Обзор факторов, ограничивающих точность температурной настройки инкубаторов для яиц птиц

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обзор факторов, ограничивающих точность температурной настройки инкубаторов для яиц птиц

А.Н. Судаков, Е.А. Андрианов, А.А. Андрианов

Актуальность. Температура воздуха в камере инкубатора - основной фактор, влияющий на температуру эмбриона в яйце, от которой зависят выводимость яиц и качество полученного молодняка. Современные исследования температурного режима инкубации яиц птиц демонстрируют отклонения в развитии эмбрионов при изменении средней температуры эмбриона на 0,1 0 С. Вместе с тем поддержание температуры воздуха с точностью 0,1 0 С в течение всего периода инкубации и по всему объему камеры инкубатора является технически сложной задачей. Объект. Объектом исследований является температурный режим воздуха в камере инкубаторов для яиц птиц. Материалы и методы. Исследования проводились на кафедре технологического оборудования, процессов перерабатывающих производств, механизации сельского хозяйства и безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет им. императора Петра I». Термометрию осуществляли промышленными поверенными и собственной разработки измерительными приборами. Результаты и выводы. Наиболее распространенные термодатчики резистивного типа обеспечивают погрешность от 1 % до 10 %, что в температурном эквиваленте составляет от 0,33,0 0С. На точность калибровки термодатчика инкубатора влияет погрешность калибровочного термометра. Использование позиционных терморегуляторов предполагает наличие гистерезиса, который не может быть менее 0,1 0С для абсолютного большинства моделей инкубаторов. Терморегуляторы на ПИД-регуляторах обеспечивают высокую точность температуры после периода самонастройки, в процессе которой колебания температуры составляют до 1,0 оС. Нерегистрируемые и нерегулируемые колебания температуры, обусловленные тепловой инерцией термодатчика и нагревательного элемента, составляют до 2,0 0 С. Применение режима проветривания, а также периодические открывания дверей инкубатора приводят к снижению средней температуры инкубации. Выбор места размещения контрольных термометров и термодатчиков инкубатора вызывает расхождение в показателях до 0,5 0С. Бытовые инкубаторы не имеют технических возможностей для соблюдения современных режимов инкубации. Контроль истинной температуры воздуха в камере инкубатора требует применения многоканальных самописцев-регистраторов температуры. Применение ПИД- регуляторов нецелесообразно при использовании режимов инкубации, предполагающих частые проветривания. Массивные нагревательные элементы повышают риск перегрева. Выбор места установки термодатчика и характеристики теплопроводности его защитного покрытия оказывают значительное влияние на температурный режим искусственной инкубации яиц птиц.

Ключевые слова: инкубаторы для яиц птиц, искусственная инкубация яиц, температурные режимы инкубаторов.

Abstract

OVERVIEW OF FACTORS LIMITING THE ACCURACY OF THE TEMPERATURE SETTINGS OF INCUBATORS FOR BIRD EGGS

A.N. Sudakov1, E.A. Andrianov2, A.A. Andrianov2

Introduction. The air temperature in the incubator chamber is the main factor affecting the hatchability of eggs and the quality of the resulting young. Modern studies of the influence of the incubation temperature regime demonstrate developmental deviations with a change in the average temperature of the bird embryo by 0.1 0 C. At the same time, maintaining the air temperature throughout the incubation period and throughout the entire volume of the incubator chamber with an accuracy of 0.1 0 C is a technically difficult task. Object. The object of research is the temperature regime of the air in the incubator chamber for bird eggs. Materials and methods. The research was conducted at the department «Technological Equipment, Processing Plants' Processes, Agricultural Engineering, Health and Safety» of the Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter I. Thermometry was carried out by industrial attorneys and self-developed measuring instruments. Results and conclusion. The most common thermal sensors of the resistive type provide an error of 1% to 10%, which in temperature equivalent ranges from 0.3-3.0 0 C. The accuracy of calibration of the incubator temperature sensor is affected by the error of the calibration thermometer. The use of positional thermoregulators presupposes the presence of hysteresis, which cannot be less than 0.10C for the absolute majority of models. Thermoregulators on Proportional-integral-derivative regulators provide high temperature accuracy after a period of self-adjustment, during which temperature fluctuations are up to 0.1 0 C. Unregistered and unregulated temperature fluctuations due to the thermal inertia of the thermal sensor and the heating element are up to 2,0 0 С. The use of the ventilation mode, as well as the periodic opening of the incubator doors, lead to a decrease in the average incubation temperature. The choice of the location of the control thermometers and temperature sensors of the incubator causes a discrepancy in indicators up to 0,5 0 С. Household incubators do not have the technical capabilities to comply with the recommended incubation modes. Monitoring of the true air temperature in the incubator chamber requires the use of multi-channel temperature recorders. The use of Proportional-integral-derivative regulators is impractical when using incubation modes involving frequent airing. Massive heating elements increase the risk of overheating. The choice of the installation location of the thermal sensor and the characteristics of its thermal conductivity have a significant impact on the temperature regime of artificial incubation of bird eggs.

Key words: incubator for bird eggs, temperature.

Введение

температура инкубатор птица

Решающее значение при искусственной инкубации яиц птиц имеет температура эмбриона, которая может существенно отличаться от температуры воздуха в камере инкубатора [1, 8, 9, 11]. Принимая за критерий оценки качества искусственной инкубации показатели выводимости и качества молодняка, экспериментально была установлена оптимальная температура эмбрионов кур в процессе искусственной инкубации, которая составила 37,8 0С [10]. Учитывая, что строение яйца птиц исключает возможность неинвазивного измерения температуры эмбриона, в промышленном птицеводстве в качестве метода термометрии принято использовать контактное измерение температуры скорлупы в экваториальной зоне малого радиуса яйца. Настройка температурных режимов инкубаторов осуществляется таким образом, чтобы обеспечить необходимую температуру эмбрионов [2, 6, 7, 12].

Вместе с тем до настоящего времени ряд публикаций результатов научных исследований температурных режимов искусственной инкубации содержит информацию, касающуюся исключительно температуры воздуха в камере инкубатора, что в значительной степени снижает их информативность.

Вероятно, отсутствие информации в публикуемых исследованиях об истинной температуре эмбриона обусловлено объективными трудностями контактной термометрии при применении лабораторных инкубаторов, а именно их малыми размерами. Таким образом, создается ситуация, при которой исследователи проводят корреляционные зависимости между изменениями температуры воздуха в камере инкубатора на десятые доли градуса и показателями выводимости. Вместе с тем, изменения температурного режима воздуха в камере инкубатора представляют собой сложный динамический процесс, обусловленный множеством факторов [3].

Многолетний опыт использования различных моделей лабораторных инкубаторов позволяет утверждать, что при реальной инкубации яиц птиц диапазон колебаний температуры воздуха в камере инкубатора имеет значительную амплитуду [4, 5]. Цель исследования - предоставить широкому кругу специалистов по инкубации информацию о факторах, влияющих на достоверность термометрических данных, отображаемых органами контроля лабораторных инкубаторов.

Материалы и методы

Анализ состояния проблемы точности определения температуры воздуха в камере инкубатора проведен на основе литературных данных и собственных экспериментальных исследований.

Исследования проводились на кафедре технологического оборудования, процессов перерабатывающих производств, механизации сельского хозяйства и безопасности жизнедеятельности Воронежского ГАУ в период с 2018 по 2022 год.

Использовались различные модели инкубаторов емкостью от 15 до 1000 куриных яиц, оснащенных позиционными терморегуляторами и ПИД-регуляторами.

Термометрию осуществляли следующими приборами: термометры медицинские максимальные стеклянные, термологгер CEM DT-171, термограф собственной разработки на базе вольтметра самопишущего S-Recorder-E.

Обработку полученных данных осуществляли с использованием MS Excel.

Результаты и обсуждение

В современных цифровых инкубаторах поддержание предустановленного температурного режима осуществляется микроконтроллером, и пользователь наблюдает на экране блока управления данные о температуре, полученные путем математической обработки сигнала электронного датчика. Наличие сложных электронных компонентов в блоке управления инкубатором обусловливает повышенный риск возникновения ошибки при определении и регулировке температуры; по этой причине производители инкубаторов рекомендуют периодически осуществлять температурную калибровку инкубатора заведомо точными термометрами. Вместе с тем вне зависимости от типа и качества применяемых при калибровке термометров существуют факторы, не позволяющие повысить точность поддержания температуры воздуха в камере выше определенных значений.

Технические характеристики инкубаторов. Большинство представленных на рынке инкубаторов, согласно инструкции, обеспечивают точность поддержания температуры от 0,1 до 0,2 0С. Однако в ряде случаев, основанием для указания данной информации являются технические характеристики применяемого в конкретной модели терморегулятора, а именно его разрешающая способность, которая, как правило, составляет 0,10 0С, вместе с тем значительно более важным параметром является погрешность (точность измерений) терморегулятора, зависящая от типа термодатчика и алгоритма математической обработки сигнала. Наиболее распространенные термодатчики резистивного типа обеспечивают погрешность от 1 % до 10 %, что в температурном эквиваленте составляет от 0,3-3,0 0С.

Калибровка. Калибровка позволяет снизить влияние погрешности до значений, соответствующих разрешающей способности терморегулятора. Вместе с тем калибровочные термометры сами имеют допустимую погрешность, которая суммируется с разрешающей способностью терморегулятора. В качестве доступного средства калибровки производители рекомендуют использовать медицинский термометр. Как следует из ГОСТ 31516-2012 «Термометры медицинские максимальные стеклянные», пределы допускаемой абсолютной погрешности термометра - от плюс 0,1 °С до минус 0,15 °С. Следовательно, накопленная ошибка может составить 0,25 °С.

Гистерезис. На настоящее время в инкубаторах применяют два типа терморегуляторов: позиционные и PID-регуляторы. Позиционные регуляторы имеют два положения для управления одним или несколькими нагревательными элементами инкубатора: включен и выключен. Применение нескольких нагревательных элементов в позиционном терморегуляторе позволяет осуществлять плавное изменение температуры. Общей чертой позиционных регуляторов является наличие гистерезиса - диапазона температур при работе инкубатора. Для большинства инкубаторов минимальный гистерезис равен разрешающей способности и составляет 0,1 °С, однако столь узкий диапазон вызывает повышенный износ управляющих реле и нагревательных элементов, что вынуждает устанавливать значение гистерезиса не менее 0,5 °С.

Рисунок 1 - Колебания температуры воздуха в камере инкубатора с предустановленным гистерезисом 0,5 °С

В случае, представленном на графике (рисунок 1), диапазон колебаний составляет 0,8 °С.

Применение в инкубаторах пропорционально-интегрально-дифференциальных (ПИД-регуляторов) было обусловлено способностью подобных регуляторов поддерживать точную температуру без гистерезиса. Принцип действия ПИД-регуляторов температуры основан на плавном изменении мощности нагревательных элементов. Однако алгоритм работы ПИД-регуляторов предполагает определенное время для установления стабильного режима.

Рисунок 2 - Колебания температуры при использовании ПИД-регулятора

В представленном случае (рисунок 2) ПИД-регулятору потребовалось 53 минуты для стабилизации температуры. Следует отметить, что в течение 28 минут диапазон колебаний температуры составлял более 1,0 ° С. Подстройка ПИД-регулятора с различным диапазоном колебаний происходит при каждом температурном воздействии на инкубатор (изменение температуры в помещении, открывание дверки, отключение электропитания). Диапазон колебаний ПИД-регулятора на этапе подстройки может значительно превышать гистерезис позиционных терморегуляторов. С учетом широкого распространения термоконтрастных режимов инкубации, предполагающих регулярное проветривание инкубатора, значительную часть времени температура в инкубаторе, оснащенном ПИД-регулятором, будет варьировать в широком диапазоне.

Инерция термодатчика. В стремлении предотвратить повреждения термодатчика в процессе эксплуатации производители инкубаторов используют термодатчики в защитном корпусе, однако наличие дополнительной массы вокруг датчика вызывает значительное отклонение регистрируемой им температуры от истинной температуры в камере инкубатора.

Инерция термодатчика вызывает задержки в переключении нагревательного элемента и, как следствие, колебания температуры в камере инкубатора в диапазоне значений, превышающем отображаемые на экране терморегулятора данные. В случае, представленном на (рисунок 3), датчик 1 в защитном корпусе демонстрирует колебания температуры около 0,1 °С, тогда как истинный диапазон колебаний температуры воздуха в инкубаторе, регистрируемом незащищенным датчиком 2, составил около 2,0 ° С.

Рисунок 3 - Сравнение показаний открытого и защищенного термодатчиков

Следует отметить, что применение массивного корпуса на контрольном термометре в некоторых случаях может применяться с целью определения средних значений.

Инерция нагревательного элемента. Данное свойство в большей степени проявляется при использовании позиционных терморегуляторов. В процессе работы нагревательный элемент может разогреваться до высоких температур, значительно превышающих температуру воздуха в камере инкубатора, как следствие, после отключения подачи энергии требуется некоторое время для охлаждения нагревательного элемента. В этот период температура воздуха в камере инкубатора продолжает расти.

Рисунок 4 - Показания температур нагревательного элемента и воздуха в инкубаторе

Масштаб эффекта обусловлен массой и мощностью нагревательного элемента и в отсутствие системы принудительного охлаждения, значения температур в этот период времени могут достигать значений, значительно превышающих допустимые температуры инкубации. В представленном на рисунке 4 случае продолжительность охлаждения нагревательного элемента составила более 300 секунд, из которых более 30 секунд воздух в камере инкубатора продолжал нагреваться, и его температура превысила предустановленные значения.

Режим проветривания и открывание двери инкубатора. Инкубатор не является изолированным от внешней атмосферы устройством. Процесс искусственной инкубации яиц птиц предполагает периодический доступ в камеру инкубатора для проведения процедур биологического контроля инкубации, существует ряд режимов инкубации, предполагающих регулярные проветривания, лабораторные исследования предполагают регулярные манипуляции с изъятием яиц из инкубатора. Каждое открытие дверки инкубатора или включение системы вентиляции приводит к резкому изменению температуры воздуха в инкубаторе и, как следствие, к изменению средней температуры инкубации.

Рисунок 5 - График изменения температуры в следствие открытия дверцы инкубатора

После прекращения доступа больших объемов воздуха, вызванных включением системы вентиляции или открытием дверцы инкубатора, восстановление установленных значений температуры занимает определенное время, в которое температура воздуха в камере инкубатора понижена. На примере графика (рисунок 5) наглядно видно, что открытая на 7,5 минуты дверца инкубатора вызвала суммарное отклонение в температурном режиме инкубации более чем на 20 минут. Около 15 минут потребовалось на восстановление температуры до предустановленных значений.

В зависимости от кратности и продолжительности вентиляции или открытия дверцы инкубатора, изменение средней температуры инкубации может варьировать в широком диапазоне (таблица 1).

Таблица 1 - Изменение средней температуры инкубации, в зависимости
от кратности и длительности включения вентиляции (контроллер инкубатора установлен на поддержание температуры 37,8 0С)

Изменение средней температуры вызывает изменение суммы эффективных температур инкубации, которая является одной из важнейших составляющих температурного режима инкубации и оказывает непосредственное влияние на показатели развития эмбрионов, срок инкубации, выводимость и качество молодняка.

Место установки термодатчика. Общеизвестно, что температура воздуха в камере инкубатора неоднородна. Существуют холодные и теплые зоны. У лучших инкубаторов показатель разности температур в различных зонах камеры может составлять 0,10С, у простых моделей разность может превышать 1,0 0 С.

Рисунок 6 - Термограммы различных зон инкубатора

На графике (рисунок 6) представлены данные о значениях температуры воздуха в камере одного из инкубаторов российского производства. Датчик 1 был установлен в зоне лотка, максимально приближенного к нагревательному элементу, датчик 2 располагали в центре камеры инкубатора, датчик 3 был закреплен у смотрового стекла, в зоне, где обыкновенно размещают контрольный термометр. Несмотря на то, что смотровое окно выполнено из двухслойного стеклопакета, разность температур датчиков 2 и 3 составила 0,5 0С.

Выводы

Использование распространенных моделей бытовых инкубаторов исключает техническую возможность соблюдения температурных режимов инкубации, предполагающих поддержание температуры воздуха в камере инкубатора с точностью выше 0,25 0С. Для получения данных об истинной температуре воздуха в камере инкубатора целесообразно применять многоканальные самописцы с частотой опроса не менее 1 раза в секунду, на основе термодатчиков без защитных корпусов, размещенных в нескольких зонах камеры инкубатора. Применение режимов инкубации, предполагающих регулярные проветривания, охлаждения или доступ в камеру инкубатора, лимитирует использование ПИД-регуляторов температуры. Применение массивных нагревательных элементов повышает риск нагрева воздуха в камере инкубатора выше предустановленных значений. При установке как управляющего термодатчика, так и контрольных термометров следует особое внимание уделять месту их размещения.

Библиографический список

1. Влияние краткосрочных охлаждений яйца в процессе инкубации на динамику изменений температуры эмбриона птиц / Е. А. Андрианов, А. Н. Судаков, Н. Я. Скользнев, П. И. Дудин // Ветеринария, зоотехния и биотехнология. 2019. № 1. С. 106-114.

2. Джамил Х. Т., Щербатов В. И. Разработка инновационного способа биологического контроля яиц сельскохозяйственной птицы при инкубации // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2020. № 82. С. 138-142.

3. О тенденциях инкубаторостроения и отечественных инкубаторах / А. Н. Воронцов, Д. Ю. Босов, Л. Ф. Дядичкина, Ю. С. Голдин, А. В. Скляр // Птица и птицепродукты. 2016. № 2. С. 61-64.

4. Судаков А. Н., Андрианов Е. А., Скользнев Н. Я. Универсальный температурный режим инкубации яиц мясных кроссов кур для приусадебного и фермерского птицеводства // Птицеводство. 2020. № 7-8. С. 51-57.

5. Судаков А. Н., Андрианов Е. А., Андрианов А. А. Обоснование параметров термоконтрастного режима инкубации яиц сельскохозяйственной птицы и конструктивнотехнологическая схема его реализации // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2020. Т. 13. № 2(65). С. 65-76.

6. Cobb Hatchery Management Guide. https://www.cobb-vantress.com/assets/Cobb- Files/6427713bdc/Hatchery-Guide-Layout-R4-min.pdf.

7. Effect of high eggshell temperature during the early period of incubation on hatchability, hatch time, residual yolk and first-week broiler performance / K. O. Av§ar, A. U?ar, S. Ozlu, O. Elibol // Journal of Applied Poultry Research. 2021. V. 31. No 100197. P. 1-10.

8. Influence of Egg Shell Embryonic Incubation Temperature and Broiler Breeder Flock Age on Posthatch Growth Performance and Carcass Characteristics / R. Hulet, G. Gladys, D. Hill, R. Mei- jerhof, T. El-Shiekh // Poultry Science. 2007. V. 86 P. 408-412.

9. Janke O., Tzschentke B., Boerjan M. Comparative investigations of heat production and body temperature in embryos of modern chicken breeds // Avian and poultry biology reviews. 2004. V. 15 P. 191-196.

10. Joseph N., Lourens A., Moran E. The effects of suboptimal eggshell temperature during incubation on broiler chick quality, live performance, and further processing yield // Poultry Science. 2006. № 85. P. 932-938.

11. Nezih O., Sabri E., Eleroglu H. Effects of egg shell temperature and incubator ventilation programme on incubation results of broiler breeders // Turkish Journal of Agriculture - Food Science and Technology. 2018. V. 6 (5). P. 536-542.

12. Sozcu A., Ipek A., van den Brand H. Eggshell temperature during early and late incubation affects embryo and hatchling development in broiler chicks // Poultry Science. 2022.

Размещено на Allbest.ru