CN109620597B - 可设定并自动控制气压及氧含量的低气压实验装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种可设定并自动控制气压及氧含量的低气压实验装置，包括：密闭观察容器；氧气检测器，与密闭观察容器连接；贮氧容器；单向电磁阀，分别与密闭观察容器和贮氧容器连接；压力检测器，与密闭观察容器连接；抽气机，与密闭观察容器连接；控制器，分别与单向电磁阀和抽气机连接；处理器，分别与控制器、氧气检测器和压力检测器连接，用于基于气体压力值和氧气浓度值计算抽气机的运行时间和单向电磁阀的开启和关闭时间，并将计算结果发送给控制器；和控制面板，与处理器连接。该装置能够实现抽气后不再出现低气压缺氧状态，在保持低气压的同时，氧气含量也满足实验要求，从而使测试结果更加准确。
Description
技术领域
本申请涉及医学实验领域，特别是涉及一种可设定并自动控制气压及氧含量的低气压实验装置。
背景技术
低气压致病作用实验主要观察动物在低气压时的一般表现，了解中枢神经***机能状态对缺氧耐受性的影响。低气压实验装置是低气压致病作用实验的必备设备，传统装置的方法是用两根橡皮管将真空干燥器分别与抽气机和水银减压计相连，按下配电盘的电源开关，开动抽气机，使气压分别逐渐降至507mmHg(相当于海拔3000m高度，氧含量16.15％)，停止抽气，保持3～5分钟，观察、记录小白鼠的活动情况，呼吸深度和频率及末梢部位(耳、唇、尾、脚掌)皮肤颜色等指标，然后放开橡皮管上的螺旋夹，使气压恢复正常。而后再开动抽气机，使气压分别逐渐降至270mmHg(相当于海拔8000m高度，氧含量8.51％)、150mmHg(相当于海拔10000m高度，氧含量4.95％)，重复上述步骤。该装置的缺点是：功率不同的抽气机，达到设定气压值的时间不同，即使二台功率相同的抽气机其微小的功率误差或不同的工作状态达到设定的同一气压值所需时间也不尽相同，实验动物处于密闭观察容器内随时都在耗氧，抽气机运行时间越久密闭观察容器内的氧含量越低，降低的气压值与降低的氧含量不成比例，长时间抽气还会造成察容器内更严重缺氧，由此造成各小组之间的观察条件不一致，各项指标发生变化，各小组间实验结果没有可比性，无统计学意义。解决此问题关键在既要设定并自动调节气压值、又要设定并自动调节氧含量，使各组间实验条件一致。
发明内容
本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减解决上述问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种可设定并自动控制气压及氧含量的低气压实验装置，包括：
密闭观察容器，用于容纳实验对象；
氧气检测器，与所述密闭观察容器连接，用于检测所述密闭观察容器内的氧气浓度值；
贮氧容器，用于向所述密闭观察容器提供氧气；
单向电磁阀，分别与所述密闭观察容器和所述贮氧容器连接，用于开启和关闭所述贮氧容器的氧气出口；
压力检测器，与所述密闭观察容器连接，用于检测所述密闭观察容器内的气体压力值；
抽气机，与所述密闭观察容器连接，用于抽出所述密闭观察容器内的气体；
控制器，分别与所述单向电磁阀和所述抽气机连接，用于控制所述抽气机的运行和所述单向电磁阀的开启和关闭；
处理器，分别与所述控制器、所述氧气检测器和所述压力检测器连接，用于基于所述气体压力值和所述氧气浓度值计算所述抽气机的运行时间和所述单向电磁阀的开启和关闭时间，并将计算结果发送给所述控制器；
控制面板，与所述处理器连接，用于显示所述气体压力值和所述氧气浓度值，并且用于接收用户设定的气体压力设置值和氧气浓度设置值。
该装置能够实现抽气后不再出现低气压缺氧状态，在保持低气压的同时，氧气含量也满足实验要求，该装置针对低气压环境进行测试的同时消除了氧气量变化带来的影响，从而使测试结果更加准确。
可选地，所述压力检测器包括：
气压传感器，用于感测所述密闭观察容器内的气压模拟信号；
第一滤波器，与所述气压传感器连接，用于对所述气压模拟信号进行滤波；
第一放大器，与所述第一滤波器连接，用于将所述气压模拟信号进行放大；
第一AD转换器，与所述第一放大器连接，用于将所述气压模拟信号转换为所述气体压力值，并传送给所述处理器。
采用该压力检测器能够准确检测密闭观察容器内的气压值。
可选地，所述氧气检测器包括：
氧气传感器，用于感测所述密闭观察容器内的氧气浓度模拟信号；
第二滤波器，与所述氧气传感器连接，用于对所述氧气浓度模拟信号进行滤波；
第二放大器，与所述第二滤波器连接，用于将所述氧气浓度模拟信号进行放大；
第二AD转换器，与所述第二放大器连接，用于将所述氧气浓度模拟信号转换为所述氧气浓度值，并传送给所述处理器。
可选地，所述处理器包括：
氧气浓度值校正模块，分别与所述氧气检测器和所述压力检测器连接，用于基于所述气体压力值对所述氧气浓度值进行校正。
该装置采用该氧气浓度值校正模块能够使氧气浓度值的校正值真实准确，进而对后续氧气的补充提供数据依据。
可选地，所述氧气浓度值校正模块用于：采用如下公式对所述氧气浓度值进行校正：
其中，OX1表示氧气浓度值；OX2表示校正后的氧气浓度值；P1表示气压标准值；P2表示气体压力值；k表示校正系数。
可选地，所述控制器用于：先控制所述抽气机对所述密闭观察容器进行抽气操作，再控制所述单向电磁阀的开启和关闭。
因此，该装置先抽气再充氧气能够减少氧气的浪费，节约氧气，延长该装置的使用寿命。
可选地，所述处理器包括：
抽气值计算模块，与所述氧气检测器连接，用于基于所述气体压力值、所述气体压力设置值和所述密闭观察容器的容积，计算需要抽出的第一抽气值；
氧气值计算模块，与所述氧气检测器连接，用于基于所述氧气浓度值和所述密闭观察容器的容积计算需要提供的第一氧气量；
数值调整模块，分别与所述控制器、所述抽气值计算模块和所述氧气值计算模块连接，基于所述第一抽气值、所述第一氧气量和所述密闭观察容器的容积，通过迭代计算调整所述第一抽气值和所述第一氧气量，得到所述第二抽气值和所述第二氧气量，其中，调整后的所述第二抽气值和所述第二氧气量能够使得所述密闭观察容器内气体满足所述气体压力设置值和所述氧气浓度设置值，并且基于所述第二抽气值计算所述抽气机的运行时间，基于所述第二氧气量计算所述单向电磁阀的开启和关闭时间，将所述运行时间和所述开启和关闭时间发送给所述控制器。
该装置采用迭代计算的方式，无需反复抽气和补充氧气，一次抽气和/或一次补充氧气就可以使密闭观察容器内参数达到预定目标值。因此，节省了调整时间，提高了实验精度。
可选地，所述控制面板用于接收所述用户对所述抽气机的启动、停止、抽气速度和所述贮氧容器的进气速度的设置值。
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本申请的一个实施例的可设定并自动控制气压及氧含量的低气压实验装置的示意性结构图；
图2是图1所示装置的压力检测器的示意性结构图；
图3是图1所示装置的氧气检测器的示意性结构图；
图4是图1所示装置的处理器的示意性结构图。
具体实施方式
根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。
本申请提供了一种可设定并自动控制气压及氧含量的低气压实验装置100。图1是根据本申请的一个实施例的可设定并自动控制气压及氧含量的低气压实验装置的示意性结构图。该装置可以包括：
密闭观察容器110，用于容纳实验对象；
氧气检测器120，与所述密闭观察容器110连接，用于检测所述密闭观察容器110内的氧气浓度值；
贮氧容器130，用于向所述密闭观察容器110提供氧气；
单向电磁阀140，分别与所述密闭观察容器110和所述贮氧容器130连接，用于开启和关闭所述贮氧容器130的氧气出口；
压力检测器150，与所述密闭观察容器110连接，用于检测所述密闭观察容器110内的气体压力值；
抽气机160，与所述密闭观察容器110连接，用于抽出所述密闭观察容器110内的气体；
控制器170，分别与所述单向电磁阀140和所述抽气机160连接，用于控制所述抽气机160的运行和所述单向电磁阀140的开启和关闭；
处理器180，分别与所述控制器170、所述氧气检测器120和所述压力检测器150连接，用于基于所述气体压力值和所述氧气浓度值计算所述抽气机的运行时间和所述单向电磁阀的开启和关闭时间，并将计算结果发送给所述控制器170；
控制面板190，与所述处理器180连接，用于显示所述气体压力值和所述氧气浓度值，并且用于接收用户设定的气体压力设置值和氧气浓度设置值。
该装置通过抽气后不再出现低气压缺氧状态，在保持低气压的同时，氧气含量也满足实验要求，该装置针对低气压环境进行测试的同时消除了氧气量变化带来的影响，从而使测试结果更加准确。
图2是图1所示装置的压力检测器的示意性结构图。可选地，所述压力检测器150可以包括：
气压传感器210，用于感测所述密闭观察容器内的气压模拟信号；
第一滤波器220，与所述气压传感器210连接，用于对所述气压模拟信号进行滤波；
第一放大器230，与所述第一滤波器220连接，用于将所述气压模拟信号进行放大；
第一AD转换器240，与所述第一放大器230连接，用于将所述气压模拟信号转换为所述气体压力值，并传送给所述处理器。
该压力检测器可以设置在密闭观察容器的顶盖，以免实验对象对该部件的破坏和损坏。采用该压力检测器能够准确检测密闭观察容器内的气压值。
图3是图1所示装置的氧气检测器的示意性结构图。可选地，所述氧气检测器110包括：
氧气传感器310，用于感测所述密闭观察容器内的氧气浓度模拟信号；
第二滤波器320，与所述氧气传感器310连接，用于对所述氧气浓度模拟信号进行滤波；
第二放大器330，与所述第二滤波器320连接，用于将所述氧气浓度模拟信号进行放大；
第二AD转换器340，与所述第二放大器330连接，用于将所述氧气浓度模拟信号转换为所述氧气浓度值，并传送给所述处理器180。
该氧气检测器可以设置在密闭观察容器的顶盖，以免实验对象对该部件的破坏和损坏。采用该氧气检测器能够准确检测密闭观察容器内的氧气浓度值。
图4是图1所示装置的处理器的示意性结构图。可选地，所述处理器180包括：
氧气浓度值校正模块310，分别与所述氧气检测器和所述压力检测器连接，用于基于所述气体压力值对所述氧气浓度值进行校正。
可选地，所述氧气浓度值校正模块用于：采用如下公式对所述氧气浓度值进行校正：
其中，OX1表示氧气浓度值；OX2表示校正后的氧气浓度值；P1表示气压标准值；P2表示气体压力值；k表示校正系数。
由于在低气压状态下，氧气的测量值会发生变化，测量结果不能反映密闭观察容器内真实的氧气浓度。该装置采用该氧气浓度值校正模块能够使氧气浓度值的校正值真实准确，进而对后续氧气的补充提供数据依据。
可选地，所述控制器用于：先控制所述抽气机对所述密闭观察容器进行抽气操作，再控制所述单向电磁阀的开启和关闭。
在实际操作中，由于注入氧气再抽出空气会使得新注入的氧气中的一部分也随之抽出，造成氧气的浪费，因此，先抽气再充氧气能够减少氧气的浪费，节约氧气，延长该装置的使用寿命。
控制器可以包括驱动电路和继电器。处理器通过驱动电路来控制继电器的通断，当给定高电平信号时驱动电路导通继电器闭合从而控制抽气机的启停。当抽气机启动的时候将会抽出密闭观察容器内的空气使容器内的气压降低；当抽气机停止的时候，若通气阀完全关闭则密闭观察容器内气压不会发生变化，用户可以通过调节控制器面板上的“通气阀”旋钮或者通过设置“通气”使容器内气压变化，恢复正常值。
参考图4，可选地，所述处理器180包括：
抽气值计算模块410，与所述气压检测器150连接，用于基于所述气体压力值、所述气体压力设置值和所述密闭观察容器的容积，计算需要抽出的第一抽气值；
氧气值计算模块420，与所述氧气检测器120或氧气浓度值校正模块310连接，用于基于所述氧气浓度值和所述密闭观察容器的容积计算需要提供的第一氧气量；
数值调整模块430，分别与所述控制器170、所述抽气值计算模块410和所述氧气值计算模块420连接，基于所述第一抽气值、所述第一氧气量和所述密闭观察容器的容积，通过迭代计算调整所述第一抽气值和所述第一氧气量，得到所述第二抽气值和所述第二氧气量，其中，调整后的所述第二抽气值和所述第二氧气量能够使得所述密闭观察容器内气体满足所述气体压力设置值和所述氧气浓度设置值，并且基于所述第二抽气值计算所述抽气机的运行时间，基于所述第二氧气量计算所述单向电磁阀的开启和关闭时间，将所述运行时间和所述开启和关闭时间发送给所述控制器。
该装置能够通过迭代的方式计算抽气量和注氧量，例如，密闭观察容器的容积内氧气浓度30％。如果简单按照差值计算抽气量和氧气量，假设需要从密闭观察容器抽出200ml空气，才能使得气压从507mmHg变化到270mmHg。但是如果再补充一定量的氧气，例如60ml时，气压值会发生变化超过270mmHg，此时需要重新抽气甚至再次补充氧气，经过反复操作，才能使密闭观察容器内的气压值和氧气值达到实验标准。该装置采用迭代计算的方式，无需反复抽气和补充氧气，一次抽气和/或一次补充氧气就可以使密闭观察容器内参数达到预定目标值。因此，节省了调整时间，提高了实验精度。
可选地，所述控制面板190用于接收所述用户对通气、所述抽气机的启动、停止、抽气速度和所述贮氧容器的进气速度的设置值。
控制面板可以通过单片机控制数码管实现，数码管动态扫描的方式实时显示出当前值和设定值。当单片机给定数码管位选信号，经过74ls138译码器后再经过缓冲级UN2803选择8位数码管其中一位工作。74ls138译码器实现3线到8线的译码，UN2803用于电平转换取反控制信号，并驱动负载数码管。当单片机发送数码管要显示的段码时(即要显示的数字的二进制码)，通过74LS595实现数据串行输入并行输出，串行输入端为DS脚，并行输出位为Q0至Q7经过三极管Q2至Q9控制数码管数据的显示。
控制面板也可以通过显示屏与键盘、鼠标、按钮、旋钮的配合实现控制和设置；也可以通过触摸屏实现。
该装置的密闭效果出色、操作简便，采用卡口式通气阀能够快速恢复气压。
(1)密闭观察容器的顶盖上与抽气机的连接处设置有3个卡口，通气阀处有2个卡口，装置背面有2个卡口；
(2)PU管插在塞子上，塞子设置密闭观察容器的顶盖上，在接入PU管的时候只需要将PU管***卡口，卡口开关就会卡紧PU管，将PU管插到接头底部，管子插好后拉一下，确认管子拔不出；
(3)取下PU管时，只需压下绿色卡帽，卡口开关便打开，此时可以取下连接PU管；
(4)通气阀上的标志以岔口向下为大气进密闭观察容器方向。
该装置的安装流程如下：
(1)安装密闭观察容器的塞子的时候在塞子上涂抹真空脂；
(2)将通气阀直接***密闭观察容器的塞上端；
(3)将密闭观察容器的顶盖上，接触边缘涂抹真空脂，磨合紧密。
(4)密闭观察容器的顶盖上横向位置有两个接口，分别与装置后端进气口和气压检测口相连。
本申请提供的装置的实验方法可以包括以下步骤：打开密闭观察容器的顶盖，取初生及成年小白鼠各一只，放入密闭观察容器内，观察、记录小白鼠的一般活动情况，呼吸深度和频率及末梢部位(耳、唇、尾、脚掌)皮肤颜色。盖上密闭观察容器的顶盖，闭合密闭观察容器使之密封。设定气体压力值和氧气浓度值，开始实验，使气压分别逐渐降至507mmHg、270mmHg、150mmHg，氧气浓度值可以设置在250mg/L至350mg/L之间，优选为310mg/L。
当气压值达到设定气压值时，抽气机停止工作，当气压升高超过设定值5mmHg时，装置自动进入程序，抽气降低气压，持续稳定低气压环境，当气压稳定在设定值时观察上述指标，注意两只小白鼠有何不同。当成年鼠发生痉挛时，立即打开通气阀旋钮，使气压恢复正常，打开干燥器，观察两只小白鼠有何不同。
该装置操作界面简单实用，放气安全，简单的操作使教学和科研更为方便。气压降低后观察动物的行为学和体表变化也十分直观，抽气和放气过程均在较短时间内完成，使实验变得轻松快捷；程序控制抽气使得实验过程更为稳定可靠，误差小，方便得出客观的结论。使学生在实验中不再为无为、无效操作耗费大量的时间，把有限的时间和精力应用到钻研实验技术、观察缺氧现象、培养动手能力、思考缺氧机理上，大大提高实验效率和效果。它还可为本科学生进行心脑管***疾病研究，设计“缺氧实验模型”，实施大学生科技创新项目搭建了一个崭新的技术平台。本申请的装置还可以用于相关的科研实验如缺氧、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、缺氧预适应等模型的复制，具有广阔的应用前景。
实验表明，该装置创新性的改革了复制整体哺乳类动物缺氧实验模型的手段，实现对气压控制的精密调节和控制。该装置无水银，使用安全；管路密闭，气压调节范围达到600mmHg，气压稳定(误差<5mmHg)；该装置采用一体化设计，高精度，气压值设定方便灵活等优点。该装置现已用于某大学医学院、药学院、公共卫生学院、口腔医学院、护理学院5个学院本科、专科学生的医学机能综合实验及药理学实验二门课程的实验教学，为学校多专业、多学科共用，每年面对校内、外学生达1000人。采用该装置后，显著提高实践教学对学生的动手能力的培养，明显提高实验的成功率和实验教学效率，同时还使教师和学生处于一个安全的实验环境中。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例处理器中的各个模块也可以通过方法步骤实现，该方法步骤可以通过程序来指令处理器完成，所述的程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述存储介质是非短暂性(英文：non-transitory)介质，例如随机存取存储器，只读存储器，快闪存储器，硬盘，固态硬盘，磁带(英文：magnetic tape)，软盘(英文：floppy disk)，光盘(英文：optical disc)及其任意组合。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种可设定并自动控制气压及氧含量的低气压实验装置，包括：
密闭观察容器，用于容纳实验对象；
氧气检测器，与所述密闭观察容器连接，用于检测所述密闭观察容器内的氧气浓度值；
贮氧容器，用于向所述密闭观察容器提供氧气；
单向电磁阀，分别与所述密闭观察容器和所述贮氧容器连接，用于开启和关闭所述贮氧容器的氧气出口；
压力检测器，与所述密闭观察容器连接，用于检测所述密闭观察容器内的气体压力值；
抽气机，与所述密闭观察容器连接，用于抽出所述密闭观察容器内的气体；
控制器，分别与所述单向电磁阀和所述抽气机连接，用于控制所述抽气机的运行和所述单向电磁阀的开启和关闭；
处理器，分别与所述控制器、所述氧气检测器和所述压力检测器连接，用于基于所述气体压力值和所述氧气浓度值计算所述抽气机的运行时间和所述单向电磁阀的开启和关闭时间，并将计算结果发送给所述控制器；和
控制面板，与所述处理器连接，用于显示所述气体压力值和所述氧气浓度值，并且用于接收用户设定的气体压力设置值和氧气浓度设置值；
所述氧气浓度值校正模块用于：采用如下公式对所述氧气浓度值进行校正：
其中，OX1表示氧气浓度值；OX2表示校正后的氧气浓度值；P1表示气压标准值；P2表示气体压力值；k表示校正系数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力检测器包括：
气压传感器，用于感测所述密闭观察容器内的气压模拟信号；
第一滤波器，与所述气压传感器连接，用于对所述气压模拟信号进行滤波；
第一放大器，与所述第一滤波器连接，用于将所述气压模拟信号进行放大；和
第一AD转换器，与所述第一放大器连接，用于将所述气压模拟信号转换为所述气体压力值，并传送给所述处理器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氧气检测器包括：
氧气传感器，用于感测所述密闭观察容器内的氧气浓度模拟信号；
第二滤波器，与所述氧气传感器连接，用于对所述氧气浓度模拟信号进行滤波；
第二放大器，与所述第二滤波器连接，用于将所述氧气浓度模拟信号进行放大；和
第二AD转换器，与所述第二放大器连接，用于将所述氧气浓度模拟信号转换为所述氧气浓度值，并传送给所述处理器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器包括：
氧气浓度值校正模块，分别与所述氧气检测器和所述压力检测器连接，用于基于所述气体压力值对所述氧气浓度值进行校正。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器用于：先控制所述抽气机对所述密闭观察容器进行抽气操作，再控制所述单向电磁阀的开启和关闭。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器包括：
抽气值计算模块，与所述氧气检测器连接，用于基于所述气体压力值、所述气体压力设置值和所述密闭观察容器的容积，计算需要抽出的第一抽气值；
氧气值计算模块，与所述氧气检测器连接，用于基于所述氧气浓度值和所述密闭观察容器的容积计算需要提供的第一氧气量；和
数值调整模块，分别与所述控制器、所述抽气值计算模块和所述氧气值计算模块连接，基于所述第一抽气值、所述第一氧气量和所述密闭观察容器的容积，通过迭代计算调整所述第一抽气值和所述第一氧气量，得到第二抽气值和第二氧气量，其中，调整后的所述第二抽气值和所述第二氧气量能够使得所述密闭观察容器内气体满足所述气体压力设置值和所述氧气浓度设置值，并且基于所述第二抽气值计算所述抽气机的运行时间，基于所述第二氧气量计算所述单向电磁阀的开启和关闭时间，将所述运行时间和所述开启和关闭时间发送给所述控制器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述控制面板用于接收所述用户对所述抽气机的启动、停止、抽气速度和所述贮氧容器的进气速度的设置值。
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