一种反刍动物呼出气体采集仪器和系统

1.本技术涉及采集技术领域，尤其涉及反刍动物呼出气体采集仪器和系统。


背景技术：

2.温室效应即大气保温效应，大气中引起温室效应的主要气体为甲烷、二氧化碳和氧化亚氮，温室气体能为地球生物提供适宜的温度区间，但是过量温室气体的产生和排放会使全球气温升高，引起全球变暖，甚至扰乱全球的生态平衡。
3.随着畜牧业的不断发展，温室气体也随之增加。在全球范围内，据估计，畜牧生产占人为温室气体排放总量的9％至11％。反刍动物瘤胃发酵产生的甲烷是温室气体重要的来源之一，甲烷作为一种温室气体，其温室效应是同体积二氧化碳的数倍。
4.而目前，科学研究中对反刍动物呼出气体的有效采集仍存在困难，同时对反刍动物呼出气体采集缺乏便捷有效的方案。
5.因此，如何实现便捷有效的呼出气体采集，是需要解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种反刍动物呼出气体采集仪器和反刍动物呼出气体采集系统，以解决现有技术中如何实现便捷有效的呼出气体采集的技术问题。
7.为实现上述目的，本技术实施例采取了如下技术方案。
8.第一方面，本技术实施例提供一种反刍动物呼出气体采集仪器，包括呼吸口罩、导气管、三通管件、电控模块、出气气路模块和进气气路模块；呼吸口罩通过导气管与三通管件的第一端连接，三通管件的第二端与进气气路模块连接，三通管件的第三端与出气气路模块连接；出气气路模块用于与集气装置连接；电控模块分别与进气气路模块和出气气路模块电连接，以监测反刍动物的呼吸状态，并控制进气气路模块和出气气路模块的开闭以收集呼出气体。
9.可选地，出气气路模块和进气气路模块均包括电控阀和传感器，电控阀和传感器均与电控模块电连接；电控阀用于控制所在气路的开闭，传感器用于监测反刍动物的呼吸状态并产生进气信号或出气信号传输至电控模块。
10.可选地，电控模块包括驱动模块、处理模块、电池模块和电源转化模块；电池模块与驱动模块电连接，电池模块还通过电源转化模块与处理模块电连接，驱动模块与电控阀电连接；处理模块与驱动模块和传感器电连接，处理模块通过驱动模块控制电控阀的运动方向以控制气路的开闭。
11.可选地，电控模块包括控制开关模块，控制开关模块用于对电控阀使能或复位。
12.可选地，控制开关模块包括总复位开关、进气开关和出气开关；总复位开关用于使电控阀复位并停止动作，进气开关用于打开进气气路模块并关闭出气气路模块；出气开关用于打开出气气路模块并关闭进气气路模块。
13.可选地，电控模块包括通信接口，电控模块还用于通过通信接口与计算机连接。
14.可选地，电控阀为电磁阀。
15.可选地，传感器为反刍动物用双向气流检测传感器。
16.第二方面，本技术实施例提供一种反刍动物呼出气体采集系统，包括集气装置和第一方面所述的反刍动物呼出气体采集仪器。
17.可选地，集气装置为集气袋，有两个开口，集气袋的进气口与出气气路模块连接，集气袋的出气口用于与大气连接。
18.相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：
19.本技术实施例提供的反刍动物呼出气体采集仪器和系统，能监测反刍动物的呼吸状态，并自动收集呼出气体，结构简单而便携，能为动物营养领域的研究和反刍动物甲烷排放的研究提供便利。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.图1为本技术实施例的一种反刍动物呼出气体采集仪器结构示意图；
22.图2为本技术实施例的另一种反刍动物呼出气体采集仪器结构示意图；
23.图3为本技术实施例的一种电控模块结构示意图；
24.图4为本技术实施例的一种电源转化模块连接示意图；
25.图5为本技术实施例的一种通信接口连接示意图；
26.图6为本技术实施例的一种单片机作为处理模块的连接示意图；
27.图7为本技术实施例的一种驱动模块连接示意图；
28.图8为本技术实施例的一种反刍动物呼出气体采集系统示意图。
29.附图标记说明：
30.100-反刍动物呼出气体采集仪器；
31.110-呼吸口罩，120-导气管，130-三通管件，140-电控模块，150-出气气路模块，160-进气气路模块，210-集气装置；
32.141-驱动模块，142-处理模块，143-电池模块，144-电源转化模块，145-通信接口；151、161-电控阀，152、162-传感器。
具体实施方式
33.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范
围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.在本技术的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。
36.为了实现便捷有效的呼出气体采集，为动物营养领域的研究和反刍动物甲烷排放的研究提供便利，参考图1，本技术实施例提供一种反刍动物呼出气体采集仪器100，包括呼吸口罩110、导气管120、三通管件130、电控模块140、出气气路模块150和进气气路模块160；呼吸口罩110通过导气管120与三通管件130的第一端连接，三通管件130的第二端与进气气路模块160连接，三通管件130的第三端与出气气路模块150连接。
37.出气气路模块150用于与集气装置210连接。气体依次经过进气气路模块140、三通管件130、导气管120和呼吸口罩110，再进入反刍动物体内，呼出时气体依次经过呼吸口罩110、导气管120、三通管件130和出气气路模块150，在集气装置210中储存呼出气体。
38.电控模块140分别与进气气路模块160和出气气路模块150电连接，以监测反刍动物的呼吸状态，并控制进气气路模块160和出气气路模块150的开闭以收集呼出气体。
39.需要收集呼出气体时，将出气气路模块150与集气装置210连接。吸气时，电控模块140打开进气气路模块160并关闭出气气路模块150，保持进气气路模块160打开和出气气路模块150关闭直到吸气结束或呼气开始；呼气时，电控模块140关闭进气气路模块160并打开出气气路模块150，保持进气气路模块160关闭和出气气路模块150打开直到呼气结束或吸气开始。当完成呼出气体的收集时，即可断开出气气路模块150与集气装置210的连接，或关闭出气气路模块150，可以打开进气气路模块160，也可以取下反刍动物的呼吸口罩。
40.该反刍动物呼出气体采集仪器100能监测反刍动物的呼吸状态，并根据呼吸状态，自动地收集呼出气体，结构简单而便携。
41.为了在进气气路和出气气路中均能精准地监测呼吸状态，并能灵活控制进气气路和出气气路的开闭，一种实现方式如图2，出气气路模块150和进气气路模块160均包括电控阀151、161和传感器152、162，电控阀151、161和传感器152、162均与电控模块140电连接；电控阀151、161用于控制所在气路的开闭，传感器152、162用于监测反刍动物的呼吸状态并产生进气信号或出气信号传输至电控模块140。
42.若仅在进气或出气一路设置传感器，在该气路关闭时，该气路上的传感器可能不能感受到所在气路的气压变化等条件以反映呼吸状态，导致仪器不能良好地监测和工作。
43.例如呼气时，进气气路模块160处于关闭状态，出气气路模块150处于打开状态，则进气气路模块160的传感器162由于气流流速较慢而不能灵敏地检测气流变化或气流变化的趋势，而出气气路模块150的传感器152则一直处于气流中，当气流逐渐放缓或停止流动时，即可得知呼气结束。因此在呼气状态，用出气气路模块150的传感器152去监测是可靠的。同理，吸气状态时相反。
44.因此优选地，设置两路传感器152或162，且两路传感器152或162均可监测呼吸状态，电控模块140可根据两路传感器的信号综合判断，例如以正处于打开状态的气路中的传感器为准。当监测到反刍动物处于呼气状态时，电控模块140控制出气气路模块150打开而进气气路模块160关闭；当监测到反刍动物处于吸气状态时，电控模块140控制进气气路模
块160打开而出气气路模块150关闭；这样避免了呼出气体与空气的混合，从而采集到纯净的呼出气体。
45.传感器152或162可以根据气压差的原理实现，或气流产生力的原理实现。申请人为了针对此仪器的应用场景，设计了如实用新型专利实用新型cn214908641u的反刍动物用双向气流检测传感器，因此反刍动物呼出气体采集仪器100中的传感器152或162可以采用反刍动物用双向气流检测传感器。
46.传感器152或162可以有一端接电源，一个输出端输出高或低电平两个状态对应所在气路需要打开或关闭，同时对应另一气路相反状态。例如吸气时，出气气路模块的传感器152输出低电平，或进气气路模块160的传感器162输出高电平，对应进气气路模块160需要打开，同时出气气路模块150需要关闭。
47.传感器152或162也可有两个输出端，一端输出高电平或另一端输出高电平对应所在气路需要打开或关闭，同时对应另一气路相反状态。例如吸气时，出气气路模块150的传感器152第一输出端输出高电平，或进气气路模块160的传感器162第二输出端输出高电平，对应进气气路模块160需要打开，同时出气气路模块150需要关闭。当两个输出端无输出高电平时，对应气路模块不需动作；两个输出端均输出高电平时，可能说明硬件出现了故障。
48.此外，两个传感器的输出可能会矛盾，例如出气气路模块的传感器152第一输出端输出高电平表示吸气，而进气气路模块160的传感器162第一输出端输出高电平表示呼气，两者同时发生时，表示同时吸气和呼气，是矛盾的，这种情况可能是程序错误，也可能是传感器等硬件故障，可能需要程序中设置对应报警提示，由技术人员排查错误。
49.出气气路模块150和进气气路模块160里的电控阀151、161可以采用电磁阀，例如二位电磁阀，电磁阀的两个位置分别对应气路的开闭两个状态，结构简单且易于实现。
50.传感器152、162和电控阀151、161都需要电控模块140控制，一种实现方式如图3，电控模块140包括驱动模块141、处理模块142、电池模块143和电源转化模块144；电池模块143与驱动模块141电连接，电池模块143还通过电源转化模块144与处理模块142电连接，驱动模块141与电控阀151、161电连接；处理模块142与驱动模块141和传感器152、162电连接，处理模块142通过驱动模块141控制电控阀151、161的运动方向以控制气路的开闭。
51.电池模块143直接给驱动模块141供电，驱动模块141可以输出较大的驱动电压或电流，以驱动电磁阀，而处理模块142仅需要小的电压或电流，于是电池模块143先经过电源转化模块144转化成较小的电压，从而给处理模块142供电，减少了功耗。
52.电池模块143可选用12v或24v蓄电池，电源转化模块144例如hx1314g可将8v-30v的直流电转化为5v输出，其原理图如图4。
53.为了通过计算机对电控模块140输入程序，从而使电控模块140根据程序工作，一种实现方式中，电控模块140包括通信接口145，电控模块140还用于通过通信接口145与计算机连接。
54.电控模块140的通信接口145可以设置与处理模块142电连接，处理模块142可以是51单片机，例如stc89c52单片机；对于stc89c52单片机，通信接口145的原理图如图5，包括max232芯片和db9接口，其中vcc可接入电源转化模块144的输出端得到5v电源，p30、p40接入单片机的通信端，单片机通过max232芯片和db9接口能够与计算机进行串口通信。
55.stc89c52单片机作为处理模块时，可参考图6，为了可以手动控制电控模块140，例
如手动调节阀门，电控模块140还可包括控制开关模块sw spst，控制开关模块用于对电控阀151、161使能或复位。对控制开关模块进行手动控制，可以调节仪器的工作状态。
56.为了精准控制阀门或复位，如图6，控制开关模块包括总复位开关s1、进气开关s2和出气开关s3；总复位开关s1用于使电控阀151、161复位并停止动作，进气开关s2用于打开进气气路模块160并关闭出气气路模块150；出气开关s3用于打开出气气路模块150并关闭进气气路模块160。
57.总复位开关s1使仪器的所有电控阀151、161恢复至默认状态，例如所有气路打开，此时，两个气路传感器均可以敏感地检测气流及气流的变化。
58.通过对进气开关s2、出气开关s3的手动控制，可以观察进气气路模块160和出气气路模块150是否能正常动作，例如所有电控阀是否能在开闭状态之间切换，进而检测仪器是否能正常工作。
59.以上s1-s3每个开关可同时控制两个电控阀，使两个电控阀联动。还可以设置针对单个电控阀的开关，例如针对出气气路的电控阀，开关可以控制出气气路的电控阀动作与否，或者控制出气气路的电控阀的开闭2个位置的切换，而不控制进气气路的电控阀。
60.而设置针对单个电控阀的开关时，例如设置了针对出气气路的开关和进气气路的开关，手动控制两路的电控阀的开关，可能会使两路气路都关闭，导致两个气路的传感器都不能灵敏地检测气流，这种状态下，仪器可能不能正常工作。因此，图6的示例中总共设置了3个开关，可以对应两路全开、仅进气气路开、仅出气气路开3个状态。
61.图6中，rest端接复位电路以复位单片机，xtal1、xtal2连接于晶振电路，接地端gnd接地，均为按stc89c52单片机原理图连接。
62.p03～p06共4个输入端对应接两个气路的传感器152、162共4个输出端，这里的每个传感器有两个输出端，一端输出高电平或另一端输出高电平对应所在气路需要打开或关闭。
63.p20～p23接驱动模块141。驱动模块141可以选如图7的l298n。一种实现方式中，l298n驱动2个气路的2个直流电机，控制电机的正反转来旋动阀门，实现气路的开闭。例如正转使能把阀门打开，反转时能把阀门关闭。
64.在单片机的程序中，为了输入状态的确认，可以设置延迟之后再次确认，从而排除传感器误动作或电路本身的噪声所带来的干扰。输出控制电控阀时，需要根据电控阀的种类设置输出的函数，例如用直流电机旋转控制的阀门，需要注意电机旋转速度和旋转时间，转过一段时间后停止输出，阀门就完成了开闭的切换。
65.基于上述实施例，本技术实施例还提供一种反刍动物呼出气体采集系统200如图8，包括集气装置210和上述的反刍动物呼出气体采集仪器100，可以将呼出的气体用集气装置210收集，进而研究其成分。
66.在刚刚启用反刍动物呼出气体采集仪器100时，由于仪器的内部管路本包含气体，为了收集更纯净的呼出气体，需要先将内部管路的气体先用反刍动物的呼出气体排空，一种实现方式是排空之后再连接集气装置210。另一种实现方式中，集气装置210为集气袋，有两个开口，集气袋的进气口与出气气路模块150连接，集气袋的出气口用于与大气连接。先让呼出气体和内部管路的气体通过出气口排到大气，压瘪集气袋，排过内部管路的气体之后再关闭出气口，这时即可收集气体。
67.总体来说，本技术提出了一种反刍动物呼出气体采集仪器和系统，能监测反刍动物的呼吸状态，并自动收集纯净的呼出气体，避免与空气混合，结构简单而便携，能为动物营养领域的研究和反刍动物甲烷排放的研究提供便利。
68.以上所描述的仪器及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
69.上述仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。