CN102261970B - 一种用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法 - Google Patents

Abstract

一种用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法包括：准确称量盛有适量无水乙醇的酒精灯，放置于待测呼吸测热系统试验舱内并点燃开始系统校正试验，记录起始时间及试验舱内外的温度、湿度和大气压力，待系统运行4个工作循环后熄灭酒精灯结束试验，记录结束时间并称量酒精灯重量，最后据系统采集的气体浓度、空气流量及无水乙醇消耗量、燃烧时间等数据计算二氧化碳和氧气的回收率，进而判定动物呼吸测热系统检测的准确性。本发明采用燃烧无水乙醇模拟动物呼吸试验快速、准确的评定了动物呼吸测热系统检测结果的准确性，为开展系统验证试验提供了重要方法和技术手段。

Description

一种用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法

技术领域

本发明涉及一种检测系统工作性能的检验方法，具体涉及一种用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法。

背景技术

动物能量物质(蛋白质、脂肪、碳水化合物)代谢是动物体内最基本的物质代谢，一直是动物营养与饲料科学重要的基础性研究之一，对于评定饲料总营养(能量)价值、确定畜禽合理的能量需要量、制定饲养标准和饲料科学配制，以及提高饲料转化利用率、改善畜产品质量和生产效率等方面都具有重要的理论依据和现实指导意义。

动物呼吸测热系统可对动物能量物质代谢进行定量评定，可在短时间内实时监测不同环境条件、不同体重动物的耗氧量、二氧化碳产生量、甲烷产生量，再结合消化代谢实验和碳氮平衡实验等进行能量代谢评定；可在较短时间内快速测试出各种饲料的能量物质在动物体内的转化、分配、利用等代谢规律，从而避免了大量屠宰有使用价值的实验动物，减少因批次和头数的实验研究而消耗的大量资金、劳力、物质和设施等。同时，可研究各种动物饲用不同能量饲料，在动物体内沉积的规律；评定各种饲料总净能价值，确定合理的能量需要量，制定饲养标准和饲料学新配制技术，起着十分重要的作用。

动物呼吸测热系统检测的准确性对动物能量代谢准确评定起着决定性作用。目前，影响系统准确性的因素主要有三个，一是实验舱的气密性；二是气体分析仪的准确性；三是气体流量计的准确性。上述三个因素可分别通过气体保压试验、标准气体检验及流量计的校准加以实现，但试验内容多，步骤繁锁，且不能体现呼吸测热系统的整体工作性能，难以快速、准确的评定该系统检测结果的准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了减少系统准确性试验步骤，满足呼吸测热系统准确性检验整体性，本发明提供一种用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，能够快速、准确的评定该系统检测结果的准确性。

本发明的技术解决方案：一种用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，实现步骤如下：

(1)准确称量盛有无水乙醇的酒精灯；

(2)将已知重量的酒精灯放置于待测呼吸测热系统的每个试验舱内并点燃，然后开始校正试验；

(3)记录试验开始时间及待测呼吸测热系统试验舱内外温度、排出试验舱的湿度和试验时的大气压力；所述试验开始时间为每个舱的开始点燃时间；记录每一次试验工作循环试验舱内外的温度、湿度和大气压力；

(4)待测呼吸测热系统运行4个工作循环后熄灭酒精灯结束试验；所述工作循环是指试验过程中，每一轮气体检测内容包括1个试验舱外气体浓度及依次检测待测呼吸测热系统中所有试验舱内的气体浓度，随后依此次序进行周而复始的检测过程；

(5)记录试验结束时间并称量酒精灯重量；

(6)根据待测呼吸测热系统采集的气体浓度、空气流量及无水乙醇消耗量、燃烧时间，利用公式(1)、(2)分别计算二氧化碳回收率RCO₂和氧气的回收率RO₂，从而判定动物呼吸测热系统检测的准确性；

${\mathrm{RO}}_2=\frac{{\mathrm{VO}}_2\·T}{{\mathrm{PVO}}_2}\×100---\left(1\right)$

${\mathrm{RCO}}_2=\frac{\mathrm{VC}{O}_2\·T}{{\mathrm{PVCO}}_2}\×100---\left(2\right)$

其中：

VO₂＝IFR_STPD·IO₂+100-EFR_STPD·EO₂+100

${\mathrm{PVO}}_2=\frac{\mathrm{COH}}{46.0694}\×22.414\×3$

VCO₂＝EFR_STPD·ECO₂+100-IF_RSTPD·ICO₂+100

${\mathrm{PCVO}}_2=\frac{\mathrm{COH}}{46.0694}\×22.414\×2$

${\mathrm{IFR}}_{\mathrm{STPD}}={\mathrm{EFR}}_{\mathrm{STPD}}\·\frac{{\mathrm{EN}}_2}{{\mathrm{IN}}_2}$

${\mathrm{EFR}}_{\mathrm{STPD}}=\frac{\mathrm{EPR}\×(\mathrm{BP}-\mathrm{ERH}\×{\mathrm{Ee}}_s)}{760}\·\frac{273.16}{\mathrm{EDB}+273.16}$

IN₂＝100-IO₂-ICO₂

EN₂＝100-EO₂-ECO₂

其中，

所述判定动物呼吸测热系统检测准确性的标准是氧气回收率RO₂和二氧化碳回收率RCO₂为100％±2.0％，即在98.0％～102.0％之间判定所述呼吸测热系统检测结果准确可靠。

在进行试验之前要求将呼吸测热系统开机预热30min以上，并对其工作性能包括温度控制、湿度控制、仪器仪表和气路进行检查，使其处于正常工作状态；所述仪器仪表包括二氧化碳分析仪、氧气气体分析仪和空气流量计。

在进行所述步骤(1)之前应用标准气体对待测呼吸测热系统中二氧化碳分析仪和氧气气体分析仪进行校正。

所述步骤(1)中的无水乙醇为优级纯无水乙醇，浓度达99.8％以上。

所述步骤(1)中，采用天平称量盛有无水乙醇的酒精灯，所述天平量程范围为1kg，精度达0.01g，且带RS232接口。

所述步骤(1)中称量酒精灯所用的天平要求通过RS-232数据接口与电脑数据采集系统连接实时监测酒精灯重量的变化。

所述步骤(1)中，在酒精灯中加入无水乙醇达其2/3处。

所述步骤(2)中每个待测试验舱内应至少放入4个酒精灯，4个酒精灯的位置分别布于试验舱对角线上距顶角的1/3处，并将每个酒精灯放置于RS-232接口的天平上。

所述步骤(2)开始校正试验是在所有待测舱内均按要求布好酒精灯后，逐舱点燃酒精灯。

所述步骤(5)记录试验结束时间和称量酒精灯重量应按试验舱号与所述步骤(1)、(3)中的起始数据一一对应。

所述步骤(6)公式(8)提供了非标准状态下气体流量转化为标准状态气体流量的计算方法，如果动物呼吸测热系统空气流量计给出的值不是标准状态下气体流量可用此计算公式进行转换。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用燃烧无水乙醇模拟动物呼吸试验来检验气密性和气体分析仪的准确性是一种较理想的方法，其原理是通过计算无水乙醇燃烧后在理论和呼吸系统检测实际所产生CO₂量和耗O₂量的回收率；

(2)本发明采用了带RS-232接口电子天平与电脑数据采集系统连接实时监测酒精灯重量的变化，减少了无水乙醇挥发和称量产生的误差；

(3)本发明全面系统的给出了氧化和二氧化碳回收率的计算方法，特别是考虑了在非标准状态下气体流量转化为标准状态气体流量的计算方法；

(4)本发明通过试验并确定了呼吸测热系统检测性能准确性的判定标准是氧气回收率和二氧化碳回收率为100％±2.0％。

附图说明

图1为动物呼吸测热系统结构示意图，其中：1.试验舱A温、湿度控制装置2.试验舱B温、湿度控制装置3.试验舱C温、湿度控制装置4.试验舱D温、湿度控制装置5.试验舱A6.试验舱B 7.试验舱C 8.试验舱D 9-12.排气过滤器13.气体采样管14-19.气路电磁阀20.抽气泵21.空气过滤器22.干燥器23.二氧化碳分析仪24.甲烷分析仪25.氧气分析仪26.中央控制及数据采集系统27-30.空气质量流量计31-34.变频风机35.气样分配器。

图2为本发明的实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，动物呼吸测热系统主要由温、湿度控制系统、4个动物试验舱(5-8)A-D、气体采样系统、气体分析系统和中央控制及数据采集系统组成，其物征在于：温度、湿度控制系统1、2、3、4通过进气管(直径为150mm)与动物试验舱(5、6、7、8)上方连接，；在动物试验舱(5、6、7、8)连接排气管(直径为150mm)，排气管上自上而下安装排气过滤器(9、10、11、12)、空气质量流量计(27、28、29、30)和变频风机(31、32、33、34)；采样系统由采样管、电磁阀(14、15、16、17、18、19)、抽气泵(20)、空气过滤器(21)和气样分配器(35)组成，其位置如图所示，在排气管的空气质量流量计(27、28、29、30)前进入采样，其中气体采样管(13)直接由室外。气体分析系统由二氧化碳分析仪(23)、甲烷分析仪(24)和氧气分析仪(25)及干燥器(22)组成，气体分析仪(23、24、25)分别从气样分配器(35)连接；中央控制及数据采集系统(26)通过信号线与温、湿度控制系统(1、2、3、4)、电磁阀(14、15、16、17、18、19)、抽气泵(20)、空气质量流量计(27、28、29、30)和变频风机(31、32、33、34)相连，同时气体分析仪(23、24、25)数据线直接与中央控制及数据采集系统(26)相连接。其工作过程为：由中央控制及数据采集系统(26)进行系统控制，由于变频风机(31、32、33、34)抽气，室外空气从温、湿度控制系统(1、2、3、4)上端进气管进入，经温、湿度调控后进入动物试验舱(5、6、7、8)，随后同动物呼出气体一同从排出管经排气过滤器(9、10、11、12)、空气质量流量计(27、28、29、30)排出室外；试验气体由采样系统通过抽气泵(20)的作用，从排气管中进行采样，并送到气样分配器(35)，而后进入气体分析仪(23、24、25)进行分析，分析数据由数据采集系统(26)输出；在采样过程中，由中央控制及数据采集系统(26)控制电磁阀(14、15、16、17、18、19)的开关，以达到采集不同试验舱或室外气体样品的目的。

如图2所示，本发明的具体实现过程如下：

(1)在进行试验之前将动物呼吸测热系统开机预热30min以上，并检查系统的工作性能，内容包括温度控制、湿度控制、仪器仪表和气体采集系统、数据采集系统是否处于正常工作状态；仪器仪表包括二氧化碳分析仪、氧气气体分析仪和空气流量计；

(2)按二氧化碳、氧气气体分析仪仪器操作说明书的操作要求，用标准气体对二氧化碳、氧气气体分析仪进行校正；

(3)将16个带RS-232接口的电子天平(量程范围为1kg，精度达0.01g)分别放入待测试验舱(5、6、7、8)A、B、C、D内，每个试验舱放入4个，其位置分布于试验舱的左上角、右上角、左下角和右下角，具体位置在试验舱对角线上距顶角的1/3处，并与电脑数据采集系统连接以便实时监测酒精灯重量的变化；

(4)将无水乙醇(优级纯，浓度99.8％以上)加入16个酒清灯中，加入量达酒精灯总体积的2/3即可，随后分别放置到试验舱内16个电子天平上，通过电脑数据采集系统记录酒精灯重量；

(5)在4个待测试验舱内均按要求布好酒精灯后开始逐舱点燃酒精灯。开始校正试验，并记录每个舱的开始点燃时间，即为试验开始时间；

(6)如果所用空气质量流量计为非标准状态下的流量时，记录每一次试验工作循环试验舱内外的温度、湿度和大气压力，本试验中空气质量流量计给出了标准状态下的空气流量，因此没有记录相关信息；

(7)待测动物呼吸测热系统运行4个工作循环后熄灭酒精灯结束试验，记录每个舱的试验结束时间(即熄灭该舱第一个酒精灯的时间)，所述工作循环是指试验过程中，每一轮气体检测顺序为1个室外气体浓度-试验舱A舱内气体浓度-试验舱B舱内气体浓度-试验舱C舱内气体浓度-试验舱D舱内气体浓度，随后依此次序进行周而复始的检测过程；

(8)通过电子天平数据采集系统记录试验结束时间时试验舱A、B、C、D内的16个酒精灯各自的重量。在记录过程中，应注意同一酒精灯起止时重量和各舱的起始时间应一一对应，其对应关系如下表：

(9)根据测呼吸测热系统采集的气体浓度、流量及酒精消耗量、燃烧时间计算二氧化碳和氧气的回收率，最后判定动物呼吸测热系统检测的准确性。

计算实例：

(a)实验实际记录数据如下表。

注：(1)IO₂、EO₂、ICO₂、ECO₂为4个工作循环各气体浓度的平均值；(2)COH为各试验舱内4个酒精灯总无水乙醇消耗量；(3)T为各试验舱第一个酒精灯点燃至其熄灭的时间差，即第一个酒精灯持续燃烧的总时间；(4)*本试验采用标准状态的空气质量流量计，因此气体流量不需要进行非标准状态与标准状态的换算。

(b)计算方法及结果：按以上发明内容部分的计算公式进行以下各指标的计算，结果见下表。

项目	空气中	试验舱A	试验舱B	试验舱C	试验舱D	单位
							IFRSTPD	-	69.41	69.38	69.62	69.50	l/min
IN2	79.06	-	-	-	-	％
							EN2	-	79.13	79.13	79.13	79.13	％
EFRSTPD	-	69.35	69.32	69.56	69.44	l/min
							VO2	-	0.2003	0.1897	0.1892	0.1975	l/min
VCO2	-	0.1332	0.1270	0.1253	0.1333	l/min
							PVO2	-	52.9828	48.1662	56.4858	57.2156	l
PVCO2	-	35.3218	32.1108	37.6572	38.1437	l
							RO2	-	101.42	100.82	100.18	99.91	％

RCO2

-

101.18

101.28

99.50

101.17

％

(c)结果判定：

从上述试验结果可见，试验舱A-D的氧气回收率在99.91％-101.42％之间，二氧化碳的回收率在99.50％-101.28之间，该系统4个试验舱检测结果准确可靠。

本发明采用燃烧无水乙醇模拟动物呼吸试验快速、准确的评定了动物呼吸测热系统检测结果的准确性，为开展系统验证试验提供了重要方法和技术手段。

本发明未详细阐述的内容属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.一种用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）准确称量盛有无水乙醇的酒精灯；

（2）将已知重量的酒精灯放置于待测呼吸测热系统的每个试验舱内并点燃，然后开始校正试验；

（3）记录试验开始时间及待测呼吸测热系统试验舱内外温度、排出试验舱的湿度和试验时的大气压力；所述试验开始时间为每个舱的开始点燃时间；记录每一次试验工作循环试验舱内外的温度、湿度和大气压力；

（4）待测呼吸测热系统运行4个工作循环后熄灭酒精灯结束试验；所述工作循环是指试验过程中，每一轮气体检测内容包括1个试验舱外气体浓度及依次检测待测呼吸测热系统中所有试验舱内的气体浓度，随后依此次序进行周而复始的检测过程；

（5）记录试验结束时间并称量酒精灯重量；

（6）根据待测呼吸测热系统采集的气体浓度、空气流量及无水乙醇消耗量、燃烧时间，利用公式（1）、（2）分别计算二氧化碳回收率RCO₂、氧气的回收率RO₂，从而判定动物呼吸测热系统检测的准确性：

${\mathrm{RO}}_2=\frac{{\mathrm{VO}}_2\·T}{{\mathrm{PVO}}_2}\×100---\left(1\right)$

${\mathrm{RCO}}_2=\frac{{\mathrm{VCO}}_2\·T}{{\mathrm{PVCO}}_2}\×100---\left(2\right)$

其中：

VO₂＝IFR_STPD·IO₂÷100-EFR_STPD·EO₂÷100     (3)

${\mathrm{RVO}}_2=\frac{\mathrm{COH}}{46.0694}\×22.414\×3---\left(4\right)$

VCO₂＝EFR_STPD·ECO₂÷100-IFR_STPD·ICO₂÷100  (5)

${\mathrm{RCVO}}_2=\frac{\mathrm{COH}}{46.0694}\×22.414\×2---\left(6\right)$

${\mathrm{IFR}}_{\mathrm{STPD}}={\mathrm{EFR}}_{\mathrm{STPD}}\·\frac{{\mathrm{EN}}_2}{{\mathrm{IN}}_2}---\left(7\right)$

${\mathrm{EFR}}_{\mathrm{STPD}}=\frac{\mathrm{EFR}\×(\mathrm{BP}-\mathrm{ERH}\×{\mathrm{Ee}}_s)}{760}\·\frac{273.16}{\mathrm{EDB}+273.16}---\left(8\right)$

IN₂＝100-IO₂-ICO₂    (9)

EN₂＝100-EO₂-ECO₂    (10)

其中，

EFR_STPD    标准状态下排出的空气流量，单位lmin^-1

IN₂        进入试验舱的氮气含量，%

EN₂        排出试验舱的氮气含量，%

IFR_STPD    标准状态下流入的空气流量，单位lmin^-1

VO₂        氧气消耗量，单位lmin^-1

VCO₂       二氧化碳产生量，单位lmin^-1

PVO₂       理想状态下无水乙醇燃烧消耗的理论氧气的量,单位l

PVCO₂      理想状态下无水乙醇燃烧产生的理论二氧化碳的量,单位l

RO₂        氧气回收率，%

RCO₂       氧化碳回收率，%

IO₂        进入试验舱内氧气浓度，%

EO₂        排出试验舱外氧气浓度，%

ICO₂       进入试验舱内二氧化碳浓度，%

ECO₂       排出试验舱外二氧化碳浓度，%

EFR        非标准状态空气流量，单位lmin^-1

EDB        试验时试验舱外温度，℃

CDB        试验时试验舱内温度，℃

CDP        试验舱内露点温度，℃

BP         试验时的大气压力，mmHg

ERH        排出试验舱的湿度，%

Ee_s        标准饱和蒸气压，与当时试验舱外温度相关，mmHg

COH        无水己醇的消耗量，g

T          试验时间，min

所述判定动物呼吸测热系统检测准确性的标准是氧气回收率RO₂和二氧化碳回收率RCO₂为100%±2.0%，即在98.0%~102.0%之间判定所述呼吸测热系统检测结果准确可靠。

2.根据权利要求1所述的用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于：在进行检测之前要求将呼吸测热系统开机预热30min以上，并对其工作性能包括温度控制、湿度控制、仪器仪表和气路进行检查，使其处于正常工作状态；所述仪器仪表包括二氧化碳分析仪、氧气气体分析仪和空气流量计。

3.根据权利要求2所述的用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于：在进行所述步骤（1）之前应用标准气体对待测呼吸测热系统中二氧化碳分析仪和氧气气体分析仪进行校正。

4.根据权利要求1所述的用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于：所述步骤（1）中的无水乙醇为优级纯无水乙醇，浓度达99.8%以上。

5.根据权利要求1所述的用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于：所述步骤（1）中，采用天平称量盛有无水乙醇的酒精灯，所述天平量程范围为1kg，精度达0.01g，且带RS232接口。

6.根据权利要求1所述的用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于：所述步骤（1）中称量酒精灯所用的天平要求通过RS-232数据接口与电脑数据采集系统连接实时监测酒精灯重量的变化。

7.根据权利要求1所述的用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于：所述步骤（1）中，在酒精灯中加入无水乙醇达其2/3处。

8.根据权利要求1所述的用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于：所述步骤（2）中每个待测试验舱内应至少放入4个酒精灯，4个酒精灯的位置分别布于试验舱对角线上距顶角的1/3处，并将每个酒精灯放置于RS-232接口的天平上。

9.根据权利要求8所述的用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于：所述步骤（2）开始校正试验是在所有待测舱内均按权利要求8的要求布好酒精灯后，逐舱点燃酒精灯。

10.根据权利要求1所述的用于动物呼吸测热系统检测准确性的检验方法，其特征在于：所述步骤（5）记录试验结束时间和称量酒精灯重量应按试验舱号与所述步骤（1）、（3）中的起始数据一一对应。

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