大型开路循环式双呼吸测热室的测试_程起方

经 验 交 流
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行校准时的采样模式 , 叫做校准采样模式 。
显示产气量参数状态并清空为零 。此处设 定时刻为时钟时间
测试采样模式是 :每 3 分钟采集气样一次 , 每 半小时采样 10 次 , 每半小时的 开始 3 分 钟采 集进 气口 的大 气气 样一 次 ,
的第 30 和第 60 分钟 。 AL 程序用于计 时并 发出 控制信 号 。 上述 程序 依靠该 程
A 程序和 B 程序 分别 用于 A 、B 呼吸 室数 据采 集和 计算 显示 , 均为重复运行程序 , 需设定时间和频率 。 到达该时间之
3 丁烷燃烧实验 丁烷燃烧的化学反 应式为 : 2C4 H14 +13O2 =8CO2 +10H2O 因此在标准状态下(0℃、760mmHg , 干燥)每燃烧 mol 纯丁
北农大 KB -1 型开闭式呼吸 室的特 点是造价 低 , 性能稳 定 , 调试较简单 , 准确性高 , 但不 足之处 是须定 期换 气 。 开路 循环式呼吸 测热室虽对气 体分析仪 的精度 要求很 高 , 前期投 入较大 , 但是在消除影响其测定准确性的因素之后 , 其准确性 高 , 容易自动化 , 不会 对动物 造成不 适感 , 避免了 开闭式 呼吸 室的不足 。 因此 , 1997 年着手设计并于 2000 年完成 由开闭式 到开路循环式改造 。
C 程序用于大气气 体浓 度采 集 , 其 特点 是到 达给定 时刻 定时动作 。 此处给定 时刻为 时钟 时间的 第 3 分 钟和 第 33 分 钟。
D 程序用于累计产 气量 结果 , 其特 点是 到达 给定时 刻后
烧 0 .2、0 .4、0 .6、0 .8 和 1mol 正丁烷 , 使产生的 CO2 和 O2 耗均 在正常的动物测热试验 范围内 。
7 0 .4296
0.8488
8
0 .3
0 .6
9
10
11
12
合计 17.6482 28 .8513
实测气体量 19.6091 32 .0569
呼吸商
0 .6116
CO 2
O2
0.29787 7.19218 7 .758 4 .6473 2 .6662 1 .3219
0 .79 0 .48 0 .3 0 .2 0 .15
0 .55388 10 .6802 12 .007 8 .3833 5 .0065 3 .4968
2.4 1 .66 1 .15 0 .79 0.4
25 .8034 46 .5277 28 .6705 51 .6974
0 .61906
CO2
9 .8469 15.669 8 .6948 4 .9863 2 .838 1 .5291 1 .0412 0 .5002 0 .1172
烷(分子量 58g), 要消耗 13×22.4 升 O2 , 生 成 8×22 .4 升 CO2 。 根据本呼吸室的体积 , 并模拟动物呼出气体速度 , 我们采用燃
后 , 程序按给定频率重复运 行 。 此处 A 程序给 定运行 时间为 时钟时间的第 3 至第 30 分钟 , 频率为每 3 分钟运行一次 ;B 程 序给定运行时间为时钟时间的第 33 至第 60 分钟 , 频率为每 3 分钟运行一次 。
O2
14 .322 22 .703 14 .319 9.0071 6.177 2.7986 2.0455 0 .95564 0.262
45 .2227 72.5898 50 .2474 80.6553
0 .62298
CO 2
18 .608 21 .071 11 .694 7 .0019 3 .8476 2 .1701
对气体 分析仪 进行 校准 时 , 手动 将气 体管 路切 换 到“ 校 理信号 。
准” 状态 , 气体分析仪则对标准浓度 的 CH4 、CO2 和 O2 以及纯 氮气(零气体)进行分析 , 以监测气体分析仪的准确性 。 2 .5 主要控制程序 的作用 及特点 整个 控制 程序包 括 6 个 程序 :A 程序 , B 程序 , C 程序 , D 程序 , AL 程序和 P 程序 。
由于开路循环式呼吸测 热室内 外气体 浓度差很 小 , 使用 的仪器精度极高 , 因此受环境因素影响很大 , 长时间使用容易 “ 疲劳” , 准确性趋于下降 。 所以 , 还要研究其测试结果的稳定 性 。 为此 , 进行了动物呼吸测热试验 , 分析动物天与天之间产 (耗)气量的差异 , 并全面综合地评价其实际使用效果 。 1 改装后的开路循环式测热室的结构
呼吸室的一侧有一垂直的塑料隔板 , 形成 宽 70cm 的气流 循环夹道 。 夹道的前 部自上 而下装 有 4 个风 扇 , 使室内 气体 沿夹道不断循环 , 以保 证呼吸 室内气 体的均 匀 。 气流循 环夹 道中安置有 制冷机 、除 湿器 、电热板 和家用 电加热 器等降 温 、 水汽冷凝和加温装置 。 循环气体的水汽冷凝 , 温度升降 , 可由 系统自 行 控 制 。 呼 吸 室 可 调 温 度 为 5 ～ 40 ℃, 可 调 湿 度 为 30 %～ 90 %。 另外 , 呼吸室内设有温 度 、湿 度和气压 探头以及 摄像镜头 、动物站立和卧倒时间记录装置 。
呼吸室西侧 , 有一间 8m2 操 作室 , 电脑 、监 视器 、仪表 架 、 电源控制 、制冷控制 、制热控制和除湿控制等均在此处 。 仪表
收稿日期 :2002 -04 -03 ;修回日期 :2002 -10 -11
架为放置各种仪器和 显示表 的金属架 , 自 上至下 依次摆 放流 量显示器 、温度显示器及 控制钮 、湿度 显示器 及控制 钮 、气 压 显示器及风速控制 钮 、甲 烷分析 仪 、二 氧化碳 分析仪 、氧分 析 仪和低温冷凝器等 。 以上仪器都 与电脑相连并受电脑控制 。 2 气体采样和分 析系统及控制程序 2.1 气体流量数据的 采集 呼吸室排 气管中 抽气 透平的 前 端安装有电子流量计 , 每 3 分钟准确记录一次气体流速 , 其电 信号输入微 机 。 每 3 分钟 气体 实际 流量 即排 出气 体 的容 积 V =3(min)×气体流速(L min)。气 体 的 流量 或 容 积要 校 正 到 标准容积计算(0℃, 1013hPa , 干燥)。
1 .13 0.70204 0 .5399
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— 18 — 中 国 畜 牧 杂 志 2003 年第 39 卷第 3 期
经验交流
大型开路循环式双呼吸测热室的测试
程起方 , 冯仰廉 , 李胜利 , 李德发 (中国农业大学动物科技学院 , 北京 100094)
表 1 丁烷燃烧实验结果
丁烷燃烧量 g
15
21
34
47
59
被测气体(L) CO2
O2
产 、耗气量观测记录
1 6 .1995
10 .258
2 4 .42518 3 2 .7276
7 .46125 4.3522
4 1 .6874
2.6826
5 1 .0312
1.5972
6 0 .8476
1 .05124
摘要 :北农大 KB-1 型开闭式 呼吸室早在 80 年代研制 成功并应用 于能量代 谢的研究 。 在此 基础上 , 进一步 研制 了开路循环式(Open Circuit)呼吸测热室 , 研发出新的计算机控制程序 , 进行了呼吸室的 改装 。 自动化 水平和准确 性很 高 。 经燃烧模拟呼吸实验 , CO2 和 O2 产量实测值与计算值的相关系数 R2 值达到 了 0.99 的水平 。 动物实验亦表明 , 该 呼吸室性能稳定 。 目前 , 该呼吸室已用于动物能量 代谢的科学研究中 。 关键词 : 畜牧学 ;测试 ;呼吸测热室 ;开路循环式 中图分类号 :S852 .293 文献标识码 :B 文章编 号 :0258-7033(2003)03-0018-03
紧接着采集呼吸室气样 9 次 :每上半小时采集 A 室气样 , 每下 半小时采集 B 室气样 。
序提供时间信息 。 同时该程序还控制气路 电气磁门配合其它 程序开闭 。 每小时的 3 至 30 分钟时 , 3 分钟采集气样一次 , 每 半小时采样 10 次 。 每半小时的开始 3 分钟采 集进气 口的大气 气样一 次 ,
标准容积 SV =V(P -Pw)1013 ×273 (273 +T) 其中 :V =气 体实际容积 ;P =呼吸室 内的气压 ;Pw =呼吸 室内水蒸汽压 ;T =呼吸室内的温度 Pw=RH 100×(3.999+0.45547T +0.001708T2 +0.000469T3) 其中 :RH 为呼吸室内的相对湿度 。 2.2 气体成分分析 分析采 样点为两 个呼吸 室的 排气口 及 进气口附近 。 三个采样 点通过 采样管 与气路 电磁阀 门连接 , 由该 电磁 阀选 择需 要分 析的 气体 的管 路(A 室 、B 室 或进 气 口), 被选管路气 体进入微气 泵 , 微 气泵抽吸 作用使气样 通过 进气管 、样气过滤器和低温冷凝器分别进入氧气 、二氧化碳和 甲烷分析仪 , 样气中 O2 CO2 和 CH4 的百分 含量的 电信号 自动 输入微机进行处理 。 2 .3 动物产生(消耗)气体量和产热量的计算 动物 O2 耗量 =(大气 O2 %-呼 吸室 O2 %)×气 体流 量 (标准容积 , 1) 动物 CO2 产生量 =(呼 吸室 CO2 %-大 气 CO2 %)×气体 流量(标准容积 , 1) 动物 CH4 产 生量 =(呼吸室 CH4 %-大 气 CH4 %)×气体 流量(标准容积 , 1) 产热(KJ)=16.1753×O2 +5.0208×CO2 -2 .1673 ×CH4 5 .9873 ×UN 其中 :O2 为 呼出 气体 的 O2 耗 量(1), CO2 为 CO2 产生 量 (1), CH4 为 CH4 产生量(1), UN 为尿液中氮量(g)。 2.4 采样过程 两个呼吸室及进气口交替 采样 , 每 3 分 钟一 次 。 采样模式通过程序编入计算 机 , 控制气体电磁阀门动作 。 目前设定的采样模式 有两种 :一种 是进行 正常呼 吸测热 时的 采样模式 , 叫做测试采样模式 ;另一种是对 呼吸室测试结果进
中国农大 KF -1 型开 路循 环式 呼吸 测热 室由 两个 呼吸 室并列而成 , 每个呼 吸室的容 积 18200L , 内 壁为 1～ 1 .6cm 厚 的塑料板 , 用塑料焊条 深度焊 接成为 一个完 整的整 体 。 外部 为 10cm 厚的泡 沫塑 料绝 缘层 。 故具 有密 闭 性好 , 接 缝 抗力 强 , 保温性能好 , 加工容易 、成本低等优点 。
影响开路循环式呼吸测 热室准 确性的 因素主要 有两 个 : (1)气 体分 析仪 和流 量仪 的准 确性 。(2)采集 的样 气的 代表 性 。检验其准 确性 的通 用方 法是 进行 燃烧 模拟 动物 呼 吸试 验 , 对不同重量的燃烧剂燃烧时计算的 CO2 产量和耗 O2 量与 实际测定出的 CO2 产量和耗 O2 量相 比较 , 求出二者的回归关 系式 , 从而消除呼吸室的误差 。 常用的燃烧剂有纯丁烷 、甲醇 和乙醇 。 其中以纯丁烷为最好 , 故本次试验用之 。
测定时 , 用天平准确称量燃烧前装有正丁烷的气瓶重量, 然 后使正丁烷气按一定速度燃烧。 燃烧一开始 , 立即进行呼吸测 热 。两个呼吸室分别进行 5 个燃烧量 , 每个燃烧量燃烧 30 分钟 , 燃烧完毕, 准确称量气瓶重量 , 并继续采样 3～ 5 小时至室内外气 体 CO2 、O2 及 CH4 浓度一致 。实际测定结果见表 1。
气样进入分析仪 。 33 至 60 分钟 时 , B 呼吸 室气 路打 开 , B 室 气样进入分析仪 。 0 至 3 分钟和 30 至 33 分钟时 , A 、B 气 路均
紧接着采集被校准呼吸室气样 9 次 。 不同呼吸室 的校准采样 模式分别设定 。
关闭 , 分析仪与大气气路接通 。 P 程序为信号 转换程 序 , 它可将 输入 的电 信号转 化为 物