CN104959171B - 一种用于高原医学研究的实验动物低压舱及基于该低压舱的压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高原医学研究的实验动物低压舱及基于该低压舱的压力控制方法，属于医学科研仪器设备技术领域。包括工作舱及设置在工作舱底部的电气舱；工作舱采用全透明设计，有利于满足实验动物照度要求，并且有利于实验人员对实验动物进行实时观测；电气舱内设有伸入工作舱的进气管和排气管，且在进气管路和排气管路上分别设置电控比例阀和膈膜真空泵，电气舱内还设置电气程序控制系统，PLC控制器通过控制电控比例阀的开度和膈膜真空泵的开启来调节补气量和抽气量的动态平衡，能够使海拔高度波动维持在一定的水平。本发明的控制方法采用的气压控制方式独特，波动范围小，精确性高，气体交换次数能够保证。

Description

一种用于高原医学研究的实验动物低压舱及基于该低压舱的 压力控制方法

技术领域

本发明属于医学科研仪器设备技术领域，涉及一种实验动物低压舱，具体涉及一种用于高原医学研究的实验动物低压舱及基于该低压舱的压力控制方法。

背景技术

近年来国内外高原医学研究水平规模在不断扩大，由于现场研究条件受限，因此大多数科研都是在非高原地区的实验室内进行，提供一种能够复制高原疾病的实验动物模型的低压舱，是开展这项研究的必要条件。国内外尚无一种成熟的、产品化的实验动物低压舱，当前该类设备一般是由研究者自行设计制造，存在着不同程度的缺陷。主要体现在以下三个方面：

1、舱体设计方面

现有的实验动物用低压舱一般是以真空干燥箱等改造而成，工作舱呈立方或圆柱型，舱体为钢板、铝合金板等金属材料，舱门留有钢化玻璃制成的观察窗。这种舱体设计难以保证工作舱的采光要求，实验过程中动物处于几乎完全黑暗的环境中，不符合动物福利要求，也影响实验结果的精确性。

2、气压控制方式

目前控制低压舱内气压有两种方式：一是控制真空泵的启停，当舱内气压达到设定压力下限后关闭真空泵，此时因为补气使舱内压力上升，达到上限后启动真空泵，舱内压力开始下降(如实用新型专利“模拟高原训练低压舱”，申请号00214291.0)。二是通过控制补气口的开闭，真空泵连续运转，达压力下限时补气口开放，达上限时补气口关闭(如实用新型专利“一种小型高原环境模拟舱”，申请号201220535929.0)。通过这两种方式，使舱内压力在设定的上下限之间波动。但是，这两种气压控制方式都无法使压力始终维持在设定水平，且波动范围较大，影响实验的精确性。另外，无论真空泵启停还是电磁阀开闭，都不可避免地产生噪音，不利于实验人员健康及动物福利。

3、气体交换次数

《实验动物、环境及设施》国家标准(GB14925-2010)规定，实验动物设备应保证空间的气体交换持续不低于15次/小时，在考虑到能耗的前提下也不能低于10次/小时。当前的实验动物低压舱由于气压控制方式的限制，难以达到国家标准。尤其是舱内压力低时，真空泵吸气量明显下降，换气次数还将进一步减少。这样会造成实验动物处于缺氧状态，还会使舱内二氧化碳、氨、硫化氢等动物排放的气体污染物蓄积，严重影响实验动物的健康，造成实验结果失真。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于高原医学研究的实验动物低压舱及基于该低压舱的压力控制方法，该实验动物低压舱结构简单，设计合理，测试误差小，噪音污染小，能够达到国家标准；该控制方法采用的气压控制方式独特，波动范围小，精确性高，气体交换次数能够保证。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于高原医学研究的实验动物低压舱，包括工作舱及设置在工作舱底部的电气舱；

所述工作舱为透明的舱体，舱体一侧为密封的金属门，另一侧为能够开启的金属舱门；在工作舱的舱体内顶壁上设有温湿度传感器探头，在工作舱的舱体外顶壁上设有压力传感器探头；

所述电气舱包括进气管和排气管，在进气管管路上设有电控比例阀，在排气管管路上设有膈膜真空泵；进气管和排气管均伸入工作舱舱体内，且位于舱体两侧；电气舱外设有对开的舱门，舱门上部设有控制面板，控制面板上设有总电源开关、触摸控制屏及压力表；

电气舱内设置电气程序控制系统，由PLC控制器、温湿度变送器空气开关、继电器、24V供电电源和压力变送器组成；空气开关外接220v电源，且空气开关与24V供电电源相连，用于给PLC控制器供电；温湿度变送器和压力变送器分别与PLC控制器相连，分别用于给PLC控制器提供温湿度和压力电信号；PLC控制器分别与电控比例阀和继电器相连，用于向电控比例阀和继电器发送控制信号；继电器与膈膜真空泵相连，用于控制膈膜真空泵的开断；PLC控制器与触摸控制屏相连，用于实现人机交互界面的通讯。

所述工作舱为圆筒形舱体，在圆筒形舱体内设置若干支横向的加强杆。

伸入工作舱内的进气管开口上方设有消音器，伸入工作舱内的排气管的开口下方设有消音器。

在进气管管路的电控比例阀的上、下游设置过滤柱，在排气管管路的膈膜真空泵的上、下游设有过滤柱。

在过滤柱的端口设置消音器。

在工作舱的金属舱门上还设有能够旋转的门扣。

本发明还公开了基于上述高原医学研究的实验动物低压舱的压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用户在触摸控制屏输入预设海拔高度，并输入预设上升和下降速度，设备开始运行；

2)PLC控制器将预设海拔高度转化为压力，并与压力变送器传入的信号进行比较；

3)PLC控制器通过控制电控比例阀的开度，来调节设备开启后海拔高度上升的速度和关闭前海拔高度下降的速度。

步骤2)中预设海拔高度与压力的转换按照以下近似公式计算：

P＝760*EXP[-(a/7924)]；

a＝Ln(760/P)*7924；

其中，P代表气压，单位为mmHg；EXP代表自然指数，Ln代表自然对数；a代表海拔，单位为m。

所述步骤3)的具体操作为：

将预设的海拔高度上升速度转化为电控比例阀的开度，并传出信号，工作舱内海拔高度开始按预设速度开设上升，当上升到预设海拔高度时，按所需时间进行维持；

维持时间结束后，PLC控制器将预设的海拔高度下降速度转化为电控比例阀的开度，并传出信号，工作舱内海拔高度按预设速度开始下降，直到与外界气压平衡，舱门自动开启。

步骤3)中通过控制电控比例阀的开度来调节设备开启后海拔高度上升的速度和关闭前海拔高度下降的速度，按以下公式进行控制：

海拔高度上升速度公式：A＝(0.18*R+7.5*F+0.67*V)*EXP(0.0285*a/S)；

海拔高度下降速度公式：A＝100-(0.22*R+5.0*F+0.82*V)*EXP(0.0323*a/S)；

其中，R为电控比例阀管径，单位为mm；F为泵额定流量，单位m³/min；V为工作舱容积，单位为m³；a为预设海拔高度，单位为m；S为预设的上升或下降速度，单位为m/min

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的用于高原医学研究的实验动物低压舱，包括工作舱及设置在工作舱底部的电气舱；工作舱采用全透明设计，有利于满足实验动物照度要求，并且有利于实验人员对实验动物进行实时观测；电气舱内设有伸入工作舱的进气管和排气管，且在进气管路和排气管路上分别设置电控比例阀和膈膜真空泵，电气舱内还设置电气程序控制系统，PLC控制器通过控制电控比例阀的开度和膈膜真空泵的开启来调节补气量和抽气量的动态平衡，能够使海拔高度波动维持在一定的水平(不超过±50米)，也能够有效保证舱内的换气次数，使其符合国家标准要求。

进一步地，在进气管和排气管的管路上分布的四个消音器，能够确保工作噪音小于52分贝(国家标准规定不超过60分贝)。

进一步地，在工作舱体内设置若干支横向的加强杆，能够增强工作舱刚性。

本发明还公开了基于上述公开的实验动物低压舱的压力控制方法，该方法创新地将海拔高度与压力进行转换，通过PLC的函数运算反馈调节电控比例阀的开度，实现精确控制设备开启后海拔高度上升的速度和关闭前海拔高度下降的速度。在达到工作高度后，根据压力传感器反馈信号动态调节电控比例阀开度，达到抽气与补气的动态平衡，保证在一定范围内(海拔2000～9000米)测算的海拔高度误差小于1％。由于真空泵始终处于开启状态，因此可以实现工作舱内空气连续交换，在海拔高度小于5500米时，舱内换气次数大于每小时15次，海拔高度5500米～9000米时，换气次数大于每小时10次，符合国家标准要求。由于可以保证舱内的高频度换气，因此在长时间运行过程中，舱内动物代谢废气始终维持在较低水平，氨浓度小于5mg/m³(国标规定不超过14mg/m³)，二氧化碳浓度小于0.2％(国标规定不超过0.5％)。

附图说明

图1为本发明的用于高原医学研究的实验动物低压舱结构示意图；

图2为本发明的用于高原医学研究的实验动物低压舱电气舱连接结构示意图；

图3为本发明的用于高原医学研究的实验动物低压舱控制系统结构框图。

其中，1为温湿度传感探头；2为加强杆；3为消音器；4为金属门；5为进气管；6为电源开关；7为舱门；8为压力传感器探头；9为工作舱舱门；10为门扣；11为排气管；12为触摸控制屏；13为压力表；14为电控比例阀；15为膈膜真空泵；16为过滤柱；17为PLC控制器；18为温湿度变送器；19为空气开关；20为继电器；21为24V供电电源；22为压力变送器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开的用于高原医学研究的实验动物低压舱由工作舱构造、电气舱构造、气压控制方式、程序控制方式四部分组成。

参见图1，工作舱设置在电气舱顶部，为圆筒形，圆筒形舱体由聚甲基丙烯酸甲酯(PPMA)制成，有一定耐压强度且完全透明。两侧由金属材料加工成密封生物金属门4，且右侧为可开启的金属舱门9，在金属舱门9上设置可以旋转的门扣10。为增强工作舱刚性，在圆筒形舱体内设置若干支横向的加强杆，加强杆的数量为4～6支，安装在左右两侧密封门上。在工作舱的舱体内顶壁上设有温湿度传感器探头1，在工作舱的舱体外顶壁上开设有孔，孔内安装压力传感器探头8。内部一侧安放由电气舱伸入工作舱的进气管5，开口在偏上方并安装消音器3；相对的另一侧安放由电气舱伸入工作舱的排气管11，开口在偏下方并安装消音器3。

参见图2，电气舱位于工作舱的下方，用于放置设备的电气部件。电气舱外设有对开的舱门7，舱门7上部设有控制面板，控制面板上设有总电源开关6、触摸控制屏12及压力表13。电气舱包括进气管5和排气管11，在进气管管路上设有电控比例阀14，在排气管管路上设有膈膜真空泵15。在进气管路上安装电控比例阀14是用来控制进气流量，在电控比例阀14的上下游各安装一个过滤柱16，过滤柱16的端口同样安装消音器，经过电控比例阀14和过滤柱16空气通过管路连接到工作舱进气管5。将工作舱的出气管路引入电气舱，管路上安装膈膜真空泵15，膈膜真空泵的上下游同样安装过滤柱16，过滤柱16的端口口也安装消音器。

气压控制方式

电控比例阀14开放，膈膜真空泵15开启，带动空气从进气管进入工作舱内，从排气管10排出。压力的控制方式和原理为：

1)工作舱内压力下降(相当于海拔高度上升)：控制电控比例阀14开度，使进气量小于膈膜真空泵15的抽气量，则工作舱内压力开始下降。通过精确调整电控比例阀14开度，还可以控制压力下降(海拔高度上升)的速度。

2)工作舱内压力上升(相当于海拔高度下降)：控制电控比例阀14开度，使进气量大于膈膜真空泵15抽气量，则工作舱内压力开始上升；通过精确调整电控比例阀14开度，还可以控制压力上升(海拔高度下降)的速度。

3)工作舱内压力的维持(相当于在预设的海拔高度下维持一定时间)：在舱内压力(海拔高度)超过预设值后，增加电控比例阀14开度，此时进气量大于排气量，工作舱内压力上升(海拔高度下降)；在工作舱内压力(海拔高度)低于预设值后，减小电控比例阀14开度，此时进气量小于排气量，工作舱内压力上升(海拔高度下降)。若调整时间足够快，如此循环往复，则工作舱内压力(海拔高度)会在预设值上下很小范围波动(实测波动范围＜1％)，可视为在预设值水平维持。

程序控制方式

参见图3，设备电气程序控制的硬件部分由硬件部分由空气开关19、24V供电电源21、PLC控制器17、压力变送器22、温湿度变送器18、电控比例阀14、触摸控制屏12、继电器20和膈膜真空泵15构成。连接方式：220v电源连接空气开关19，连接24V供电电源21，供给PLC控制器17；压力变送器22、温湿度变送器18向PLC控制器17提供电信号，PLC控制器17经过分析运算向电控比例阀14和继电器20发送控制信号；人机交互界面通过PLC控制器17与触摸控制屏12之间的通讯实现。具体的程序控制逻辑和运算方式如下：

1、压力与海拔的转换方式：由于压力与海拔并不成线性关系，本发明通过回归分析得出的近似计算公式为：

P＝760*EXP[-(a/7924)]，a＝Ln(760/P)*7924

其中，P代表气压(mmHg)，EXP代表自然指数，Ln代表自然对数；a代表海拔(m)。

2、海拔高度上升下降速度的控制方式：通过控制电控比例阀14的开度来调节设备开启后海拔高度上升的速度和关闭前海拔高度下降的速度，本发明采用的公式为：

控制海拔高度上升速度公式：A＝(0.18*R+7.5*F+0.67*V)*EXP(0.0285*a/S)

控制海拔高度下降速度公式：A＝100-(0.22*R+5.0*F+0.82*V)*EXP(0.0323*a/S)

其中，A为比例阀开度(％)，R为比例阀管径(mm)，F为为泵额定流量(m³/min)，V为工作舱容积(m³)，a为预设海拔高度(m)，S为预设的上升或下降速度(m/min)。

3、程序控制的逻辑关系：用户在触摸控制屏12输入预设海拔高度，并输入预设上升和下降速度，设备开始运行。PLC控制器18按上述公式将预设海拔高度转化为压力，并于压力变送器22传入的信号比较；PLC控制器17按上述公式将预设的海拔高度上升速度转化为电控比例阀14的开度，并传出信号。此时工作舱内海拔高度开始按预定速度上升，当上升到预设海拔高度时，按照气压控制方式中描述的方式维持。维持时间结束，PLC控制器17按上述公式将预设的海拔高度下降速度转化为电控比例阀14的开度，并传出信号。此时工作舱内海拔高度开始下降，直到与外界气压平衡，舱门自动开启。

具体实例：

在工作舱容积为0.6m³的舱体内，放置大鼠20只，小鼠40只，每天设备运行23小时，剩余1小时更换垫料或添加食水。对本发明的效果进行检测。

(1)维持阶段，海拔高度负向波动最大为-50米，正向波动最大为+45米；

(2)以符合国家标准的设备检测舱内，在工作压力范围内(海拔2000米～9000米)测算的海拔高度误差小于1％；

(3)海拔高度5500米时，实测舱内换气次数每小时15.5次，海拔高度9000米时，换气次数为每小时10.4次；

(4)设置上升/下降时间为30分钟，实测结果为30.24±0.89分钟；

(5)实测工作噪音50分贝；

(6)在连续运行23小时后测舱内氨浓度为0.43±0.32mg/m³。

综上所述，本发明从舱体设计、气压控制方式等方面进行了原理上的创新，制成的实验动物低氧舱能够达到国家标准规定，在满足复制实验动物高原疾病模型的同时，又维护了实验动物福利，减小了实验过程中的系统误差，并且避免了设备噪音对实验人员的危害。本发明具有以下特点和优势：

1、工作舱为全透明设计，有利于满足实验动物照度要求，并且有利于实验人员对实验动物进行实时观测；

2、采用可变开度的补气口设计，通过PLC反馈调节补气口开度，达到补气与抽气的动态平衡，使海拔高度波动不超过±50米；

3、创建新的海拔高度与气压相关性函数，确保在工作压力范围内(海拔2000米～9000米)测算的海拔高度误差小于1％；

4、通过调节补气和抽气量，确保在海拔高度小于5500米时，舱内换气次数大于每小时15次，海拔高度5500米～9000米时，换气次数大于每小时10次，符合国家标准要求；

5、通过在气路布置四个消声器，并在电气舱进行降噪处理，确保工作噪音小于52分贝(国标规定不超过60分贝)。

6、通过控制气源和气体交换频率，确保在长时间运行过程中，舱内动物代谢废气始终维持在较低水平，氨浓度小于5mg/m³(国标规定不超过14mg/m³)，二氧化碳浓度小于0.2％(国标规定不超过0.5％)。

Claims (8)

1.一种用于高原医学研究的实验动物低压舱，其特征在于，包括工作舱及设置在工作舱底部的电气舱；

所述工作舱为透明的圆筒形舱体，由聚甲基丙烯酸甲酯制成，在圆筒形舱体内设置若干支横向的加强杆(2)；舱体一侧为密封的金属门(4)，另一侧为能够开启的金属舱门(9)；在工作舱的舱体内顶壁上设有温湿度传感器探头(1)，在工作舱的舱体外顶壁上设有压力传感器探头(8)；

所述电气舱包括进气管(5)和排气管(11)，在进气管管路上设有电控比例阀(14)，在排气管管路上设有膈膜真空泵(15)；进气管(5)和排气管(11)均伸入工作舱舱体内，且位于舱体两侧；电气舱外设有对开的舱门(7)，舱门(7)上部设有控制面板，控制面板上设有总电源开关(6)、触摸控制屏(12)及压力表(13)；

电气舱内设置电气程序控制系统，由PLC控制器(17)、温湿度变送器(18)、空气开关(19)、继电器(20)、24V供电电源(21)和压力变送器(22)组成；空气开关(19)外接220v电源，且空气开关(19)与24V供电电源(21)相连，用于给PLC控制器(17)供电；温湿度变送器(18)和压力变送器(22)分别与PLC控制器(17)相连，分别用于给PLC控制器(17)提供温湿度和压力电信号；PLC控制器(17)分别与电控比例阀(14)和继电器(20)相连，用于向电控比例阀(14)和继电器(20)发送控制信号；继电器(20)与膈膜真空泵(15)相连，用于控制膈膜真空泵(15)的开断；PLC控制器(17)与触摸控制屏(12)相连，用于实现人机交互界面的通讯。

2.根据权利要求1所述的一种用于高原医学研究的实验动物低压舱，其特征在于，伸入工作舱内的进气管(5)开口上方设有消音器(3)，伸入工作舱内的排气管(11)的开口下方设有消音器(3)。

3.根据权利要求1所述的一种用于高原医学研究的实验动物低压舱，其特征在于，在进气管管路的电控比例阀(14)的上、下游设置过滤柱(16)，在排气管管路的膈膜真空泵(15)的上、下游设有过滤柱(16)。

4.根据权利要求3所述的一种用于高原医学研究的实验动物低压舱，其特征在于，在过滤柱(16)的端口设置消音器。

5.根据权利要求1所述的一种用于高原医学研究的实验动物低压舱，其特征在于，在工作舱的金属舱门(9)上还设有能够旋转的门扣(10)。

6.基于权利要求1所述的用于高原医学研究的实验动物低压舱的压力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用户在触摸控制屏输入预设海拔高度，并输入预设上升和下降速度，设备开始运行；

2)PLC控制器将预设海拔高度转化为压力，并与压力变送器传入的信号进行比较；

预设海拔高度与压力的转换，按照以下公式进行近似计算：

P＝760*EXP[-(a/7924)]；

a＝Ln(760/P)*7924；

其中，P代表气压，单位为mmHg；EXP代表自然指数，Ln代表自然对数；a代表预设海拔高度，单位为m；

3)PLC控制器通过控制电控比例阀的开度，来调节设备开启后海拔高度上升的速度和关闭前海拔高度下降的速度。

7.根据权利要求6所述的用于高原医学研究的实验动物低压舱的压力控制方法，其特征在于，所述步骤3)的具体操作为：

将预设的海拔高度上升速度转化为电控比例阀的开度，并传出信号，工作舱内海拔高度按预设速度开始上升，当上升到预设海拔高度时，按所需时间进行维持；

维持时间结束后，PLC控制器将预设的海拔高度下降速度转化为电控比例阀的开度，并传出信号，工作舱内海拔高度按预设速度开始下降，直到与外界气压平衡，舱门自动开启。

8.根据权利要求6所述的用于高原医学研究的实验动物低压舱的压力控制方法，其特征在于，步骤3)中通过控制电控比例阀的开度来调节设备开启后海拔高度上升的速度和关闭前海拔高度下降的速度，按以下公式进行控制：

海拔高度上升速度公式：A＝(0.18*R+7.5*F+0.67*V)*EXP(0.0285*a/S)；

海拔高度下降速度公式：A＝100-(0.22*R+5.0*F+0.82*V)*EXP(0.0323*a/S)；

其中，A为比例阀开度，单位为％；R为电控比例阀管径，单位为mm；F为泵额定流量，单位m³/min；V为工作舱容积，单位为m³；a为预设海拔高度，单位为m；S为预设的上升或下降速度，单位为m/min。