обоим каналам от 0 до 10°С с точностью + 0,2°С. Дифференциальная температура включения и выключения нагревателей (увлажнителя) мо­жет меняться в зависимости от установки соответствующих потенци­ометров в пределах от 0,2 до 2-3°С.

Регулировочная характеристика электрифицированной заслонки- близка к линейной зависимости между температурой и углом поворота клапана. Дифференциальная температура полностью закрытой и откры­той заслонки также может меняться в зависимости от установки соответ­ствующего потенциометра в пределах от 0,2 до 2-3°С. Нагрузочная спо­собность регулятора составляет: по каналу подключения нагревателя - не менее 2 кВт (рекомендуемая мощность в зависимости от объема зимовника 0,5-1,0 кВт); по каналу подключения увлажнителя - до 1 кВт.

Зимовники вместимостью до 300 пчелиных семей тоже могут быть оборудованы устройством, сходным с вышеназванным. При этом в зи­мовник нужно установить необходимое число добавочных вентиля­ционных заслонок и нагревателей, а в peгулятор добавить необходимые узлы и увеличить мощность тиристорных включателей. На практике ис­пользование этого варианта затруднительно, ведь в таком зимовнике для обеспечения равномерности нагрева воздуха пришлось бы установить около двух десятков нагревателей не только у его стен, но и в проходах. То же самое пришлось бы сделать и с увлажнителями.

Для больших зимовников предпочтительнее схема кондици­онирования воздуха, в которой все основное оборудование находится в одном месте, в камере воздухоподготовки. Кроме того, контроль темпе­ратуры и влажности в таком зимовнике только в одной точке может привести к значительным погрешностям в регулировании микроклимата. Дело в том, что микроклимат в больших, особенно вытянутых в длину зимовниках, в разных его зонах может довольно существенно отличаться. Целесообразнее использовать более сложную систему регулирования, которая могла бы обеспечивать контроль и регулировать параметры микроклимата минимум в 5 точках (в центре зимовника и его углах).

В НИИ пчеловодства было разработана, смонтирована и испытана достаточно простая система, обеспечивающая поддержание микрокли­мата в зимовнике, вмещающем до 500 пчелиных семей. Зимовник, в котором испытывалась система, имел снаружи один приточный и 4 вы­тяжных канала. Приточный канал заканчивался электрифицированной заслонкой, которая отделяла его от смесительной камеры. К этой же ка­мере подходил рециркуляционный воздуховод, расположенный под по­толком зимовника и также отделенный от нее электрифицированной зас­лонкой. Из смесительной камеры воздух принудительно, с помощью центробежного вентилятора, подавался в камеру воздухоподготовки, где находились два блока ТЭНов общей мощностью около 7,5 кВт и блок увлажнителей, состоящий из 4 центробежных увлажнителей типа “Бриз”. Из камеры воздухоподготовки нормализованный воздух подавался в рас­пределительную систему, состоящую из каналов с отверстиями, из кото­рых он поступал во все точки зимовника. Обе камеры и распределите­льная система находились ниже уровня грунтового пола зимовника. Вытяжные электрифицированные заслонки были укреплены у потолка в вытяжных вентиляционных каналах, расположенных в углах зимовника.

Система работала следующим образом. При включении вентиля­тора давление воздуха в смесительной камере понижалось, и туда устрем­лялся воздух из приточного и рециркуляционного воздуховодов. Соот­ношение наружного “холодного” и рециркуляционного “теплого” воз­духа регулировалось электрифицированными заслонками, стоящими на воздуховодах. Далее смешанный воздух, направляемый вентилятором, контактировал с ТЭНами и увлажнителями, при необходимости нагре­вался, увлажнялся и поступал в распределительную систему и во все места зимовника.

По сравнению с ранее рассмотренной системой регулирования наличие дополнительного воздуховода позволяет значительно снизить вертикальный температурный градиент и более эффективно исполь­зовать тепло, выделяемое пчелами.

Поскольку регулятор должен контролировать температуру и влажность в пяти точках зимовника, то и его схема претерпела определенные изменения по сравнению с рассмотренной (рис.6).

С повышением температуры выше заданной в угловых зонах зимовника начинает открываться и одна из заслонок вытяжной вентиляции, расположенная недалеко от датчика, контролирующего в настоящий момент температуру. Как показала практика, через пото­лочные вытяжные заслонки воздух не только удаляется из зимовника, но и заходит в него. Поэтому для удаления теплого воздуха и частичной замены его на уличный вполне достаточно лишь потолочных заслонок.

Таким образом, при снижении температуры и влажности в лю­бой зоне зимовника любой из датчиков, измеряющих температуру и влажность воздуха, может управлять работой нагревателя и увлаж­нителя, так как датчики у них общие.

Все каналы измерения имеют одинаковый приоритет. При повы­шении же температуры и влажности каждый канал измерения имеет свой исполнительный орган, приточную или вытяжную заслонку (для угловых зон зимовника - вытяжные заслонки, для центральной - при­точная). При необходимости структура блока управления может быть немного упрощена за счет исключения усилителя рециркуляционной заслонки, но тогда несколько снизится потенциальный (максимальный) уровень воздухообмена с внешней средой из-за подсоса воздуха че­рез рециркуляционный канал, у которого будет отсутствовать заслонка.

Для зимовников очень большой вместимости (от 500 пчелиных семей и выше) для поддержания в них микроклимата может быть реко­мендована еще более сложная система. Большое количество, часто разнокачественных семей, помещаемых в них, может потребовать оп­ределенной коррекции микроклимата в отдельных зонах зимовника под физиологические особенности находящихся в них семей. Например, для оптимальной зимовки семей серых горных кавказских пчел требуется, особенно во второй ее половине, более низкая температура по сравнению со среднерусскими пчелами. Маленьким семьям, запасным маткам, напротив, требуется более высокая температура по сравнению с конди­ционными семьями и т.д. Предлагаемая нами компьютеризированная система позволяет не только оптимизировать микроклимат в зимовнике большего объема, но и в автоматическом режиме, подстроить его под физиологические потребности разных групп пчелиных семей при ус­ловии их компактного размещения в определенных зонах зимовника.

В НИИ пчеловодства проводится испытание прототипа такой системы регулирования в зимовнике, вмещающем до 500 пчелиных се­мей. Структурная схема доработанного регулятора показана на рис.7.

Небольшая доработка сводилась к следующему. Коммутатор N1 был отключен вместе с задатчиками температуры, а вместо него установ­лен новый задатчик, рассчитанный на подключение к ПЭВМ. В него входил интерфейс, рассчитанный на подключение к последовательному порту машины. Он имел два 8-разрядных регистра данных и один регистр адреса. Интерфейс рассчитан на прием и хранение блока из 3 байт информации, следующих один за другим. Первый бит после паузы воспринимался интерфейсом как начало передачи следующего блока.

По окончании приема блока данных интерфейс вырабатывал сигнал записи и переписывал данные из регистров данных в два энергонеза­висимых ОЗУ (обычные микросхемы ОЗУ с малым потреблением тока, снабженные буферным автономным источником питания) при условии, что код адреса в регистре адреса совпадает с кодом адресов ОЗУ. Дело в том, что данный интерфейс обслуживает не только блок регулятора температуры, но и блок сбора информации о физиологическом состоя­нии пчел, о котором будет сказано ниже.

Оба ОЗУ имеют пять адресов, по которым помещаются данные во время записи, причем в ОЗУ-1 помещаются данные о температуре воз­духа в зимовнике, а в ОЗУ-2 - о его влажности. Узел управления комму­таторами одновременно формирует коды для их управления и для ОЗУ. При этом данные из ОЗУ попадают в соответствующие ЦАПы (цифро- аналоговые преобразователи), где цифровой код превращается в анало­говый сигнал, используемый для управления регулятором вместо сигна­ла, вырабатывавшегося ранее задатчиками температуры и влажности.

Интерфейс связи имеет приоритет по записи, то есть, на момент прихода от него сигнала оба ОЗУ отключаются от регулятора на вре­мя, необходимое для ее проведения. Поскольку для записи в них по всем пяти адресам требуется менее 0,1 сек, го такое кратковременное их отключение никак не сказывается на работе регулятора. В остальное время регулятор работает в автономном от ПЭВМ режиме, и она может использоваться для других целей или быть выключена. Поскольку ОЗУ имеют буферный источник питания, то даже перебои в электроснабже­нии не нарушают его работы, ведь коды управления сохраняются. В оста­льном работа этого регулятора не отличается от работы вышеописанного.

Такая система поддерживает микроклимат на заданном уровне, а также подстраивает его под нужды зимующих семей. Для оперативно­го контроля за физиологическим состоянием пчел в семьях в составе системы есть специальный блок (его структурная схема - на рис.8).

Он содержит пять выносных усилительно-коммутационных блоков (УКБ).С их помощью производятся усиление, обработка и коммутация всех датчиков, установленных в контрольной пчелиной семье, а это 14 датчиков температуры, дифференциальный датчик температуры изме­рителя тепловой мощности, выделяемой пчелиной семьей, и акустичес­кий датчик (микрофон). Сигнал акустического датчика проходит предва­рительную обработку: после усиления подается на детектор, а затем на интегратор с временем интегрирования 60 сек. Все УКБ связаны с ЦБ с помощью 8-проводного кабеля длиной до 30 м.

Центральный блок содержит источник питания (трансформатор с выпрямителями и стабилизаторами) для УКБ и ЦБ, схему управления и контроля УКБ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) со схемой управления и контроля. ЦБ через разъем связан с интерфейсом связи с ПЭВМ, расположенным в регуляторе температуры и влажности воздуха.

При поступлении сигнала начала опроса измерительных каналов с интерфейса ЦБ выдает на все УКБ сигнал сброса интеграторов длитель­ностью около 1 сек., при этом все интеграторы приводятся в исходное состояние. После этого ЦБ выдает на все УКБ команду на интег­рирование длительностью 60 сек. За это время все интеграторы УКБ интегрируют продетектированные сигналы акустического датчика. Да­лее, от внутреннего генератора ЦБ с частотой 10 Гц производится после­довательное подключение сигналов датчиков УКБ ко входу АЦП ЦБ, который преобразует их в двоичный цифровой код, причем каждое пре­образование сопровождается сигналом конца преобразования, служащим интерфейсу командой для ввода информации в ПЭВМ. Так как время преобразования АЦП достаточно мало (около 30 мкс.) по сравнению с периодом опроса датчиков (100 мкс.), то его достаточно для ввода инфор­мации в ПЭВМ со скоростью 1200 бод/сек. После опроса последнего датчика последнего УКБ ЦБ приводится в исходное состояние и ожидает нового сигнала от интерфейса.

Передающая часть интерфейса рассчитана на передачу блока дан­ных, состоящих из двух байт. Размер блока определяется числом бит передаваемой информации. Поскольку АЦП на своем выходе форми­рует десятиразрядный код плюс сигналы конца преобразования и пере­грузки преобразователя, то возникает необходимость передачи в ПЭВМ 12-битной информации, то есть, двух байт.

Интерфейс не рассчитан на одновременную передачу и прием дан- | ных, поэтому он связан с вычислительной машиной только двух­проводной линией связи. Коммутация линии связи на прием или пере­дачу осуществлялась с помощью простого устройства, расположенного у машины и управляемого сигналами, вырабатываемыми ее последова­тельным портом.

Компьютеризированная система регулирования микроклимата, ис­пользующая принцип обратной связи, работает следующим образом. Осенью, перед установкой в зимовник, семьи разбиваются на однород­ные по состоянию или породной принадлежности группы. В каждой группе выбирается семья, наиболее типичная по всем основным пока­зателям (количеству пчел, корму, возрасту и происхождению маток). В дальнейшем, после установки пчел в зимовник, на эти семьи поверх холстиков устанавливают специальные, пирамидальной формы, устрой­ства контроля за физиологическим состоянием пчел, в которых разме­щены датчики блоков УКБ. Поскольку в испытываемой системе насчи­тывается 5 УКБ, а в зимовнике пять зон с регулируемым микроклима­том, то и число помещаемых в него групп не может превышать этого числа. Данные об этих семьях с помощью описанной выше системы передаются на удаленную ПЭВМ, расположенную в помещении у пче­ловода, и он может контролировать состояние этих семей.

Поскольку в качестве контрольных выбираются наиболее типич­ные для каждой конкретной группы пчел семьи, то по их состоянию можно с определенной степенью вероятности судить и о состоянии всех остальных семей той же группы. При наличии соответствующей прог­раммы ПЭВМ выдает рекомендации по оптимизации микроклимата для конкретной группы пчелиных семей и при согласии пчеловода передает в блок регулирования параметров микроклимата необходимые команды для его корректировки. Если на ПЭВМ есть устройство автономного пуска, программа может отрабатываться и без участия пчеловода, в авто­номном режиме.

Оценка состояния подконтрольных семей осуществляется по следу­ющим показателям: уровню тепловыделения, уровню акустической ак­тивности пчел и их распределению внутри гнезда. Контроль за относи­тельным уровнем тепловыделения пчел осуществляется с помощью диф­ференциального датчика, закрепленного в верхней, наиболее узкой части пирамиды, причем один из чувствительных элементов датчика находится внутри нее, а другой снаружи. Весь теплый воздух, нагреваемый пчела­ми над холстиком, проходит мимо него. Таким образом дифферен­циальный датчик регистрирует разницу температур нагретого пчелами и наружного воздуха, которая однозначно связана с уровнем их тепло­выделения. Акустическая активность пчел контролируется с помощью микрофона, укрепленного также в верхней части пирамиды. Для более объективной оценки уровня дискретных шумов, производимых семьей, сигнал с микрофона после усиления подвергается интегрированию (суммированию и взвешиванию) в течение 60 сек. Распределение пчел в гнезде (положение клуба) контролируется с помощью 14 термо­датчиков, закрепленных на специальной сетке в нижней части пирамиды, расположенной непосредственно над холстиком.

Для повышения надежности в работе система имеет защитную автоматику, обеспечивающую функционирование при отказе ее отдель­ных компонентов, а также между сеансами связи с управляющей ПЭВМ. Блок контроля физиологического состояния и ПЭВМ могут быть вре­менно выключены без создания аварийной ситуации для зимующих пчелиных семей. Даже при отключении блока регулирования микро­климата можно поддерживать в определенных пределах температуру и влажность в зимовнике вручную, регулируя степень открытия воздуш­ных заслонок с пульта управления, имеющегося в блоке защитной авто­матики. Это важно при отладке системы.

к оглавлению