CN116878971A - 一种人体能量代谢仓 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人体能量代谢仓，包括标准气体装置、实验仓、采样系统和分析装置，所述标准气体装置设在实验仓外部，并与实验仓连接，向实验仓内输入标准气体，所述采样系统设在实验仓内部，所述分析装置设在实验仓外部，并与采样系统连接。本发明设置多级混匀装置将实验仓内的气体进行彻底混匀，避免采集到未混匀的气体导致结果出现偶然误差；设置采样装置对仓内气体进行同时多点位的同时采样，避免单一点位采样导致的偶然误差，同时也避免了仓内气体未混匀导致的采样失真，配合二次混匀操作实现采样的均匀一致，更加接近仓内气体的真实成分，进而保证实验结果的准确。
Description
技术领域
本发明属于实验装置技术领域，具体涉及一种人体能量代谢仓。
背景技术
代谢是人生命最基本特征之一，其包括物质代谢和能量代谢两个方面。机体通过物质代谢，从外界摄取营养物质，同时经过体内分解吸收将其中蕴藏的化学能释放出来转化为组织和细胞可以利用的能量，这些能量具有维持生命活动重要作用。为此需要对人在不同状态下的能量消耗进行高精度的测试，为维持机体能量平衡提供精确依据。能量代谢的测量方法有很多，比如直接测热法、间接测热法、双标水法、心率检测法、运动传感器法和自我报告法。其中，间接测热法是通过测量氧气消耗量以及二氧化碳产生量来计算能量消耗，从而推算食物中糖类、蛋白质、脂肪三大宏观营养素消耗的占比，是人体能量测定的“金标准”。
现有的CN114469594A公开了数字化能量代谢监测平台及其标准代谢舱作为人体能量代谢检测研究的代谢仓，但是在实际使用时存在较多的问题，首先是采用单一出气，容易因为单点抽气导致气体样本失真，其次是单点抽气存在较多的偶然因素进而使得分析数据具有较多及较大的误差，后续数据分析过程中不仅需要人工剔除误差数据，而且对于较多的较小误差无法进行人工剔除，导致最终结果失真。其次是流入气体直接采用大气且需要前置检测分析，成本高且需要分析对比的操作较为繁琐。本发明提供一种人体能量代谢仓解决上述问题。
发明内容
本发明提供了一种人体能量代谢仓，设置采样系统对实验仓内空气进行混匀并均匀采样，避免偶然误差，并降低因采样失真导致的数据失真。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种人体能量代谢仓，包括标准气体装置、实验仓、采样系统和分析装置，所述标准气体装置设在实验仓外部，并与实验仓连接，向实验仓内输入标准气体，所述采样系统设在实验仓内部，所述分析装置设在实验仓外部，并与采样系统连接；
所述采样系统包括混匀装置和采样装置，所述混匀装置设在实验仓的内壁上，所述采样装置设在实验仓的内壁上，并与分析装置连接；
所述采样装置包括采样管、第一抽气泵、缓冲箱、混匀箱、出气管和第二抽气泵，所述采样装置的气体流通路径由进气到出气依次为采样管、缓冲箱、混匀箱、出气管和分析装置；所述采样管连接在缓冲箱上，所述第一抽气泵设在采样管上，所述混匀箱设在缓冲箱的后侧，所述混匀箱通过出气管与分析装置连接，所述第二抽气泵设在出气管上。
进一步地，所述混匀装置包括第一混匀器和第二混匀器，所述第一混匀器均匀间隔设置在实验仓的内壁上，所述第二混匀器设置在混匀箱中。
进一步地，所述采样管间隔设置在实验仓的内壁上，所述采样管的进气口上下分层设置。
进一步地，所述采样管包括第一采样管、第二采样管和第三采样管，所述第一采样管、第二采样管和第三采样管的进气口分别位于实验仓的底部、中部和上部，所述第一采样管、第二采样管和第三采样管的出气口连接在缓冲箱上，所述第一抽气泵设置在第一采样管、第二采样管和第三采样管的出气口部。
进一步地，所述标准气体装置包括进气通道、过滤器、第一缓冲室、补气罐、补气室、第二缓冲室和出气通道，所述进气通道外端与大气连通，内端连接在第一缓冲室上，所述过滤器设在进气通道上，所述补气罐与补气室连通，所述第一缓冲室、补气室和第二缓冲室依次连通，所述第二缓冲室通过出气通道与实验仓连通。
进一步地，所述补气罐包括氧气补充罐、二氧化碳补充罐和氮气补充罐，所述第二缓冲室内设有温湿度调整装置。
进一步地，所述标准气体的组分为氧气含量10.00％-21.00％，二氧化碳含量0.02％-0.04％，其余为氮气。
进一步地，所述混匀箱通过连接气管与缓冲箱连接，所述混匀箱和缓冲箱均为密闭箱。
进一步地，所述缓冲箱和出气管上设有溢流管，所述溢流管上设有压力阀门。
进一步地，所述实验仓为密封房间，内部设有温湿度感应器。
本发明相比现有技术的有益效果为：
1、本发明所述的人体能量代谢仓中，设置多级混匀装置将实验仓内的气体进行彻底混匀，避免采集到未混匀的气体导致结果出现偶然误差；设置采样装置对仓内气体进行同时多点位的同时采样，避免单一点位采样导致的偶然误差，同时也避免了仓内气体未混匀导致的采样失真，配合二次混匀操作实现采样的均匀一致，更加接近仓内气体的真实成分，进而保证实验结果的准确；
2、本发明所述的人体能量代谢仓中，设置标准气体装置保证输入的气体保持一致，避免因为外界环境的变化导致输入气体影响实验结果，避免了在进气口设置前置分析和后续对数据处理及复杂比对的操作，简化操作并分析数据更加直观。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的标准气体装置结构示意图；
图3为本发明的采样系统分层采样示意图；
图4为本发明的不同代谢强度下二氧化碳平均生成速率对比示意图；
图5为本发明的实验参数测定实时数据分析转化对比示意图。
附图标记：1-标准气体装置，11-过滤器，12-第一缓冲室，13-补气罐，14-补气室，15-第二缓冲室，2-实验仓，3-采样系统，31-混匀装置，311-第一混匀器，312-第二混匀器，32-采样装置，321-采样管，322-第一抽气泵，323-缓冲箱，324-混匀箱，325-出气管，326-第二抽气泵。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，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。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
如图1所示，一种人体能量代谢仓，包括标准气体装置1、实验仓2、采样系统3和分析装置，所述标准气体装置1设在实验仓2外部，并与实验仓2连接，向实验仓2内输入标准气体，所述采样系统3设在实验仓2内部，所述分析装置设在实验仓2外部，并与采样系统3连接。
本发明的检测原理及过程如下：大气中的空气通过标准气体装置1成为标准气体，然后经由出气通道进入实验仓2中，在实验仓2中参与实验，实验过程中氧气和二氧化碳的含量实时变化并被采样系统3采集，实时采样气体送至分析装置中，分析装置对采样气体进行分析并输出数据，实现对人体能量消耗和人体各系统生理变化的实时检测和数据分析。
如图1、3所示，进一步地，所述采样系统3包括混匀装置31和采样装置32，所述混匀装置31设在实验仓2的内壁上，对实验仓2内的气体进行混匀，所述采样装置32设在实验仓2的内壁上，并与分析装置连接，用于均匀采集实验仓2内的气体。
本发明的采样系统3用于实验仓内气体采样，用于保证采样的均匀性和一致性，避免偶然误差和采样失真。在实验对象进入实验仓前，持续开启第一混匀器311对实验仓内的空气进行持续混匀，采样装置32进行气体采样并记录数据，作为起始数据；实验对象进入实验仓后，根据实验对象的能量消耗情况对第一混匀器311的功率进行适应性调节以保证混匀效果，采样装置32对气体进行实时且连续的采样并记录数据，将前后两次数据进行对比得出能量消耗数据。本发明的第一混匀器311持续将仓内气体进行混合，保证仓内气体的一致性，上下分层设置的采样管321通过对仓内气体进行多点采样并汇入缓冲箱323中，汇集的采样气体进入混匀箱324中经由第二混匀器312进行第二次混合后，经由出气管325进入气体分析仪进行分析记录。
如图1、3所示，所述采样装置32包括采样管321、第一抽气泵322、缓冲箱323、混匀箱324、出气管325和第二抽气泵326，所述采样装置32的气体流通路径由进气到出气依次为采样管321、缓冲箱323、混匀箱324、出气管325和分析装置；所述采样管321连接在缓冲箱323上，所述第一抽气泵322设在采样管321上，所述混匀箱324设在缓冲箱323的后侧，所述混匀箱324通过出气管325与分析装置连接，所述第二抽气泵326设在出气管325上。
如图1、3所示，进一步地，所述混匀装置31包括第一混匀器311和第二混匀器312，所述第一混匀器311均匀间隔设置在实验仓2的内壁上，用于混匀实验仓内的空气，避免空气分层，也避免实验对象呼出的气体过于集中，导致采样时出现偶然误差，所述第二混匀器312设置在混匀箱324中，将采样管321采集到的气体进行二次混匀，保证气体一致性。
如图3所示，进一步地，所述采样管321间隔设置在实验仓的内壁上，所述采样管321的进气口上下分层设置。
如图1所示，进一步地，所述混匀箱324通过连接气管与缓冲箱323连接，所述混匀箱324和缓冲箱323均为密闭箱。设置混匀箱324和缓冲箱323共二级箱体用于气体的汇集、缓冲和混匀，直接将采样气体进行混匀存在混合不均匀以及部分气体直接进入气体分析仪中的缺陷，因此采用先汇集缓冲再混匀的方式，保证气体的均匀一致，避免在实验对象剧烈运动时局部浓度过高导致的采样失真。
进一步地，所述缓冲箱323和出气管325上设有溢流管，所述溢流管上设有压力阀门，缓冲箱323上的溢流管在缓冲箱323内出现正压时打开，出气管325上的溢流管在出气管325内出现正压时打开，用于避免采样装置内出现正压，影响气体采样。
进一步地，所述实验仓2为密封房间，内部设有温湿度感应器。
进一步地，所述第一混匀器311设置在实验仓内壁的上部，并设置有多级模式。所述第一混匀器311为横流风机，根据实验对象的运动模式及能量消耗进行分级调控，根据分析装置反馈的数据，在实验对象由静止到剧烈运动时，通过控制系统逐级提升第一混匀器311的转速，保证混匀效果，避免局部二氧化碳浓度过高导致采样失真。
本发明的具体实施例，采样管321上下设置三个采样点，共设置10组，每组采样管321包括第一采样管、第二采样管和第三采样管，所述第一采样管、第二采样管和第三采样管的进气口分别位于实验仓2的底部、中部和上部，所述第一采样管、第二采样管和第三采样管的出气口连接在缓冲箱323上，所述第一抽气泵322设置在第一采样管、第二采样管和第三采样管的出气口部。
如图2所示，进一步地，所述标准气体装置1包括进气通道、过滤器11、第一缓冲室12、补气罐13、补气室14、第二缓冲室15和出气通道，所述进气通道外端与大气连通，内端连接在第一缓冲室12上，所述过滤器11设在进气通道上，所述补气罐13与补气室14连通，所述第一缓冲室12、补气室14和第二缓冲室15依次连通，所述第二缓冲室15通过出气通道与实验仓2连通。
标准气体装置1的制作标准气体的过程如下：过滤器11用于过滤大气中的杂物，过滤后的大气进入第一缓冲室12进行缓冲，调整气体压力、温度和湿度，然后进入补气室14内，在补气室14中进行气体含量检测，并根据检测结果通过补气罐13进行补气，保证补气室14内的其他组成达到标准气体的要求，补气完成后的标准气体进入第二缓冲室15进行混合以及控温控湿，形成可以直接输入的标准气体，最后持续的输入实验仓2中。设置第一缓冲室12的目的是为了避免大气直接冲入补气室14中对成分检测造成影响，对补气室14内的气体进行检测及补气后形成标准气体，然后再进入第二缓冲室15进行临时存储，并持续输入实验仓2中。
第一缓冲室12、补气室14和第二缓冲室15之间均设有气管及自动阀，补气室14在进行成分检测和补气时，与第一缓冲室12和第二缓冲室15断开连接，补气完成后与第二缓冲室15联通并将标准气体充入。
进一步地，补气室14的补气原理如下：补气室14与分析装置连接，第一缓冲室12将大气充入补气室14中后，补气室14断开与第一缓冲室12和第二缓冲室15的连接，然后进行气体成分检测，检测完毕后进行补气，使其成分达到标准气体，然后打开补气室14和第二缓冲室15的连接，将气体充入第二缓冲室15中，第二缓冲室15中的气体作为实验仓2的气体供应仓。
外界大气的二氧化碳含量的日常浮动在0.2％-0.3％，恶劣天气和早晚的浮动范围更大，由于人体能量代谢的实验周期在24小时到几天不等，直接采用大气作为输入气体时均会遇到二氧化碳含量浮动超出分析误差允许的情况，因此直接使用大气作为流入气体时，其成分无法保持一致，对流入气体分析得到的数据也不是具有统一性和一致性，因此在与流出气体的分析数据进行比对时需要进行换算归零，比对结果不直观而且操作较为繁琐；同时由于流入气体转换成流出气体时在实验仓内存在时间和空间上的缓冲，并非实时对比，因此数据也存在一定的失真，导致实验结果存在误差，而设置代谢仓的目的就是为了检测仓内氧气和二氧化碳含量的微弱变化，较小的误差对实验结果都具有极大的影响。本发明设置标准气体装置1保证了输入气体成分的一致，通过标准气体装置1制造标准气体作为标准统一的初始基础，在此基础上进行数据分析更加明白直观，且数据处理更加简单，数据对比更加明显，而且避免了实验仓带来的时间和空间缓冲干涉，保证分析结果的一致性。
如图4、5所示，图3中二氧化碳的平均生成效率从上而下分别为变化幅度小于60、小于120和小于160，从图上可知，在不同实验项目和受试人员不同等级的能量代谢情况下，二氧化碳的生成效率和变化幅度均不同，前后对照时，输入气体对二氧化碳浓度的精确测量影响较大，采用普通大气进行实验则极易导致测量结果失真，而采用如图5的标准气体进行前后对照测量，则能够有效降低误差和失真，保证测试结果的尽可能精确。
进一步地，所述补气罐13包括氧气补充罐、二氧化碳补充罐和氮气补充罐，根据实验项目的不同，需要配置不同成分的标准气体，如测定不同海拔不同氧气含量下人体能量代谢的数据时，氧气含量就较低，通过补气罐13进行气体补充制作不同成分的标准气体，所述第二缓冲室15内设有温湿度调整装置。
进一步地，所述补气室14和第二缓冲室15均设有混匀风机。
进一步地，所述标准气体的组分为氧气含量10.00％-21.00％，二氧化碳含量0.02％-0.04％，其余为氮气。
气体发生装置制作的气体组分氧气含量在10.00％-21.00％的范围内，二氧化碳含量在0.02％-0.04％的范围内，其余为氮气，气态酸和碱含量、臭氧及其他气态氧化物含量符合GB/T8982-2009，输出气体无异味，固体物质粒度和含量分别为≤100μm以及≤1mg/m3。在进行实验时，除实验要求前后气体成分不同外，在整个实验过程中需要保证气体成分前后一致均匀并保持在某一定值，气体发生装置根据实验要求制作不同成本的标准气体并输送至实验仓中。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种人体能量代谢仓，其特征是，包括标准气体装置(1)、实验仓(2)、采样系统(3)和分析装置，所述标准气体装置(1)设在实验仓(2)外部，并与实验仓(2)连接，向实验仓(2)内输入标准气体，所述采样系统(3)设在实验仓(2)内部，所述分析装置设在实验仓(2)外部，并与采样系统(3)连接；
所述采样系统(3)包括混匀装置(31)和采样装置(32)，所述混匀装置(31)设在实验仓(2)的内壁上，所述采样装置(32)设在实验仓(2)的内壁上，并与分析装置连接；
所述采样装置(32)包括采样管(321)、第一抽气泵(322)、缓冲箱(323)、混匀箱(324)、出气管(325)和第二抽气泵(326)，所述采样装置(32)的气体流通路径由进气到出气依次为采样管(321)、缓冲箱(323)、混匀箱(324)、出气管(325)和分析装置；所述采样管(321)连接在缓冲箱(323)上，所述第一抽气泵(322)设在采样管(321)上，所述混匀箱(324)设在缓冲箱(323)的后侧，所述混匀箱(324)通过出气管(325)与分析装置连接，所述第二抽气泵(326)设在出气管(325)上。
2.根据权利要求1所述的一种人体能量代谢仓，其特征是：所述混匀装置(31)包括第一混匀器(311)和第二混匀器(312)，所述第一混匀器(311)均匀间隔设置在实验仓(2)的内壁上，所述第二混匀器(312)设置在混匀箱(324)中。
3.根据权利要求1所述的一种人体能量代谢仓，其特征是：所述采样管(321)间隔设置在实验仓的内壁上，所述采样管(321)的进气口上下分层设置。
4.根据权利要求3所述的一种人体能量代谢仓，其特征是：所述采样管(321)包括第一采样管、第二采样管和第三采样管，所述第一采样管、第二采样管和第三采样管的进气口分别位于实验仓(2)的底部、中部和上部，所述第一采样管、第二采样管和第三采样管的出气口连接在缓冲箱(323)上，所述第一抽气泵(322)设置在第一采样管、第二采样管和第三采样管的出气口部。
5.根据权利要求1所述的一种人体能量代谢仓，其特征是：所述标准气体装置(1)包括进气通道、过滤器(11)、第一缓冲室(12)、补气罐(13)、补气室(14)、第二缓冲室(15)和出气通道，所述进气通道外端与大气连通，内端连接在第一缓冲室(12)上，所述过滤器(11)设在进气通道上，所述补气罐(13)与补气室(14)连通，所述第一缓冲室(12)、补气室(14)和第二缓冲室(15)依次连通，所述第二缓冲室(15)通过出气通道与实验仓(2)连通。
6.根据权利要求1所述的一种人体能量代谢仓，其特征是：所述补气罐(13)包括氧气补充罐、二氧化碳补充罐和氮气补充罐，所述第二缓冲室(15)内设有温湿度调整装置。
7.根据权利要求1所述的一种人体能量代谢仓，其特征是：所述标准气体的组分为氧气含量10.00％-21.00％，二氧化碳含量0.02％-0.04％，其余为氮气。
8.根据权利要求1所述的一种人体能量代谢仓，其特征是：所述混匀箱(324)通过连接气管与缓冲箱(323)连接，所述混匀箱(324)和缓冲箱(323)均为密闭箱。
9.根据权利要求1所述的一种人体能量代谢仓，其特征是：所述缓冲箱(323)和出气管(325)上设有溢流管，所述溢流管上设有压力阀门。
10.根据权利要求1所述的一种人体能量代谢仓，其特征是：所述实验仓(2)为密封房间，内部设有温湿度感应器。
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