CN112472069B - 一种动物呼吸测热法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动物呼吸测热法，应用于动物呼吸代谢技术领域，具体步骤包括如下：获取标准耗氧量和标准产生二氧化碳量，其中标准实验条件为预设值；计算获得第一误差系数和第二误差系数；其中所述第一误差系数和所述第二误差系数为当前实验条件与标准实验条件下的误差系数；根据所述第一误差系数和所述第二误差系数进行修正，得到实际耗氧量和实际产生二氧化碳量。通过第一误差系数和第二误差系数修正“开路负压式”和“开路常压式”呼吸测热法测定的耗氧量和产生二氧化碳量，不仅能够保证测量准确，而且能够实现长时间测量。

Description

一种动物呼吸测热法及装置

技术领域

本发明涉及动物呼吸代谢技术领域，更具体的说是涉及一种动物呼吸测热法及装置。

背景技术

国内外广泛利用间接呼吸测热法(3种以上)，测定动物的耗氧量、产生二氧化碳量和甲烷量。利用“开路负压式”或“开路常压式”法测定时，得到的数据在没有经过换算时，得到的数据是相对值，而不是动物实际产生的量。如果不能准确真实测定出动物的耗氧量、产生二氧化碳量和甲烷量时，在计算净能值时，就会出现净能值过低。因此利用呼吸测热装置准确测定动物真实产生的各种气体量，是计算净能值的关键所在。

然而，现有技术中的方法却存在一些缺陷，例如，“密闭负压式”呼吸测热法，该测定方法的缺点：不能在线测定耗氧量，利用称重氧气的消耗量，能比较准确计算出总的耗氧量，但不能直接测定出产生二氧化碳量。费时、费力、耗材多，测定二氧化碳时还要用KOH吸附等方法测定，测定过程需要大量KOH和硅胶，产生大量废液，极不环保、只能适合小动物的试验。

因此，如何提供一种长时间测量，并且测量准确的动物呼吸测热法及装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种动物呼吸测热法及装置，本发明的目的在于提供一种装置可分别进行“密闭负压式”呼吸测热法、“开路负压式”呼吸测热法和“开路常压式”呼吸测热法3种测定实验的呼吸测热设备，通过将当前实验条件换算成密闭负压法状态下，得到第一误差系数；用密闭负压法测定出来的耗氧量和产生二氧化碳量，来分别校正“开路负压式”和“开路常压式”呼吸测热法测定第二误差系数；通过第一误差系数和第二误差系数修正“开路负压式”和“开路常压式”呼吸测热法测定的耗氧量和产生二氧化碳量，不仅能够保证测量准确，而且能够实现长时间测量。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动物呼吸测热法，具体步骤包括如下：

获取标准耗氧量和标准产生二氧化碳量，其中标准实验条件为预设值；

计算获得第一误差系数、第二误差系数；其中所述第一误差系数和所述第二误差系数为当前实验条件与标准实验条件下的误差系数；

根据所述第一误差系数和所述第二误差系数进行修正，得到实际氧气值和实际产生二氧化碳值。

优选的，在上述的一种动物呼吸测热法中，所述标准实验条件下，标准耗氧量＝氧气瓶初始重量-实验结束后氧气瓶的重量；

标准产生二氧化碳量氯化钡沉淀方法测定。

优选的，在上述的一种动物呼吸测热法中，所述标准实验条件为0℃，1013pa，干燥条件下。

优选的，在上述的一种动物呼吸测热法中，计算第一误差系数的具体步骤如下：利用当前实验条件下呼吸测热法，计算出在标准状态下的公式：

V stp＝V_L×(P-P_W)/1013×273/(273+T)；

呼吸代谢舱容积V_L＝a×b×cm³；

P_W为水蒸气压通过查温度与水蒸气压表获得；P为室内气压；T为室内温度；气压换算：1013Pa:760mmHg＝1000Pa：750mmHg；

Vstp为呼吸代谢舱内标准容积，实验条件为0℃，1013Pa或760mmHg，干燥；第一误差系数α₁＝呼吸代谢舱标准容积V stp/呼吸代谢舱容积V_L。

优选的，在上述的一种动物呼吸测热法中，所述第二误差系数的具体步骤如下：

其中第二误差系数包括：第二氧气误差系数和第二二氧化碳误差系数；

利用标准实验条件下测定值O₂和CO₂值与当前实验条件下测定值O₂和CO₂的比值；获得第二氧气误差系数α₂和第二二氧化碳误差系数α₃；

其中获取的条件，在常温实验条件下，

第二氧气误差系数α₂＝标准实验条件下测定的O₂值/当前实验条件下测定出的O₂值；

第二二氧化碳误差系数α₃＝标准实验条件下测定的CO₂值/当前实验条件下测定出CO₂值。

优选的，在上述的一种动物呼吸测热法中，最终数据的校正具体表达公式：

实际氧气值＝当前实验条件下测定出的氧气值×第一误差系数α₁×第二氧气误差系数α₂；

实际产生二氧化碳值＝当前实验条件下测定出的二氧化碳值×第一误差系数α₁×第二二氧化碳误差系数α₃。

一种动物呼吸测热装置，包括：呼吸代谢舱、进气管路、第一空气管路、第二空气管路、第三空气管路和气体采集分析装置；

所述气体采集分析装置安装在所述呼吸代谢舱上用于采集并分析气体成分；所述第一空气管路一端与所述呼吸代谢舱连接另一端连接氧气瓶；其中，所述第一空气管路上设置有电磁阀、减压表；

所述第二空气管路一端与所述呼吸代谢舱连接，另一端通过第一流量计与进气泵连接；其中，所述第二空气管路上设置有第四阀门；

所述第三空气管路一端与所述呼吸代谢舱连接，另一端依次连接有排气泵、第二流量计、KOH液瓶、硅胶瓶与所述第二空气管路连接；其中所述第二流量计与所述KOH液瓶之间设置有排空管路，并设置有第一阀门；所述排空管路与所述KOH液瓶之间设置有第二阀门；所述硅胶瓶与所述第二空气管路连接端之间设置有第三阀门；

所述进气管路一端与所述呼吸代谢舱连接，另一端与外界连通，并且所述进气管路上设置有第五阀门。

优选的，在上述的一种动物呼吸测热装置中，所述气体采集分析装置包括：气体分析仪和数据采集仪；所述气体分析仪用于对所述呼吸代谢舱内的气体进行采样、分析；所述数据采集仪将所述气体分析仪的分析结果进行采集。

优选的，在上述的一种动物呼吸测热装置中，所述气体分析仪的采样口和回气口均与所述呼吸代谢舱连接。

优选的，在上述的一种动物呼吸测热装置中，所述呼吸代谢舱内设置有循环风机。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种动物呼吸测热法及装置，本发明的目的在于提供一种装置可分别进行“密闭负压式”呼吸测热法、“开路负压式”呼吸测热法和“开路常压式”呼吸测热法3种测定实验的呼吸测热设备，通过将当前实验条件换算成密闭负压法状态下，得到第一误差系数；用密闭负压法测定出来的耗氧量和产生二氧化碳量，来分别校正“开路负压式”和“开路常压式”呼吸测热法测定第二误差系数；通过第一误差系数和第二误差系数修正“开路负压式”和“开路常压式”呼吸测热法测定的耗氧量和产生二氧化碳量，不仅能够保证测量准确，而且能够实现长时间测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明的整体方法流程图；

图2附图为本发明的整体装置结构图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要了解的是：

开路负压式和开路常压式会产生误差的原因：

(1)因为这两种方法是开路式设计，其优点是可以在线长时间测定、不用任何化学试剂、测定方法稳定、能同时测定耗氧量、产生二氧化碳量、产生甲烷量等气体。测定的气体值是相对值，而不是动物实际产生的气体值。

(2)呼吸代谢舱空气完全交换一遍大于采样时间；例如10通路猪用“负式”呼吸测热法呼吸代谢舱容积(VL)：2.12×长1.13宽×1.82高＝4360L；每个通道(呼吸代谢舱)数据采集的时间是3min一次，也就是说，户外+10个呼吸代谢舱＝11×3min＝33min可采集一次当前的呼吸代谢舱的数据；每个呼吸代谢舱的排气通气量：100L/min；也就是说，在呼吸代谢舱容积是4360L时，当猪体重在45kg左右时，通气量设定在100L/min时，测定产生CO₂％在0.45％左右；当通气量用100L/min时，同时在呼吸代谢舱有风扇时。即4360L/100L＝43.60min时，才能将呼吸代谢舱内的4360L空气完全交换一遍。而数据采集是3min采集一次，10+1(户外空气)是33min。因此得到的数据是偏高的。所以测定的数据值是相对比较法的数值。

由此可知，为了保证长时间测量，同时保证测量准确本发明的实施例计算得到误差系数，通过误差系数修正开路设计中测得的耗氧量和生成二氧化碳量。

一种动物呼吸测热法，如图1所示，具体步骤包括如下：

获取标准耗氧量和标准产生二氧化碳量，其中标准实验条件为预设值；

计算获得第一误差系数、第二误差系数；其中第一误差系数和所述第二误差系数为当前实验条件与标准实验条件下的误差系数；

根据第一误差系数和第二误差系数进行修正，得到实际氧气值和实际产生二氧化碳值。

为了进一步优化上述技术方案，标准实验条件下，标准耗氧量＝氧气瓶初始重量-实验结束后氧气瓶的重量；

标准产生二氧化碳量氯化钡沉淀方法测定。

简要说明：用移液器将精确的1ml氢氧化钾溶液，加入干燥的15ml的离心管中，随后将1.5ml的NH₄CL加入离心管内。然后将混合液轻轻的旋转混均匀，而后再往离心管中加入5ml的氯化钡。用离心机2800转/分钟的条件下离心15分钟将上清液倒出。加5ml的蒸馏水中将碳酸盐析出，然后在2800转/分钟，离心30分钟。将上清液随后移出，离心管在105摄氏度条件下干燥一夜。最后，将试管在干燥器中冷却并精确称量，以记录从1毫升KOH溶液中回收的BaCO₃。

呼出的二氧化碳通过乘以碳酸钡的重量来计算(在2L的氢氧化钾溶液)，0.2229系数是二氧化碳分子量与碳酸钡分子量的比值。

进一步，用启闭式测定方法：用气体分析仪测定出O₂％和CO₂％的浓度

具体操作方法：先称动物体重→将动物放入代谢笼内→推入呼吸代谢舱内→关呼吸代谢舱门(闭)→测定O₂和CO₂的浓度时，开始数据采集→当CO₂％升到0.50％左右(O₂％的浓度也降到0.5％左右)时→打开舱门(启)→将动物笼快速推出→排出舱内混合气体5-6min(分析仪数据显示，CO₂％和O₂％与户外相同)→再将代谢笼推入呼吸代谢舱内(闭)→测定O₂和CO₂的浓度数据采集→当CO₂％再次升到0.50％左右时(O₂％的浓度也降到0.5％左右)→再次启开舱门(启)→将动物笼快速推出→再次排舱内混合气体5-6min(分析仪数据显示，CO₂％和O₂％与户外相同)→再将代谢笼推入呼吸代谢舱内；反复循环测定8h以上，然后分别计算出O₂和CO₂的平均浓度。将已知呼吸代谢舱的容积×O₂％＝耗氧量(L)；将已知呼吸代谢舱的容积×CO₂％＝产生CO₂量(L)。然后计算出呼吸熵＝CO₂量(L)/耗O₂量(L)。

进一步，通过上述启闭式测定方法替代了密闭式测定方法，解决了需要利用沉淀法才能获取产生二氧化碳量，然而利用启闭式测定二氧化碳时，解决了现有技术中，还要用KOH吸附等方法测定，测定过程需要大量KOH和硅胶，产生大量废液，极不环保、只能适合小动物的试验。

为了进一步优化上述技术方案，所述标准实验条件为0℃，1013pa，干燥条件下。

为了进一步优化上述技术方案，计算第一误差系数的具体步骤如下：利用当前实验条件下呼吸测热法，计算出在标准状态下的公式：

V stp＝V_L×(P-P_W)/1013×273/(273+T)；

呼吸代谢舱容积V_L＝a×b×cm³；

P_W为水蒸气压通过查温度与水蒸气压表获得；P为室内气压；T为室内温度；气压换算：1013Pa:760mmHg＝1000Pa：750mmHg；

Vstp为呼吸代谢舱内标准容积，实验条件为0℃，1013Pa或760mmHg，干燥；第一误差系数α₁＝呼吸代谢舱标准容积V stp/呼吸代谢舱容积V_L。

为了进一步优化上述技术方案，所述第二误差系数的具体步骤如下：

其中第二误差系数包括：第二氧气误差系数和第二二氧化碳误差系数；

利用标准实验条件下测定值O₂和CO₂值与当前实验条件下测定值O₂和CO₂的比值；获得第二氧气误差系数α₂和第二二氧化碳误差系数α₃；

其中获取的条件，在常温实验条件下，

第二氧气误差系数α₂＝标准实验条件下测定的O₂值/当前实验条件下测定出的O₂值；

第二二氧化碳误差系数α₃＝标准实验条件下测定的CO₂值/当前实验条件下测定出CO₂值。

为了进一步优化上述技术方案，最终数据的校正具体表达公式：

实际氧气值＝当前实验条件下测定出的氧气值×第一误差系数α₁×第二氧气误差系数α₂；

实际产生二氧化碳值＝当前实验条件下测定出的二氧化碳值×第一误差系数α₁×第二二氧化碳误差系数α₃。

在设计制造前，参考了1972年Farrell、2011年Noblet、2015年Huaming Yang等人设计的原理来制造多功能的呼吸测热装置。呼吸代谢舱由不锈钢骨架建造：109厘米长×85厘米高×78厘米宽，装蒸发器和轴流风机的箱体：45×38×12.5厘米。总箱体容积约：742.1L。舱底是白钢的、舱门是用双层5毫米的玻璃、背面面是用10毫米的塑料板。呼吸代谢舱的两个侧面是用8毫米的玻璃密封。在呼吸舱内，有格状的代谢笼：40×40×52厘米二套，舱门用硅胶条密封。该设备适用于动物体重在500g-5kg。

一种动物呼吸测热装置，如图2所示，包括：呼吸代谢舱1、进气管路2、第一空气管路3、第二空气管路4、第三空气管路5和气体采集分析装置；

气体采集分析装置安装在呼吸代谢舱1上用于采集并分析气体成分；

第一空气管路3一端与呼吸代谢舱1连接另一端连接氧气瓶；其中，第一空气管路3上设置有电磁阀31、减压表32；

第二空气管路4一端与呼吸代谢舱1连接，另一端通过第一流量计41与进气泵42连接；其中，第二空气管路4上设置有第四阀门74；

第三空气管路5一端与呼吸代谢舱1连接，另一端依次连接有排气泵51、第二流量计52、KOH液瓶53、硅胶瓶54与第二空气管路4连接；其中第二流量计52与KOH液瓶53之间设置有排空管路55，并设置有第一阀门71；排空管路55与KOH液瓶53之间设置有第二阀门72；硅胶瓶54与第二空气管路4连接端之间设置有第三阀门73；

进气管路2一端与呼吸代谢舱1连接，另一端与外界连通，并且进气管路2上设置有第五阀门75。

进一步，在呼吸代谢舱1内安装有：温湿度传感器、气压传感器81、风速传感器、变速轴流风机、变速风扇82、加热装置83和制冷装置84、可变光灯85、采样口86、饮水装置87。还在呼吸代谢舱1内安装了一个自动气体容涨收缩装置(防止气压变化时，来解决试验期间舱内气体容积产生变化时的密闭气体缓冲装置)。气路的连接均是用10毫米粗的硅胶管。排气口直径20mm20mm的ppr塑料管、“开路负压式”用的进气口直径50mm的ppr塑料管、“开路常压式”用的进气口直径20mm的ppr塑料管。

“密闭负压式”：关闭第一阀门71、第四阀门74、第五阀门75和进气泵42；开启第二阀门72、第三阀门73和排气泵51。

“启闭式”：关闭电磁阀31、排气泵51和进气泵42、第一阀门71、第二阀门72、第三阀门73、第四阀门74、第五阀门75。

“开路负压式”：关闭第一阀门71、第二阀门72、第三阀门73和排气泵51，开启第四阀门74、第五阀门75。

“开路常压式”：关闭第二阀门72、第三阀门73第五阀门75和电磁阀31，开启第一阀门71、第四阀门74、排气泵51和进气泵42。

每个呼吸代谢舱1内的温度和湿度被实时监控，用温度和湿度显示器显示并存储。用一个28升/分鈡流量的隔膜气泵，先使气体在呼吸代谢舱1内循环，在循环过程中，空气先通过一个带旋转帽的玻璃瓶，瓶内装有2L浓度为320g/kg的氢氧化钾溶液，用来吸收试验鸡呼出的二氧化碳，然后空气通过含有3kg硅胶的装置用来除去空气中的水分，之后将除湿的气体再返回代谢仓内。整个测试期间湿度维持在70％以下，二氧化碳浓度维持在5ml/L以下。当舱内的氧气低于5ml/L以下时，用医用的氧气通过设备提供给呼吸代谢舱1，装置配有调压和减压阀气瓶自动补充呼吸舱被试验鸡消耗掉的氧气在每次试验前，将每个氢氧化钾液的瓶补充到2L，将吸附二氧化碳的氢氧化钾溶液，在分析二氧化碳前保持在室温条件下。

为了进一步优化上述技术方案，气体采集分析装置包括：气体分析仪和数据采集仪；气体分析仪用于对呼吸代谢舱1内的气体进行采样、分析；数据采集仪将气体分析仪的分析结果进行采集。

为了进一步优化上述技术方案，气体分析仪的采样口86和回气口89均与呼吸代谢舱1连接。

为了进一步优化上述技术方案，呼吸代谢舱1内设置有循环风机88。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种动物呼吸测热法，其特征在于，具体步骤包括如下：

获取标准耗氧量和标准产生二氧化碳量，其中标准实验条件为预设值；获取标准实验条件下耗氧量和产生二氧化碳量的具体步骤：先称动物体重

将动物放入代谢笼内

推入呼吸代谢舱内

关呼吸代谢舱门

测定O₂和CO₂的浓度时，开始数据采集

当CO₂%升到0.50%或O₂%的浓度降到0.5%时

打开舱门

将动物笼快速推出

排出舱内混合气体5-6min，分析仪数据显示，CO₂%和O₂%与户外相同

再将代谢笼推入呼吸代谢舱内

测定O₂和CO₂的浓度数据采集

当CO₂%再次升到0.50%时或O₂%的浓度降到0.5%

再次启开舱门

将动物笼快速推出

再次排舱内混合气体5-6min，分析仪数据显示，CO₂%和O₂%与户外相同

再将代谢笼推入呼吸代谢舱内；反复循环测定8h以上，然后分别计算出O₂和CO₂的平均浓度；将已知呼吸代谢舱的容积×O₂%=耗氧量；将已知呼吸代谢舱的容积×CO₂%=产生二氧化碳量；

计算获得第一误差系数、第二误差系数；其中所述第一误差系数和所述第二误差系数为当前实验条件与标准实验条件下的误差系数；

根据所述第一误差系数和所述第二误差系数进行修正，得到实际耗氧量和实际产生二氧化碳量；计算第一误差系数的具体步骤如下：利用当前实验条件下呼吸测热法，计算出在标准状态下的公式：

V stp=V_L×（P-P_W）/1013×273/（273+T）；

呼吸代谢舱容积V_L=a×b×c m³；

P_W为水蒸气压通过查温度与水蒸气压表获得；P为室内气压；T为室内温度；

气压换算：1013Pa:760mmHg=1000Pa：750 mmHg；

Vstp为呼吸代谢舱内标准容积，实验条件为0℃，1013Pa或760mmHg，干燥；

第一误差系数α₁=呼吸代谢舱标准容积V stp/呼吸代谢舱容积V_L；

所述第二误差系数的具体步骤如下：

其中第二误差系数包括：第二氧气误差系数和第二二氧化碳误差系数；

利用标准实验条件下测定耗氧量和产生二氧化碳量与当前实验条件下测定耗氧量和产生二氧化碳量的比值；获得第二氧气误差系数α₂和第二二氧化碳误差系数α₃；

其中获取的条件，在常温实验条件下，

第二氧气误差系数α₂=标准实验条件下测定的O₂值/当前实验条件下测定出的O₂值；

第二二氧化碳误差系数α₃=标准实验条件下测定的CO₂值/当前实验条件下测定出CO₂值；

最终数据的校正具体表达公式

实际氧气量=当前实验条件下测定出的氧气值×第一误差系数α₁×第二氧气误差系数α₂；

实际产生二氧化碳量=当前实验条件下测定出的二氧化碳值×第一误差系数α₁×第二二氧化碳误差系数α₃。

2.根据权利要求1所述的一种动物呼吸测热法，其特征在于，所述标准实验条件下，标准耗氧量=氧气瓶初始重量-实验结束后氧气瓶的重量；

标准产生二氧化碳量氯化钡沉淀方法测定。

3.根据权利要求1所述的一种动物呼吸测热法，其特征在于，所述标准实验条件为0℃，1013pa，干燥条件下。

4.一种根据权利要求1-3任一项的动物呼吸测热法对应的动物呼吸测热装置，其特征在于，包括：呼吸代谢舱、进气管路、第一空气管路、第二空气管路、第三空气管路和气体采集分析装置；

所述气体采集分析装置安装在所述呼吸代谢舱上用于采集并分析气体成分；

所述第一空气管路一端与所述呼吸代谢舱连接另一端连接氧气瓶；其中，所述第一空气管路上设置有电磁阀、减压表；

所述第二空气管路一端与所述呼吸代谢舱连接，另一端通过第一流量计与进气泵连接；其中，所述第二空气管路上设置有第四阀门；

所述第三空气管路一端与所述呼吸代谢舱连接，另一端依次连接有排气泵、第二流量计、KOH液瓶、硅胶瓶与所述第二空气管路连接；其中所述第二流量计与所述KOH液瓶之间设置有排空管路，并设置有第一阀门；所述排空管路与所述KOH液瓶之间设置有第二阀门；所述硅胶瓶与所述第二空气管路连接端之间设置有第三阀门；

所述进气管路一端与所述呼吸代谢舱连接，另一端与外界连通，并且所述进气管路上设置有第五阀门。

5.根据权利要求4所述的一种动物呼吸测热装置，其特征在于，所述气体采集分析装置包括：气体分析仪和数据采集仪；所述气体分析仪用于对所述呼吸代谢舱内的气体进行采样、分析；所述数据采集仪将所述气体分析仪的分析结果进行采集。

6.根据权利要求5所述的一种动物呼吸测热装置，其特征在于，所述气体分析仪的采样口和回气口均与所述呼吸代谢舱连接。

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