发明内容
本发明要解决的技术问题是提供的一种能精确采集IVC系统笼盒内微环境参数数据的IVC系统笼盒环境检测设备。所述环境参数至少包括空气流量、压力参数、温度和湿度。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种IVC系统笼盒环境参数标定的方法。
为解决上述技术问题本发明提供的IVC系统笼盒环境检测设备,包括:笼盒外壳、操作面板模块、空气流量测量模块、压差测量模块、温湿度测量模块、电量储存模块、数据处理模块、盒内对外接线模块;
笼盒外壳是与被检测IVC系统笼盒完全一致的密封结构,笼盒外壳正面设置操作面板模块,笼盒外壳背面具有两个通气口,其中空气流量测量模块设置于进风通气口;
完全一致是指笼盒外壳的材质、尺寸等所有对环境产生影响的因素,与被检测IVC系统笼盒一致,笼盒外壳能完全模拟被检测IVC系统笼盒,对笼盒环境参数检测不产生影响。
压差测量模块包括:固定在笼盒外壳底部的压力测量装置通过软管和密封接头与笼盒外壳侧壁的通气孔连通;
温湿度测量模块,固定在笼盒外壳底部靠近笼盒外壳背面的一侧空气流量测量模块的下方,并与其他模块具有间隔距离;
电量储存模块,固定在笼盒外壳底部靠近笼盒外壳背面的一侧空气流量测量模块的下方;
数据处理模块,悬空固定在笼盒外壳底部靠近笼盒外壳正面的一侧,与操作面板模块、空气流量测量模块、压差测量模块、温湿度测量模块、电量储存模块和盒内对外接线模块进行数据通讯;
盒内对外接线模块与笼盒外壳形成密封结构,位于笼盒外壳正面操作面板模块下方。
其中,所述空气流量测量模块包括顺序固定连接的:笼盒连接部件、风阻调节部件和空气流量计。
其中,所述空气流量测量模块的内径与笼盒外壳背面的通气孔内径相同。
其中,所述笼盒外壳背面具有两个通气口均设置有空气流量测量模块。
其中,两个空气流量测量模块之间设置有排气流隔板。
其中,所述间隔距离为大于等于5CM。
其中,所述笼盒外壳分为固定密封连接的上盖和下盖。
本发明提供的IVC系统笼盒环境的标定方法,包括:
第一步,利用上述任意一项所述IVC系统笼盒环境检测设备对所有IVC系统笼位进行检测,测得各笼位的环境参数值;
第二步,IVC系统笼盒环境检测设备将测得的各笼位环境参数值取算数平均数获得环境参数基准值,选取环境参数实测值与环境参数基准值最接近的笼位作为代表笼位;
第三步,将IVC系统笼盒环境检测设备放置在代表笼位上,并与IVC系统主机建立数据通讯;
第四步,通过IVC系统笼盒环境检测设备控制IVC主机的进风机控制电压与排风机控制电压调整至最小值,IVC系统笼盒环境检测设备记录测量数据包括:进风机控制电压参数、排风机控制电压参数、进风箱对外压差参数、排风箱对外压差参数以及实际检测的笼盒换气流量和笼盒内对外压差;
第五步,通过IVC系统笼盒环境检测设备控制IVC主机的排风机控制电压上调第一预设伏值,并再次记录第四步中所述各项数据;
第六步,重复第五步直至排风机控制电压达到控制电压极值,并记录第四步所述各项数据后,将进风机控制电压上升第一预设伏值,并将排风机控制电压调为最低,再次记录第四步中所述各项数据;
第七步,重复第五步、第六步直至进风机与排风机的控制电压均到达控制电压极值;
第八步,IVC系统笼盒环境检测设备将第五~第七步记录的所有数据,根据伯努利原理,计算出上述各项数据的伯努利方程组,并将伯努利方程组系数传输入IVC主机中;
p+1/2ρv2+ρgh=C,这个式子被称为伯努利方程。式中p为流体中某点的压强,v为流体该点的流速,ρ为流体密度,g为重力加速度,h为该点所在高度,C是一个常量。它也可以被表述为p1+1/2ρv1 2+ρgh1=p2+1/2ρv2 2+ρgh2。
计算出关于进风机控制电压V1、排风机控制电压V2、进风箱对外压差P1、排风箱对外压差P2与笼盒内换气流量Q的二次方程组,以及前四个数据与笼盒内对外压差P的一次方程组,并将方程组系数传输入IVC主机中。
在公式p+1/2ρv2+ρgh=C中,我们认为ρgh为一个常数,变化基本可以忽略,而C在整个IVC系统中仅仅由V1与V2影响,可以认为C=f(V1,V2)。流量Q与风速v的关系式为Q=v*S,S对的IVC系统为一个不变的常数,所以v=Q/S。
综上针对本发明计算进风箱的伯努利方程应该为:
P1+1/2ρ(Q/S)2=f(V1,V2)-ρgh
计算排风箱的伯努利方程应该为:
P2+1/2ρ(Q/S)2=f’(V1,V2)-ρgh
两式相加得出;
P1+P2+ρ(Q/S)2=f(V1,V2)+f’(V1,V2)-2ρgh。
由此可以看出(P1+P2)与Q有二次关系,故可以通过调整V1,V2来获得多组参数,通过线性回归法,得出(P1+P2)与Q之间的二次方程组。标定结束后,只要将V1,V2,P1,P2代入方程组就能得到换气量Q。
对于盒内对外压差,我们认为笼盒中的伯努利方程为
P+1/2ρ(Q/S)2=f”(V1,V2)-ρgh。
将笼盒方程乘以2减去进风箱与排风箱的方程和可以得出,
2P-(P1+P2)=2f”(V1,V2)-f(V1,V2)-f’(V1,V2),
式中可以得知P与(P1+P2)之间为一次关系,故可以通过调整V1,V2来获得多组参数,通过线性回归法,得出(P1+P2)与P之间的一次方程组。标定结束后,只要将V1,V2,P1,P2代入方程组就能得到笼盒内对外压差P。
第九步,断开检测笼盒与IVC主机的通讯,重启主机,完成标定工作。
其中,实施第一步时,对一个笼架的左上、左下、右上、右下及中间五笼位测量环境参数。
其中,第一预设伏值取值范围为排风机控制电压极值的1%-10%。
本发明的IVC系统笼盒环境检测设备设计原理:
1.操作面板部
IVC系统笼盒环境检测设备在使用时,需要插入相应的笼架,由于笼架上两个相近笼位的间距较小,插入笼架后,笼盒与笼架内侧排气管的间距也较小,所以将操作面板模块固定在检测笼盒的正面(将笼盒通气口的另一面定为正面)。操作面板模块用于固定类似于数据显示屏、数据通讯接口、充电接口、电源开关及指示灯等装置。操作面板模块的主面板有向上的倾角,方便使用者操作设备及查看数据,将数据通讯接口及充电接口安置在面板模块的侧面,保证连接上数据线及电源线时,不会对使用者的操作及观察造成影响。
2.空气流量测量模块
IVC系统笼盒环境检测设备在使用时,须插入笼架上的笼位,笼架中的空气从笼盒背面的一个通气管口进入,从另一个通气管口排出。由于不同的IVC系统是左通气口进气还是右通气口进气取决于笼架结构,为提高适用性可考虑在两个通气口均放置空气流量测量模块。考虑到数据的准确性与校验的便利性,须选择合适的空气流量传感器作为测量模块(例如微风计算)。笼盒换气是微风环境,因此本发明能忽略风阻调节部件材质对风阻的影响,风阻调节部件的材质为固体非柔性材质,不会由于自重而变形的即可;建议采用表面光滑的材料制造,可采用金属材料(例如铝合金、不锈钢),无机非金属材料(例如玻璃、陶瓷、PVC)等;风阻调节部件表面越光滑材料所产生的风阻越小,IVC系统笼盒空气流量测量模块对IVC系统笼盒空气过滤装置风阻的模拟越真实。
笼盒连接部件、空气流量计和被测IVC系统笼盒空气过滤装置所产生的风阻能通过测量获得,这样风阻调节部件所产生的风阻=被测IVC系统笼盒空气过滤装置所产生的风阻-笼盒连接部件风阻-空气流量计风阻;获得风阻调节部件所需产生风阻通过达西公式计算能够获得风阻调节部件的长度和内径(不同长度配合不同内径能产生相同风阻)。
测量空气流量时考虑到检测笼盒的空气流动情况应真实反映饲养动物笼盒使用时的空气流动情况,故优选内径与笼盒通气孔内径相同的测量模块。在内径固定忽略材质产生风阻的情况下通过达西公式计算获得风阻调节部件的长度(即仅改变该风阻调节部件的长度即能产生不同的风阻)。测量模块的一端紧接通气口,另一端与盒内空间联通,完全模仿笼盒使用时的条件。并且模块管道长度应该保证风阻与使用笼盒的风阻一致。为避免进排气口气流短路,在笼盒两个气流测量装置之间设置进排气流隔板。为保证检测笼盒真实反映饲养笼盒的使用状态,笼盒采用全密封结构,不留任何泄露缝隙。通过空气流量测量结合公式:换气次数=换气量/笼盒体积,即能得到笼盒的换气次数。
本发明其他模块的位置设置,不能对从测量模块中流出的气流产生影响。通过实验得知位于空气流量测量模块正下方的模块对于气流组织的影响可忽略不计。
3.压差测量模块
为了准确测量笼盒内部对外压差值,使用差压型压力测量装置,在保证笼盒其它部位密封的前提下,在笼盒侧壁上开通气孔,并利用软管与固定在通气孔靠内侧的密封接头,将盒外大气与测量装置的一端连接在一起。为保证测量装置不影响到盒内气流组织,将压力测量装置固定在笼盒底部,并用软管与固定在笼盒内侧壁上的通气口连接。考虑到测量的数据准确性及外表美观,将通气口位于笼盒背侧的中间位置。
4.温湿度测量模块
为避免温湿度测量模块影响到盒内的气流组织,将温湿度测量模块固定在笼盒底部。但是为了准确测得流经笼盒内部的气体温度与湿度,就要尽量减少盒内元器件的散热与盒壁温度对其产生的影响。需用结构件将温湿度测量模块固定在离开其它电气模块至少5cm距离,且既不紧靠笼盒侧壁,还不会影响到气流组织的位置。所以将温湿度测量模块固定在笼盒底部靠背面的位置。
5.电量储存模块
一般情况下,独立换气笼系统在一个洁净环境中运行,检测笼盒也必须在洁净环境中使用。考虑到设备使用的便利性以及动物房内环境的局限性,检测笼盒必须能够脱离电线使用,一般情况其储电量至少使检测笼盒可运行4小时以上。局限于笼盒结构必须符合笼架条件,笼盒内部空间则限定了电池的体积。固定电池时还需考虑到电池充放电时所产生的热量不能影响到温度测量装置。所以将电量储存模块固定在笼盒底部靠背面的位置。
6.数据处理模块
考虑到与面板模块、测量模块等模块间接线的便利性,数据处理模块需要放置在笼盒底部靠正面的位置。考虑到利于数据处理模块的散热,应有将数据处理模块悬空固定的结构。数据处理模块通过编程技术能实现数据记录、数据比较、数据求平均值、输出IVC系统主机控制信号对、接收IVC系统主机反馈信号等功能。
7.盒内对外接线模块
为达到笼盒与外空间完全密封的目的,保持盒内与盒外的数据传输的同时,方便外部模块的拆装,应有一个盒内对外接线模块。出于美观及实用方面的考虑,该模块应安装在笼盒正面的侧壁上,位于操作面板模块的外壳遮盖下。并用密封胶材料将安装孔的缝隙填满,保证笼盒整体的密封性。
8.笼盒外壳
箱盒的外壳件主体应与所检测的系统笼架上对应的笼盒一致,但是为了保证设备的完整性,应用螺丝或其他固定件将笼盒的上盖与下盖固定在一起,并用密封胶材料将缝隙密封。外壳件上还必须增加用以固定操作面板的模块。所有缝隙都应用密封胶材料密封处理。
本发明提供的IVC系统笼盒环境检测设备被检测IVC系统笼盒尺寸完全一致能真实模拟被检测笼盒环境,排除内、外界干扰因素,达到快捷准确采集到笼盒内的换气、压力、温湿度等真实数据的目的。解决目前对IVC系统笼盒内微环境参数精确采集的问题,为IVC系统笼盒检测提供一种便捷的测量工具。本发明提供的IVC系统笼盒环境的标定方法通过本发明的提供IVC系统笼盒环境检测设备实现,将IVC系统原来需要进行人工标定的操作,通过系统自动完成,能提高IVC系统标定准确性,提高标定效率,降低人工标定产生的误差。
具体实施方式
如图1、图2所示,本发明IVC系统笼盒环境检测设备,包括:笼盒外壳9、操作面板模块1,空气流量测量模块2、3,压差测量模块4,温湿度测量模块5,电量储存模块6,数据处理模块7,盒内对外接线模块8;
笼盒外壳与被检测IVC系统笼盒尺寸材质完全一致的密封结构,笼盒外壳正面设置操作面板模块,笼盒外壳背面具有两个通气口,其中空气流量测量模块设置于进风通气口;为适合各种IVC系统,本实施例空气流量测量模块在两个通风口均有设置,两个空气流量测量模块之间设置有排气流隔板。
压差测量模块包括:固定在笼盒外壳底部的压力测量装置通过软管和密封接头与笼盒外壳侧壁的通气孔连通;
温湿度测量模块,固定在笼盒外壳底部靠近笼盒外壳背面的一侧空气流量测量模块的下方(优选位于空气流量测量模块的正下方),并与其他模块具有间隔距离,优选间隔距离大于等于5CM;
电量储存模块,固定在笼盒外壳底部靠近笼盒外壳背面的一侧空气流量测量模块的下方(优选位于空气流量测量模块的正下方);
数据处理模块,悬空固定在笼盒外壳底部靠近笼盒外壳正面的一侧,与操作面板模块、空气流量测量模块、压差测量模块、温湿度测量模块、电量储存模块和盒内对外接线模块进行数据通讯;
盒内对外接线模块与笼盒外壳形成密封结构,位于笼盒外壳正面操作面板模块下方(优选位于操作面板模块的正下方)。
如图3所示,所述空气流量测量模块包括顺序固定连接的:笼盒连接部件11、风阻调节部件12和空气流量计13,所述空气流量测量模块的内径与笼盒外壳背面的通气孔内径相同。由于空气流量测量模块内径确定(图3中内径D),因此能通过调节风阻调节部件的长度(图3中长度L)从而调节整个空气流量测量模块的风阻。
其中,所述笼盒外壳分为固定密封连接的上盖和下盖。
本发明提供的IVC系统笼盒环境的标定方法,一具体实施例;利用的IVC系统,包括笼架结构和控制部分(例如,利用申请号为201310488630.3中所记载的IVC系统、IVC系统测量方法、IVC控制系统及IVC系统控制方法所实现)。
笼架结构包括:常规的笼架、笼盒、送风管道、排风管道;控制部分包括:控制机箱、进风机、进风箱、排风机、排风箱、初级过滤器、二级过滤器、显示单元和控制单元。控制单元包括压差传感器、控制器、进风机电机和排风机电机,其中压差传感器、排风机电机和进风机电机均与控制器相连,所述压差传感器的输入端分别通过连接管与进风箱、排风箱相连,所述控制器接收压差传感器采集的信号并根据该压差信号计算独立换气笼内的空气流量,分别通过进风机电机和排风机电机控制进风机和排风机的运行状态,使笼盒的对外压差以及笼盒的换气量保持在设定范围内。
第一步,利用IVC系统笼盒环境检测设备对所有IVC系统笼位进行检测,测得各笼位的环境参数值,环境参数至少包括:温度、湿度和空气流量
第二步,IVC系统笼盒环境检测设备将测得的各笼位环境参数值取算数平均数获得环境参数基准值,选取环境参数实测值与环境参数基准值最接近的笼位作为代表笼位;
第三步,将IVC系统笼盒环境检测设备放置在代表笼位上,并与IVC系统主机建立数据通讯;
第四步,通过IVC系统笼盒环境检测设备控制IVC主机的进风机控制电压与排风机控制电压调整至最小值,IVC系统笼盒环境检测设备记录IVC主机测量的进风机控制电压参数、排风机控制电压参数、进风箱对外压差参数、排风箱对外压差参数以及IVC系统笼盒环境检测设备实际检测的笼盒换气流量和笼盒内对外压差共六个参数;
第五步,通过IVC系统笼盒环境检测设备控制IVC主机的排风机上调第一预设伏值,并再次记录第四步中的六个参数;
第六步,重复第五步直至排风机控制电压达到控制电压极值,并记录六个参数后,将进风机控制电压上升第一预设伏值,并将排风机控制电压调为最低,再次记录六个参数;
第七步,重复第五、六步直至进风机与排风机的控制电压均到达控制电压极值;
第八步,IVC系统笼盒环境检测设备将第五~第七步记录的所有数据,根据伯努利原理,计算出关于这六个参数的二次方程组,并将二次方程组系数传输入IVC主机中;
第九步,断开检测笼盒与IVC主机的通讯,重启主机,完成标定工作。
其中,实施第一步时,对一个笼架的左上、左下、右上、右下及中间五笼位测量环境参数。
第一预设伏值取值范围为排风机控制电压极值的1%-10%;
控制电压极值为10V时,第一预设伏值优选为0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V或1V;控制电压极值为20V时,第一预设伏值优选为0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、1V或2V;
以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明,但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下,本领域的技术人员还可做出许多变形和改进,这些也应视为本发明的保护范围。