Влияние теплового гистерезиса инкубатора на эксплуатационный ресурс электромагнитного реле управления ТЭН

Введение.

Общеизвестно, что, как прочность цепи определяется наиболее слабым из ее звеньев, так и надёжность механизма в целом определяется надежностьюего отдельных компонентов. Данное правило, предложенное русским ученым А. А. Богдановым (1873-1978), в полной мере применимо и к инкубаторам, у которых нарушение функционирования любого из компонентов,с высокой долей вероятности, приводит к гибели зародышей в инкубируемых яйцах.

Одним из наиболее ответственных и, вместе с тем, подверженных повышенному риску выхода из строя компонентов инкубатора, являются электромагнитные реле, управляющие питанием ТЭН и обеспечивающие поддержание требуемой температуры воздуха [1]. Сваривание или плохой контакт реле, отвечающих за работу нагревательного элемента, неминуемо приводит к созданию в камере температурного режима, несовместимого с жизнью зародышей [2]. Несмотря на то, что большинство инкубаторов снабжены системами аварийного отключения и сигнализации, основной их функцией является предотвращение возгораний и физического повреждения самой машины.

Электромагнитные реле, как и любой механизм, имеющий подвижные части, подвержены износу. Производитель информирует пользователя в сопроводительной документации о ресурсе работы реле, который составляет в среднем 1х105 для электрической и 1х107 для механической частей реле. Учитывая, что бытовые, фермерские и лабораторные инкубаторы для яиц птиц имеют малые теплоемкость и объем, а производители стараются обеспечить наиболее точное поддержание температуры воздуха в камере инкубатора, срок эксплуатации реле является достаточно коротким. Так при включении нагревательного элемента 1 раз в минуту, гарантированный срок службы электрической части реле ограничивается 70 сутками непрерывной работы.

Немаловажным является тот факт, что в ряде инкубаторов электромагнитные реле не имеют соединительных колодок и закрепляются методом пайки непосредственно к плате управляющего блока. Как следствие, поломка реле приводит к дорогостоящему ремонту инкубатора, а в некоторых случаях к его замене, что в условиях интенсивного производства влечет сбои в технологических цепочках [3]. Поиск компромисса между соблюдением зоотехнических требований искусственной инкубации и повышением ресурса оборудования определил цель исследования – разработать рекомендации по настройке температурного режима, позволяющие повысить ресурс электромагнитных реле, управляющих ТЭН инкубатора.

Материалы и методы.

Исследование проводилось на базе инкубатория отдела орнитологии Московского зоопарка в 2022 году. Экспериментальная часть исследования представлена восемью опытами. В семи опытах определяли зависимость частоты включений электромагнитных реле от предустановленных значений температуры. Один опыт направлен на определениевлияния тепловой инерции на колебания температуры массогабаритной модели яйца.

В эксперименте использовали инкубаторы «Grumbach», оснащенные современными блоками управления Lilytech ZL-7928A производства КНР.

Мониторинг температурных режимов осуществляли c использованием USB термометра многоканального RODOS-5Z и датчиков температуры DS18B20.

Обработку данных осуществляли в программе MSExcel.

Результаты.

Интенсивность работы реле управления ТЭН инкубатора обусловлена характеристикой температурного режима инкубации. Вместе с тем, смысл понятия «температурный режим инкубации» с точек зрения электротехнологии и зоотехнии различен. С позиции зоотехнии важным является поддержание определенной температуры эмбриона, которая находится в прямой зависимости от температуры воздуха в камере инкубатора, и, вместе с тем, может от нее отличаться [4,5].К кругу вопросов электротехнологии относится точность поддержания,предустановленного пользователем значения температуры воздуха в камере инкубатора, вне зависимости от температуры яиц [6].

Учитывая, что яйца птиц имеют значительно большую, чем воздух теплоемкость, амплитуда колебаний температуры их содержимого значительно меньше амплитуды колебаний температуры воздуха в камере инкубатора, и, как следствие, при сохранении параметров температурного режима, необходимого для получения высоких показателей выводимости, интенсивность работы электромагнитного реле ТЭН инкубатора может быть снижена.

Отдельно следует отметить, что высокая стабильность температур в камере инкубатора противоречит условиям естественной инкубации и может оказывать негативное воздействие на развитие эмбрионов [7].

Для определения зависимости интенсивности работы электромагнитного реле от предустановленного режима инкубации провели 7 опытов, результаты которых представлены в таблице 1.

Таблица 1.   - Характеристики работы инкубатора в зависимости от предустановленного температурного режима

Показатель	Значения
Предустановленный режим контроллера,	37,7 37,8	37,6 37,9	37,538,0	37,4 38,1	37,3 38,2	37,1 38,4	37,0 38,5
Максимальное значение температуры воздуха, 0 С	37,9	38,2	38,4	38,5	38,8	38,9	39,1
Минимальное значение температуры воздуха, 0 С	37,6	37,5	37,5	37,2	37,1	36,9	36,8
Среднее значение температуры воздуха, 0 С	37,8±0, 01	37,9±0,0 1	37,9±0,0 2	37,9±0,0 3	38,0±0,03	37,9±0,04	38,0±0,05
Предустановленная амплитуда колебаний температуры воздуха, 0 С	0,1	0,3	0,5	0,7	0,9	1,3	1,5
Истинная амплитуда колебаний температуры воздуха, 0 С	0,3	0,7	0,9	1,3	1,7	2,0	2,3
Отклонение средней температуры воздуха от контроля, 0 С	-	0,1	0,1	0,1	0,2	0,1	0,2
Интервал между включениями реле, сек	370	470	620	840	850	1010	1150

Можно отметить, что при настройке контроллера инкубатора на температурный диапазон 37,7-37,8ºС, истинный температурный гистерезис составляет 0,3ºС (рис. 1).Увеличение гистерезиса обусловлено инертностью датчика температуры и ТЭН [8].

38,1

333777,,,789

37,6

0         500       1000       1500       2000       2500

Время, сек

Рисунок 1 - Термограмма воздуха в камере инкубатора при предустановленном режиме 37,7-37,8ºС

Расширение диапазона предустановленного температурного режима влечет нелинейное увеличение теплового гистерезиса в камере инкубатора, а также увеличивает интервал включения ТЭН(рис. 2 и 3).

38,6

38,4

38,2

OJ с 5 OJ

37,8

37,6

37,4

Время, сек

Рисунок 2 - Термограмма воздуха в камере инкубатора при предустановленном режиме 37,5-38,0ºС

Рисунок 3 - Термограмма воздуха в камере инкубатора при предустановленном режиме 37,0-

38,5ºС

Несмотря на значительную амплитуду колебаний, среднее значение температуры воздуха в камере инкубатора остается стабильным.

В опыте по определению диапазона колебаний температуры массогабаритной модели яйца было установлено, что при сохранении стабильной средней температуры воздуха в камере инкубатора, колебания мгновенного значения температуры не оказывают существенного воздействия на мгновенную температуру массогабаритной модели. Результаты опыта при предустановленном температурном режиме инкубатора 37,3-38,2ºС представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Сравнительные данные о температуре воздуха и массогабаритной модели яйца

Показатель	Воздух	Массогабаритная модель
Средняя температура, ºС	38,05±0,005	38,05±0,030
Максимальная температура, ºС	38,81	38,14
Минимальная температура, ºС	37,25	37,89
Диапазон температур, ºС	1,56	0,25

При диапазоне колебаний температуры воздуха в 1,56 ºС, диапазон температур массогабаритной модели не превысил 0,25 ºС (рис. 4).

0          500         1000        1500        2000        2500

Время, сек

Массогабаритная модель         Воздух

Рисунок 4 - Термограмма воздуха и массогабаритной модели яйца при предустановленном режиме 37,3-38,2ºС

Представленные выше материалы демонстрируют наличие потенциальной возможности снижения частоты включений электромагнитных реле ТЭН инкубаторов за счет расширения диапазона температурной настройки без негативных последствий для температурного режима искусственной инкубации яиц птиц. В зависимости от предустановленных значений температуры ресурс электромагнитных реле изменяется в широком диапазоне (табл. 3).

Таблица 3 - Зависимость ресурса реле от предустановленного температурного режима инкубатора

Показатель	Значения
Предустановленный режим контроллера, 0 С	37,7 37,8	37,6 37,9	37,538,0	37,4 38,1	37,3 38,2	37,1 38,4	37,0 38,5
Срок службы реле при непрерывной эксплуатации, лет	1,2	1,5	2,0	2,7	3,0	3,2	3,6