Устройство для определения интенсивности дыхания

 

Использование: в измерительной технике, например, для определения биологической активности исследуемого материала в биологии, почвоведении, физиологии растений. Сущность изобретения: устройство кроме рабочих 2 и 3 и контрольного 4 сосудов варбурга и дифманометра 7 дополнительно снабжено уравнительным сосудом 6, многопозиционным переключателем и вычеслительным блоком. Это позволяет более эффективно проводить исследования благодаря высокой организации измерительной системы и применения современных средств измерения, т. е. автоматически действующего дифманометра и вычислительного блока, позволяющего быстро и точно выполнять расчеты. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительным приборам и может быть использовано в биологии, почвоведении, физиологии растений для определения биологической активности исследуемого материала.

Известно устройство для определения скорости поглощения кислорода почвой с корнями нетравмированного растения [1] . Работа устройства основана на манометрическом методе. Однако этому устройству присущи недостатки, наиболее крупный недостаток обусловлен трудностью герметизации сосуда Лииса.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для определения интенсивности дыхания [2] , работа которого также основана на манометрическом методе. В термостатируемую ванну помещают требуемое количество модифицированных сосудиков Варбурга [3] , каждый из которых соединен со стеклянным U-образным дифманометром. Модифицированный сосудик Варбурга отличается от немодифицированного наличием дополнительных боковых отростков и съемного дна сосудика. В каждый сосудик помещают стаканчик с исследуемым материалом, например систему почва-корни растения. В отростки сосудика наливают щелочной раствор при определении поглощения исследуемым материалом кислорода, а при определении выделения углекислого газа исследуемым материалом наливают воду в том же объеме, что и щелочь. Здесь же находится модифицированный сосудик Варбурга со стаканчиком, наполненным селикагелем и соединенным с U-образным стеклянным манометром. Последний используется для внесения поправки в показания дифманометров рабочих модифицированных сосудиков для учета колебаний атмосферного давления.

Через заданный промежуток времени после начала опыта снимают показания дифманометров и рассчитывают количество поглощенного кислорода или выделившегося углекислого газа по следующим формулам: X_O2 = (ΔH_p - ΔH_к) K_O2, (1) где X_O2 - количество поглощенного кислорода, мл; ΔН_р, ΔН_к - показания дифманометров соответственно для рабочего и контрольного сосудиков Варбурга; K_O2 - константа сосудика по кислороду.

X= (ΔH_p-ΔH_k)- K, (2) где Х_СO2 - количество выделившегося углекислого газа, мл; К_СO2 - константа сосудика по углекислому газу.

В формулах (1), (2) величины К_O2и К_СO2 равны: K= , K= , где V_g - объем газового пространства в измерительной системе, мл; α₁ , α₂ - растворимость кислорода и углекислого газа соответственно в мл на 1 мл жидкости (при парциальном давлении газа 1 атм - 101,3 кПа и температуре); Vf - объем жидкости, налитой в сосудик, мл; t - температура термостатирования.

По значениям Х_O2 и Х_СO2 рассчитывают интенсивность дыхания для исследуемого материала. Интенсивность дыхания равна:
по кислороду Y_O2 = X_O2/(P_c T) (3)
по углекислому газу Y_CO2 = X_CO2/(P_c T), (4) где Р_с - вес абсолютно сухой почвы, кг;
Т - длительность опыта, ч.

Известному устройству присущи следующие недостатки:
- низкая точность вследствие ошибок визуального отсчета показаний дифманометров;
- трудоемкость и большие затраты времени на получение результатов;
- малая надежность устройства из-за стеклянного исполнения U-образных приборов.

Цель изобретения - повышение точности и эксплуатационной надежности устройства.

Достигается это тем, что устройство снабжено уравнительным сосудом, многопозиционным переключателем и вычислительным блоком, подключенным к выходу дифманометра, первая камера которого соединена с контрольным сосудиком Варбурга, а вторая - с выходом многопозиционного переключателя, при этом соответствующие входы последнего связаны с уравнительным сосудом и рабочими сосудиками Варбурга. Многопозиционный переключатель состоит из герметичного полого цилиндрического корпуса, внутри которого с зазором относительно внутренней поверхности и соосно с возможностью вращения вокруг этой оси установлен цилиндр с сообщенными между собой осевым и радиальными отверстиями, при этом в боковой стенке полого цилиндрического корпуса выполнены пары сквозных отверстий по числу рабочих сосудиков Варбурга, со штуцерами, причем первый штуцер каждой пары соединен с уравнительным сосудом, а второй - с соответствующим сосудиком Варбурга, а в осевом отверстии цилиндра с зазором размещен выходной штуцер, проходящий через торцовую стенку цилиндрического корпуса, при этом зазоры между цилиндром, выходным штуцером и цилиндрическим корпусом заполнены герметиком.

По сравнению с прототипом данное устройство позволяет повысить точность определения интенсивности дыхания и более надежно в эксплуатации.

Более высокая точность устройства обеспечивается за счет автоматического снятия показаний с дифманометра и ввода этих показаний в вычислительный блок взамен ручного.

Замена большого числа дифманометров на один является источником, во-первых, повышения точности измерений ввиду того, что во все расчеты будет вносится одна и также систематическая погрешность, присущая используемому дифманометру, в отличие от систематических погрешностей, присущих каждому из дифманометров в прототипе; во-вторых, повышение надежности устройства обеспечивается за счет того, что уменьшение числа элементов сложного устройства ведет к повышению его эксплуатационной надежности, а именно безаварийной работоспособности.

Другим фактором повышения надежности является использование автоматического дифманометра с дистанционной передачей информации взамен стеклянных U-образных дифманометров с визуальным отсчетом показаний.

На фиг. 1 схематично представлен общий вид устройства; на фиг. 2 - конструкция многопозиционного переключателя; на фиг. 3 - разрез по А-А на фиг. 1 (многопозиционного переключателя).

Устройство содержит термостатируемую ванну 1 с рабочими 2, 3 и контрольным 4 сосудиками Варбурга, многопозиционный переключатель 5, уравнительный сосуд 6, дифманометр 7 и вычислительный блок 8. Для простоты описания показаны только два рабочих сосудика 2, 3; в общем случае их может быть любое число. В рабочие сосудики 2, 3 помещены стаканчики с исследуемым материалом, а в контрольный сосудик 4 - стаканчик с селикагелем.

Многопозиционный переключатель 5 представляет собой неподвижный герметичный полый цилиндрический корпус 9, внутри которого размещен вращающийся цилиндр 10. В одной из торцовых стенок корпуса 9 переключателя 5 по оси вращающегося цилиндра 10 закреплен штуцер 11, который герметично входит в осевое отверстие 12 вращающегося цилиндра 10. Это осевое отверстие 12 сообщено с радиальным отверстием 13 в теле вращающегося цилиндра 10. На корпусе 9 по окружности боковой поверхности размещены нары сквозных отверстий со штуцерами 14, 15 по числу рабочих сосудиков 2, 3. Первый штуцер 14 каждой пары соединен с одним из рабочих сосудиков, например с сосудиком 2. Вторые штуцера 15 каждой пары объединены между собой и соединены с уравнительным сосудом 6.

Первая (плюсовая) и вторая (минусовая) камеры дифманометра 7 соединены соответственно с контрольным 4 сосудиком Варбурга и с штуцером 11, т. е. с выходом многопозиционного переключателя 5. Минусовая камера дифманометра 7 при позиционировании вращающегося цилиндра 10 относительно штуцеров 14 и 15 оказывается соединенной соответственно с одним из рабочих сосудиков 2, 3 Варбурга, либо с уравнительным сосудом 6. Такая связь обеспечивается посредством штуцера 11, осевого 12 и радиального 13 отверстий в теле цилиндра 10 и штуцеров 14 и 15 корпуса переключателя 5.

Уравнительный сосуд 6 заполнен жидкостью (нейтральной), например дистиллированной водой, и связан с атмосферой. Обе камеры дифманометра 7 также заполнены этой жидкостью. Уравнительный сосуд 6, переключатель 5 и дифманометр 7 должны быть размещены по вертикали ниже термостатируемой ванны с сосудиками 2, 3, 4. При этом взаимное расположение уравнительного сосуда 6, переключателя 5 и дифманометра 7 должно быть таким, чтобы абсолютное давление в минусовой камере при ее соединении с уравнительным сосудом 6 не превосходило атмосферного давления. Вычислительный блок 8 соединен с выходом дифманометра 7.

Подготовка к работе. Уравнительный сосуд 6 и обе камеры дифманометра 7 заливаются дистиллированной водой. При этом переключатель 5 находится в таком положении, когда цилиндр 10 позиционирован так, что его радиальное отверстие 13 совмещено с выходным отверстием штуцера 15. Контрольный сосудик 4 со стаканчиком с селикагелем подключен к дифманометру 7. Давление Р_б^к в контрольном сосудике 4 выравнивается с атмосферным, после чего сосудик 4 отсекается от атмосферы. Признаком правильности установки уравнительного сосуда 6, переключателя 5 и дифманометра 7, тем самым готовности измерительной системы к работе, является равенство нулю выходного сигнала дифманометра 7. Для герметизации переключателя 5 зазор между внутренней поверхностью корпуса 9 и внешней поверхностью вращающегося цилиндра 10 смазывается, например, вазелином. Последний вносится в зазор между штуцером 11 и осевым отверстием 12 вращающегося цилиндра 10.

Работа устройства. В рабочие сосудики 2, 3 Варбурга устанавливают стаканчики с исследуемым материалом. В соответствии с экспозицией опыта начинают процесс измерения. В момент начала опыта включают в работу таймер вычислительного блока 8. Процесс измерения осуществляют в следующей последовательности. Позиционируют цилиндр 10 переключателя 5 так, чтобы радиальное отверстие 13 совместилось с выходным отверстие штуцера 14, к которому подсоединен первый рабочий сосудик 2 Варбурга. В результате дифманометр 7 и рабочий сосудик 2 соединены. На выходе дифманометра 7 под действием разности давлений Р_б^к и Р_а соответственно в рабочем 2 и контрольном 4 сосудиках Варбурга формируется электрический сигнал, пропорциональный величине ΔН_р - ΔН_к из формулы (1). Покажем это.

Для устройства [1] ΔН_р = Р_б - Р_а, а ΔН_к = Р_б - Р_б^к, где Р_б - атмосферное давление в момент измерения, Р_а, Р_б^к - абсолютное давление соответственно в рабочем 2 и контрольном 4 сосудиках Варбурга. Легко видеть, что ΔН_р -ΔН_к = Р_б^к - Р_а. Из описания вытекает и чертеж это поясняет, что в плюсовой камере дифманометра 7 действует давление Р_б^к, а в минусовой - Р_а.

В вычислительном блоке 8 по значениям сигналов от дифманометра и таймера рассчитываются по формулам (1) и (3) либо (2) и (4) искомые показатели. В вычислительный блок 8 перед началом измерений вводятся данные, необходимые для расчетов по формулам (1). . . (4).

Далее приступают к измерению давления во втором рабочем сосудике 3 Варбурга. Предварительно дифманометр 7 приводят к исходному состоянию. Для этого цилиндр 10 переводят в положение, в котором радиальное отверстие 13 совмещается с выходным отверстием штуцера 15. В результате минусовая камера дифманометра 7 соединяется с уравнительным сосудом 6. После этого цилиндр 10 переключателя 5 позиционируют относительно штуцера 14, к которому подключен второй рабочий сосудик 3. Описанная выше процедура измерений повторяется.

В такой последовательности осуществляется измерение для всех рабочих сосудиков 2, 3 Варбурга, используемых в опыте. После этого цикл измерений может быть многократно повторен через требуемые промежутки времени. Позиционирование переключателя 5 относительно рабочих сосудиков 2, 3 Варбура и уравнительного сосуда 6 может осуществляться как вручную, так и с помощью шагового двигателя.

Использование устройства позволяет более эффективно проводить исследования. Это достигается за счет более высокой организации измерительной системы и использования современных средств измерения, а именно автоматически действующего дифманометра, а также вычислительного блока, обеспечивающего быстрое и точное выполнение расчетов.

Кроме того, такая измерительная система позволяет с несравненно малыми затратами труда по сравнению с прототипом осуществлять контроль за динамикой процессов в исследуемом материале (поглощение кислорода и выделение углекислого газа). (56) Игнатьев Н. Н. , Шуваев В. А. Прибор для измерения скорости поглощения кислорода почвой с корнями нетравмированного растения. А. с. N 1309347.

Практикум по физиологии растений. Под ред. Н. Н. Третьякова. - М. : Колос, 1982. - С. 146-155.

Игнатьев Н. Н. Модификация метода Варбурга с целью определения интенсивности поглощения кислорода почвой с ненарушенной структурой. - Доклады ТСХА, 1972, вып. 176, с. 51-55.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ДЫХАНИЯ, содержащее дифманометр и рабочие и контрольный сосудики Варбурга, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и эксплуатационной надежности устройства, оно снабжено уравнительным сосудом, многопозиционным переключателем и вычислительным блоком, подключенным к выходу дифманометра, первая камера которого соединена с контрольным сосудиком Варбурга, а вторая - с выходом многопозиционного переключателя, при этом соответствующие входы последнего связаны с уравнительным сосудом и рабочими сосудиками Варбурга.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что многопозиционный переключатель состоит из герметичного полого цилиндрического корпуса, внутри которого с зазором относительно внутренней поверхности и соосно с возможностью вращения вокруг этой оси установлен цилиндр с сообщенными между собой осевым и радиальными отверстиями, при этом в боковой стенке полого цилиндрического корпуса выполнены пары сквозных отверстий по числу рабочих сосудиков Варбурга со штуцерами, причем первый штуцер каждой пары соединен с уравнительным сосудом, а второй - с соответствующим сосудиком Варбурга, а в осевом отверстии цилиндра с зазором размещен выходной штуцер, проходящий через торцевую стенку цилиндрического корпуса, при этом зазоры между цилиндром, выходным штуцером и цилиндрическим корпусом заполнены герметиком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3