OSID：
在现代奶牛养殖中,急性(pH<5.0)和亚急性(5.0<pH<5.5)瘤胃酸中毒是发病率较高的一类胃部疾病[1]。STEFA
SKA等[2]在9个波兰牛场对213头奶牛进行检查,发现约14%奶牛患有亚急性瘤胃酸中毒。ATKINSON[3]针对英国瘤胃酸中毒发病率的调查发现,22个养殖场的244头奶牛有26.2%出现瘤胃酸中毒情况。一项研究表明,我国的育肥牛、羊和奶牛的亚急性瘤胃酸中毒发病率在19%～26%之间[4]。长期处于亚急性瘤胃酸中毒,不仅影响奶牛的采食量和产奶量,而且会诱发瘤胃炎、跛行、肝脏脓肿、腹泻等疾病[5-7]。但亚急性瘤胃酸中毒的早期临床症状不明显。因此,瘤胃酸中毒需要以预防为主[8-9]。研发奶牛瘤胃pH长期连续监测设备成为畜牧业智慧化养殖的一个热点问题。
现有多项研究采用连续工作的pH电极设计了奶牛瘤胃pH监测设备。例如,ZHANG等[10]将金属氧化物半导体场效应晶体管与由铟锡氧化物薄膜制成的传感电极相结合,设计制造了一款固态pH传感器,但仍在进行长期工作测试。ALZAHAL等[11]使用pH复合电极设计了连续记录瘤胃pH值的设备。ANDERSSON等[12]使用含双结Ag/AgCl参比电极的复合电极开发了用于瘤胃pH监测的设备。MOTTRAM等[13]使用玻璃电极和凝胶封存的氯化钾组成复合电极,监测奶牛瘤胃pH值。赵继政等[14]使用复合电极和温度传感器PT1000实现了较长时间的瘤胃pH和温度连续监测。上述研究使用的连续性检测pH复合电极均由工作电极和参比电极组成,通过测量两个电极之间的电压计算pH值。其中,工作电极均为玻璃电极,参比电极为Ag/AgCl电极。玻璃电极和Ag/AgCl参比电极已被证明是目前最稳定和成熟的pH测量电极系统[15-16]。上述研究为奶牛瘤胃pH长期精准监测提供了技术手段。
Ag/AgCl参比电极要求内部电解质与被测液体连通。为了减少参比电解质的流出,传统Ag/AgCl电极通常使用多孔熔块作为液接点。但多孔熔块会存在潜在的不稳定性,如内部电解液中AgCl络合物的堵塞[17]。采用电解质自由扩散液体结的参比电极虽然更加稳定,但是电解质的流速不受控制,不适合应用于瘤胃pH传感器。针对电解质流速不受控制的问题,HIGUCHI 等[18]提出参比电解质间断式流出的pH电极设计方案,设计了使用阀门实现间断性测量的参考电极。为保证内部电解质顺利流出,引入铂电极系统,通过电解内参比溶液产生氢气对内部电解质进行加压[19]。铂电极系统通过氢气加压的方式对电极的放置姿态存在要求,当氢气充斥在外流管道端口时,会导致pH测量的不连贯。
针对上述间断式奶牛瘤胃pH测量电极的不足,本文对现有电极的阀门部分进行尺寸优化;对电极加压模块进行改进,采用加压弹簧实现内参比液压强控制,消除现有电极内部存在气体对测量的影响。
本研究通过咨询奶牛养殖专家及参考文献[20],确定了间断式pH探头的关键问题:考虑到探头实际应用时需从奶牛食道进行投喂,探头封装尺寸应尽可能小;阀门部件关闭状态下应完全隔绝内外液体,同时具备重复多次使用的性能;加压部件应保证内参比液内部压强大于外部瘤胃液压强,且外流稳定。
如图1所示,本文设计的间断式pH测量探头主要由阀门部件、加压部件、测量部件组成。其中,阀门由生物金属纤维、镍钛合金棒和硅胶管组成;加压部件由弹簧、活塞与内管组成;测量部件由镀氯化银的银棒、玻璃电极、温度传感器PT1000及壳体内容纳的饱和KCl溶液组成;电极可与电池、测量电路一同封装,随后通过奶牛的食道投放进入瘤胃。
图1 间断式瘤胃pH探头
Fig.1 Discontinuous rumen pH probe
1.玻璃电极 2.温度传感器PT1000 3.生物金属纤维 4.硅胶管 5.镍钛合金棒 6.内管 7.活塞 8.弹簧 9.镀氯化银的银棒
如图2所示,在测量时,对生物金属纤维两端供电,生物金属纤维收缩拉动镍钛合金棒顶端,打开硅胶管。饱和KCl参比液受到活塞的挤压,从硅胶管流出。通过镀氯化银的银棒和玻璃电极之间电位差计算pH值。同时,测量PT1000阻值计算当前温度,为pH检测提供温度补偿。检测结束后生物金属纤维断电伸展,镍钛合金棒恢复原状,封闭硅胶管,阻断饱和KCl参比液流出。
图2 探头工作原理图
Fig.2 Schematic of probe
1.玻璃电极 2.温度传感器PT1000 3.生物金属纤维 4.镍钛合金棒 5.硅胶管 6.活塞 7.饱和氯化钾溶液 8.镀氯化银的银棒 9.导线
基于功能需求,对阀门和加压部件的结构、尺寸和排布方式进行设计。
阀门部件设计主要包括:确定阀门结构;测定阀门部件使用的材料参数,为后续计算提供数据支撑;利用有限元模拟确定阀门封闭条件;基于阀门封闭条件,通过数值计算确定阀门部件的具体尺寸;利用有限元模拟手段对阀门开启状态进行分析,为加压部件的设计提供数据支撑。
2.1.1 阀门结构
阀门由镍钛合金棒、硅胶管和生物金属纤维组成。三者布局如图3,尺寸参数如表1所示。硅胶管一端接入壳体,引出饱和KCl参比液,另一端伸出前盖,接触测量液体。硅胶管两端均塞有毛细玻璃管,用于保证硅胶管端口保持张开状态。镍钛合金棒一端固定在外壳上,另一端与生物金属纤维连接,放置方向与硅胶管垂直并压在硅胶管上。生物金属纤维一端连接镍钛合金棒,另一端使用螺丝固定在探头壳体上。
表1 阀门部件参数
Tab.1 Material parameters of valve parts mm
部件名称内径外径硅胶管0.30.8毛细玻璃管0.30.5镍钛合金棒0.4生物金属纤维0.15
图3 阀门部件布局图
Fig.3 Layout diagram of valve parts
1.硅胶管 2.镍钛合金棒 3.生物金属纤维 4.螺丝
2.1.2 超弹性材料参数测定
超弹性材料包含镍钛合金和硅胶管两种材料。通过对镍钛合金进行单轴加载和卸载试验得到有限元模拟所需参数[21-23]。试验设备选用生物力学试验机。试样直径0.4 mm,总长度300 mm,使用专用夹具夹持。试验分两步进行:进行镍钛合金断裂强度试验,以2 mm/min的速率拉伸至断裂,得到合金丝超弹性存在的极限应变;进行试样的加载卸载试验,加载与卸载速率均为2 mm/min。试验数据如图4所示,在最大应力小于325 MPa时,材料仍处在超弹性阶段,发生的形变均可回复。有限元分析所需参数如表2所示。
表2 镍钛合金材料参数
Tab.2 Material parameters of nitinol alloy
参数数值镍钛合金材料密度ρ/(kg·m-3)6450奥氏体弹性模量EA/MPa36260奥氏体泊松比μA0.3马氏体弹性模量EM/MPa20388马氏体泊松比μM0.3转变应变εL0.04356加载平台起始应力σSL/MPa260加载平台结束应力σEL/MPa325卸载平台起始应力σSU/MPa78卸载平台结束应力σEU/MPa40
图4 镍钛合金单轴加载和卸载应力应变曲线
Fig.4 Stress and strain of nickel-titanium alloy under uniaxial loading and unloading
将硅胶管制成长100 mm的试样,同时使用10根试样,密集并排放置,在生物力学试验机上进行拉伸试验,获得应力应变数据如图5。将拉伸试验所得应力应变数据导入ABAQUS的Property模块,选择2阶多项式模型、3阶Ogden模型、Yeoh、Arruda Boyce、Van der Waals和Marlow共6种模型进行拟合。其中,Marlow模型拟合效果最好,3阶Ogden模型次之。有限元分析时,选择Marlow模型模拟硅胶材料。
图5 硅胶材料拉伸应力应变曲线
Fig.5 Tensile test of silicone materials
2.1.3 封闭条件分析
使用有限元分析阀门的封闭条件,为减少计算量,仅取阀门工作部分进行分析。如图6所示,在Abaqus中建立短棒按压硅胶管的模型。在XFlow中定义内流模型,两端圆面设为流体出入口,流入面压强217 kPa,流出面压强1 kPa。为防止硅胶管受压变形后离开流体域,内流模型中部大于硅胶管直径。硅胶管材质较软,在按压过程中配合分析的材料硬度远大于硅胶管即可。因此,短棒与配合按压的平面定义为45号钢。硅胶管使用C3D6(六网格节点线性三棱柱)单元进行划分,共划分12 261个实体部件,1 820个网络节点;短棒与配合按压的平面采用C3D8R(八节点一次线性六面体)单元进行划分,共划分2 255个实体部件,3 222个网格节点。在硅胶管两端施加固定约束;对短棒施加0.8 mm的位移,方向为压缩硅胶管方向;对底部平台施加固定约束;将硅胶管内侧面与两侧圆环面定义为固液耦合面。分析结果如图7所示,当短棒外表面与平台最短距离小于等于0.35 mm时,或硅胶管受到的按压力大于等于0.31 N时,阀门完全关闭。
图6 封闭条件分析的耦合模型
Fig.6 Coupled models for closed-condition analysis
图7 流量与受力、按压程度关系曲线
Fig.7 Relationship between mass flow and force and pressing degree
2.1.4 阀门部件尺寸
如图8a所示,阀门部件可简化为金属杆弯曲压迫硅胶管的问题。阀门关闭时受力分析如图8b所示,阀门开启时受力分析如图8c所示。其中,点A为镍钛合金棒固定点;点B为镍钛合金棒与生物金属纤维的连接位置;点C为镍钛合金棒与硅胶管的接触点。F1为阀门关闭状态下,金属杆按压硅胶管时,硅胶管受压变形产生的反力;F′1为阀门开启状态下,镍钛合金棒按压硅胶管时,硅胶管受压变形产生的反力;F为阀门开启时,生物金属纤维施加给镍钛合金棒的力;x为硅胶管中轴线与镍钛合金棒固定端的距离;l为镍钛合金棒总长度;wB、wC分别为镍钛合金棒点B和点C的挠度。如图7所示,wC≤0.35 mm时,阀门完全关闭。此时,F1≥0.31 N。
图8 阀门部位受力分析
Fig.8 Force model of valve part
硅胶管中轴线与镍钛合金棒固定端的距离x不同,阀门闭合时,镍钛合金棒按压硅胶管时,硅胶管受压变形产生的反力F1和镍钛合金棒在硅胶管安装点位的挠度wC均不同。为更加准确找出硅胶管安装位置,使用Matlab对硅胶管受到的按压力数据和短棒外表面与平台最短距离数据进行拟合,如图9所示,硅胶管受到的按压力与其产生的反力相等,短棒外表面与平台最短距离等于镍钛合金棒点C的挠度。
(1)
图9 硅胶管受压拟合曲线
Fig.9 Fitting curve of silicone tube compression data
镍钛合金棒最大应力公式为
(2)
式中 σ——镍钛合金最大应力
M——镍钛合金棒所受弯矩
W——圆形截面抵抗矩
d——镍钛合金棒外径
阀门关闭时,挠度wC计算公式为
(3)
式中 I——镍钛合金棒惯性矩
E——材料弹性模量
镍钛合金应力应变变化是非线性的,如图10。本文所用材料在加载过程中,应力首先按照奥氏体相弹性模量随应变变化至260 MPa,随后应力缓慢增加至325 MPa,期间应变变化明显。为方便计算,应力为260～325 MPa时,假设加载过程中应力应变呈线性变化,表达式为
(4)
图10 镍钛合金应力变化曲线
Fig.10 Stress variation of nitinol alloy
式中 ε——镍钛合金应变
σ=1 231.1ε+251.14
(5)
综合分析式(1)～(3),可得镍钛合金棒最大应力为0～260 MPa时,镍钛合金棒和硅胶管配合条件为
(6)
镍钛合金棒最大应力为260～325 MPa时,镍钛合金棒和硅胶管配合条件为
(7)
图11中绿色曲线是式(1)、(3)联立所得硅胶管反力F1随安装距离x变化曲线;黑色曲线为最大应力一定时,镍钛合金棒所受硅胶管反力F1随安装距离x变化曲线。由图可知,镍钛合金棒最大应力为0～260 MPa时,无法满足上述条件压紧硅胶管,公式(6)无解;同时最大应力增大、弹性模量减小,交点左移,安装距离越小,反力越大。式(7)计算所需弹性模量E和应力σ需要由式(4)、(5)确定,存在解时,硅胶管反力越大,镍钛合金棒应变越大,最大应力越大,弹性模量越小,表示硅胶管所需安装距离越小。F1=0.31 N时,将公式(4)代入公式(3)与公式(2)、(5)联立得x=5.28 mm。因此x<5.28 mm,考虑到制造误差,本文选x=4.5 mm。
图11 硅胶管与镍钛合金变形匹配
Fig.11 Deformation matching of silicone tube and nitinol alloy
阀门开启时,点B挠度wB计算公式为
(8)
将阀门开启状态视作仅B端存在力Fmax的结果,同时,镍钛合金棒所受最大应力需要在可循环范围内,即
(9)
(10)
联立式(9)、(10)可得
(11)
生物金属纤维收缩率为4%,使用长度为10 mm,即
=0.4 mm
(12)
联立式(8)、(11)、(12),阀门开启时需满足
(13)
生物金属纤维作为控制阀门开启的驱动单元,同等电压条件下,其收缩率与负荷有关,为尽可能保证后续应用电路的低功耗设计,阀门开启所需驱动力应尽量小。因此,硅胶管中轴线与镍钛合金棒固定端的距离应在满足阻断液体流动功能的情况下尽可能大,镍钛合金棒应在满足应力范围的情况下尽可能长。
取x=4.5 mm,将式(4)代入式(3)与式(2)、(5)联立,可知x=4.5 mm时,F1=0.36 N。
假设F′1=F1,即对F′1做放大处理,将式(4)代入式(13),且应力为325 MPa时,应变为0.06,得l≥4.45 mm。即在本文应用条件下,镍钛合金棒不会超出弹性范围。因此,在保证阀门密封功能及阀门可重复使用的情况下,确定硅胶管中轴线到镍钛合金棒固定端距离应小于5.28 mm,镍钛合金棒总长度大于4.45 mm。选定硅胶管中轴线到镍钛合金棒固定端距离为4.5 mm,镍钛合金棒总长度为9 mm。
2.1.5 阀门开启状态有限元分析
使用有限元分析阀门开启状态的内径,为后续加压部件设计提供计算参数。将封闭条件分析的仿真过程在去除流体的情况下重新分析。在阀门开启阶段,反力F1相差不超过0.006 N,硅胶管内是否存在流体,对于阀门开启时的镍钛合金棒的弯曲程度基本无影响。为减少计算量,仅在Abaqus中模拟镍钛合金棒总长度为9 mm,硅胶管中轴线距镍钛合金棒两端均4.5 mm的阀门开启情况。获得变形后的硅胶管模型,将开启状态下的硅胶管内孔模型导入XFlow,进行流量分析,如图12所示。流入面压强217 kPa,参考现有间断式奶牛瘤胃pH探头[18],流出面压强设为5 kPa,分析得内部电解质初始流量Q0为1.82×10-11 m3/s。
图12 阀门开启状态仿真图
Fig.12 Simulation diagram of valve opening state
阀门加压部件设计首先需要确定结构,然后通过数值计算确定加压弹簧的具体要求。
2.2.1 结构设计
如果内参比液内存在气泡,会影响测量功能的稳定。为避免此问题,本文设计的间断式pH测量探头,使用弹簧配合活塞进行加压,如图13所示。为保证密封性,与活塞配合的管道表面需要较高的制造精度,与壳体一次性成型成本较高。因此单独制作,后续安装在壳体上。
图13 加压部件结构示意图
Fig.13 Structure diagram of pressurized components
1.内管 2.弹簧 3.活塞 4.饱和KCl参比液
2.2.2 尺寸确定
假设硅胶管变形后内控仍为圆形,内部电解质外流可通过哈根-泊肃叶定律计算。
(14)
式中 Q——流量
a——硅胶管变形后内径
Δp——单位长度上压差
μ——粘度
由阀门开启状态有限元分析所得流入面压强、流出面压强、流量及式(14)求得a=0.02 mm。
为保证内参比液顺利流出,在计算时设定内参比外流液面压力为5 kPa,内外压差为弹簧动力产生的压力与外流液面压力之差,即
(15)
式中 K——加压弹簧刚度 r——活塞外径
V0——内参比溶液初始体积
Vt——阀门打开一定时间后,内参比溶液流出的体积
FK——弹簧提供给活塞的动力
流量并非定值,随着使用时间的增加,弹簧收缩量减小,内参比液与外界压差减小,流量随之减小,Vt可表示为积分形式
(16)
求解得
(17)
式中 X0——活塞工作行程,即活塞工作需要的弹簧收缩长度
即
(18)
式中 V5——内参比溶液压强降为5 kPa时,流出的体积
p0——内参比液初始压强
pt为连续工作一定时间后,参比溶液内部压强,有
(19)
pt=5 kPa时,参比电解质外流总量达到极限值。为保证装置全过程工作的可靠性,设定内参比液要求的最低压强为6.5 kPa。此时,参比电解质外流量为
(20)
按照设计需求,工作2年后,参比电解质外流量应小于压强降至6.5 kPa时的外流量。联立式(18)、(20),得
(21)
即所用弹簧刚度K与活塞工作行程X0满足
(22)
在加压过程中,活塞受力情况如图14所示。
图14 活塞受力示意图
Fig.14 Force diagram of piston
由图14得
FW=FK-Ff=Kf-Ff=KX0
(23)
式中 Ff——活塞与套筒之间摩擦力
FW——内参比液抵抗活塞运动的反力
f——弹簧总变形量
Ff=10 N[24],所用活塞工作行程X0与弹簧总变形量f满足
(24)
设定每20 min工作一次,每次阀门开启1 s,工作2年后,t=52 560 s。依据式(22)要求和式(24)绘制图15。图中,绿色区域为弹簧总变形量可选范围。
图15 弹簧总变形量f随弹簧刚度K变化图
Fig.15 Total spring deformation f changed with spring stiffness K
基于尽可能减少内参比液需求量、减小整体尺寸、易于制造的设计要求,由图15初选弹簧直径d=0.3 mm,中径D=3.2 mm,刚度K=0.284 N/mm,节距t=1.68 mm。总变形量f=49 mm,活塞工作行程13.8 mm,自由高度70 mm。共容纳239.4 μL参比电解质,初始压强为225 kPa。
本文设计的间断式pH测量探头,主要是对传统Ag/AgCl电极添加阀门单元。阀门部件的性能直接影响到探头的工作能力。为节约制造成本,加快整机设计进度,本文通过有限元分析对阀门部件工作性能进行验证。
耦合模型如图16,硅胶管轴线与镍钛合金棒两端面距离均为4.5 mm。流体域设置与前述相同。硅胶管和平台网格划分与前述相同;根据0.057 mm单元大小对镍钛合金棒划分C3D8R型网格,所得实体部件8 540个,网格节点10 293个。镍钛合金棒一端施加靠近按压平台方向0.8 mm位移。硅胶管与配合按压的平台设置与前述相同。进行按压仿真测试,结果如图17所示。随着仿真的进行,硅胶管流量不断降低,直至降为零。因此阀门部件可完成阻断内参比液的作用。如图18所示,镍钛合金棒最大应力262.8 MPa,在可循环范围内。
图16 镍钛合金棒按压硅胶管耦合模型
Fig.16 Coupling model of nitinol rod pressed on silicone tube
图17 阀门关闭过程的流量变化曲线
Fig.17 Flow changes curve during valve closing
图18 镍钛合金棒弯曲状态应力仿真图
Fig.18 Stress in bending state of nitinol rod
在按压分析基础上,对镍钛合金棒原自由端施加0.4 mm远离按压平台的位移,结果如图19所示,镍钛合金棒最大应力281.0 MPa,小于325 MPa,仍在可循环范围内,满足使用要求。
图19 镍钛合金棒极限状态应力仿真图
Fig.19 Stress in limiting states of nitinol rod
在流入面压强225 kPa,加压部件容纳239.4 μL参比电解质的情况下,基于式(18)、(19),参比溶液外流总量Vt和参比液内部压强pt随时间变化曲线如图20所示。持续工作17.5 h后,参比溶液外流体积为232.52 μL,内部压强为6.5 kPa。
图20 参比电解质外流体积、内部压强随使用时间变化曲线
Fig.20 Electrolyte external flow and internal pressure change with use time
如图21,将待测电极和R0232弯管饱和甘汞电极测量端口同时放入盛有pH值为6.86溶液的烧杯中。调整阀门状态,持续测量两电极的电势差共66次,阀门状态发生10次转变。如图22,阀门关闭情况下,电势差为0 mV,证明阀门具备阻断电解液外流功能。阀门打开,电势差最小值为18.62 mV,最大值为18.83 mV,平均值为18.81 mV,与理论值的绝对误差小于0.5 mV;方差为0.007 mV2,待测电极电位稳定,阀门有效。
图21 阀门有效性验证试验
Fig.21 Validation of valve effectiveness
图22 阀门有效性测试结果
Fig.22 Results of valve effectiveness test
使用稀盐酸间隔0.5配置pH值为4～7的溶液。在环境温度为20.3℃的情况下,将探头依次放入pH值为4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0的溶液中,测量电极间电势差并记录。理想情况下,pH复合电极在20.3℃会产生58.23 mV/pH的电压。图23为电极间电势差与pH值之间的拟合曲线。曲线斜率-56.74,即电极会产生56.74 mV/pH的电压,电极斜率为理想值的97.44%,符合使用要求。拟合曲线调整后R2为0.999 26,制作的探头符合能斯特方程。
图23 电极电势差与pH值之间拟合曲线
Fig.23 Fitting curve between electrode potential difference and pH
在溶液温度为25℃时,如图24所示,将探头连接至SX811-WW pH计,校准后依次对pH值为4.00、6.86和9.18的标准缓冲液进行测量。每种缓冲液测量10次,用纯水清洗后,测量下一种缓冲液,共进行3轮。结果如图25所示,其中测量值与缓冲液pH值平均绝对偏差为0.025,最大绝对偏差为0.07。
图24 标准缓冲液测量
Fig.24 Measurement of standard buffer
图25 标准缓冲液测量结果
Fig.25 Results of standard buffer test
如图26所示,使用STM32单片机控制恒流电路为探头阀门供电,探头缓冲液加压活塞杆伸出探头5 cm。根据哈根-泊肃叶定律压差越小,流量越小,因此在压强大于试验环境下,探头工作时间会更长。为方便测量,仅将探头前端浸泡在处于瘤胃正常pH值范围的pH值6.86溶液中。设定阀门10 s开启一次,每次开启1 s,共开启60 480次。每天11:00与23:00,测量探头活塞杆当前伸出的长度,计算获得活塞已前进的行程。使用SX811-WW pH计连接探头,对pH值为4.00、6.86和9.18的缓冲液分别进行测量。之后探头放入pH值6.86溶液中继续进行阀门开放试验。试验累计测量pH值52次。如表3所示。其中,对于pH值为4.00的缓冲液,平均误差为0.03(范围为3.94～4.06);对于pH值为6.86的缓冲液,平均误差为0.04(范围为6.79～6.92);对于pH值为9.18的缓冲液,平均误差为0.045(范围为9.11～9.25)。对于所有测量数据,pH测量值最大绝对偏差0.07。试验期间工作电极和参比系统工作正常,如图27所示,测量所得活塞位移量整体偏小,每1.2 h应推进距离的测量值与理论值的比例稳定(范围为94.69%～95.72%)。因此试验期间阀门和加压部件工作正常,误差来自装配精度不足,阀门开启时的硅胶管内孔减小。以阀门最终位置计算,参比溶液内部压强此时为16 kPa,仍满足内参比液压强大于6.5 kPa的要求。在设定每20 min测量一次的情况,2年工作时长需要阀门开闭52 560次(为本次寿命试验的86.9%)。因此,按照本次寿命试验次数的90%计算,探头可以工作2年以上。
表3 pH值测量结果
Tab.3 Result of pH value test
时刻阀门累计开启次数缓冲液pH值测量值绝对误差11月3日11:0043204.004.050.056.866.810.039.189.110.0711月3日23:0086404.004.010.016.866.910.059.189.230.0511月4日11:00129604.004.0006.866.790.079.189.130.0511月4日23:00172804.004.040.046.866.900.049.189.160.0211月5日11:00216004.003.940.066.866.850.019.189.230.0511月5日23:00259204.003.960.046.866.890.039.189.240.0611月6日11:00302404.004.050.056.866.8609.189.190.0111月6日23:00345604.004.0006.866.830.039.189.250.0711月7日11:00388004.004.050.056.866.840.029.189.130.0511月7日23:00432004.004.060.066.866.900.049.189.110.0711月8日11:00475204.004.050.056.866.820.049.189.200.0211月8日23:00518404.003.990.016.866.920.069.189.200.0211月9日11:00561604.003.950.056.866.890.039.189.160.0211月9日23:00604804.004.010.016.866.910.059.189.250.07
图26 寿命验证试验
Fig.26 Schematic of lifetime verification test
图27 活塞移动长度变化曲线
Fig.27 Displacement length of piston
现场测试试验在西北农林科技大学畜牧教学试验基地进行。选择1头装有瘤胃瘘管的荷斯坦奶牛作为试验对象。试验涉及的检测、无线传输等电路使用实验室已有成果,探头组装如图28a所示。试验于2024年1月5日10:00开始,共5 d。试验开始前,对瘤胃pH和温度检测单元进行校准。设定检测时间间隔为10 min。如图28b所示,通过瘘管将探头放置到瘤胃下部。试验期间,通过电路板无线外传的数据确保试验正常进行。每天10:00—18:00,间隔1 h人工抽取靠近检测单元的瘤胃液,如图28c所示。使用SX811-WW型便携式pH计测定瘤胃液样品。
图28 瘤胃环境试验
Fig.28 Deployment of rumen environment test
由于瘤胃液CO2或挥发性脂肪酸挥发,人工抽取瘤胃液样品的测定值会比实时监测系统测量值高0.1左右[25-26]。图29为瘤胃pH值变化曲线。结果显示,瘤胃液人工测定pH值普遍大于实时监测系统记录值,二者平均绝对偏差为0.11,最大绝对偏差为0.25。皮尔逊相关性分析显示两种测量方法显著正相关(r=0.986,P<0.05)。
图29 探头记录和人工测量pH值变化曲线
Fig.29 Records of probe and manual pH
(1)使用超弹性材料设计了一种间断式奶牛瘤胃pH探头,确定了阀门尺寸和材料参数,确定了阀门部件的镍钛合金棒长度为9 mm,硅胶管中轴线到镍钛合金棒固定端的距离为4.5 mm;确定了加压部件所需弹簧刚度0.284 N/mm,自由高度70 mm,最大压缩量49 mm;并利用有限元对阀门部位进行了分析,明确镍钛合金棒最大应力为281 MPa,处于超弹性范围内,可循环使用。
(2)实验室试验结果证明,本文设计的间断性pH探头工作稳定,重复测量误差小于0.1。阀门部件可以使用60 480次,每20 min测量1次,可工作2年。现场试验证明本文设计的奶牛瘤胃pH探头能够有效检测瘤胃pH值,人工测量值与系统测量值平均绝对偏差为0.11,最大绝对偏差为0.25。
[1] 陈成东.奶牛亚急性瘤胃酸中毒的诊断与防治[J].养殖与饲料,2022,21(8):92-94.
[2] STEFANSKA B,NOWAK W,KOMISARCK J,et al.Prevalence and consequence of subacute ruminal acidosis in Polish dairy herds[J].Anim.Physiol.Anim.Nutr.,2017,101(4):694-702.
[3] ATKINSON O.Prevalence of subacute ruminal acidosis (SARA) on UK dairy farms[J].Cattle Practice,2014,22(1):1-9.
[4] 安文娟.辣椒素对肉牛亚急性瘤胃酸中毒的缓解作用机理研究[D].泰安:山东农业大学,2022.AN Wenjuan.Mechanistic study on the alleviating effect of capsaicin on subacute ruminal acidosis in beef cattle[D].Taian:Shandong Agricultural University,2022.(in Chinese)
[5] KRAUSE K M,OETZEL G R.Inducing subacute ruminal acidosis in lactating dairy cows[J].Journal of Dairy Science,2005,88(10):3633-3639.
[6] 王梦雅,徐明,高民,等.奶牛亚急性瘤胃酸中毒研究进展[J].动物医学进展,2018,39(9):96-100.WANG Mengya,XU Ming,GAO Min,et al.Progress on subacute ruminal acidosis in dairy cows[J].Advances in Animal Medicine,2018,39(9):96-100.(in Chinese)
[7] 刘西萍,李艳青.亚急性瘤胃酸中毒对奶牛的影响及预测、监测方法研究进展[J].中国奶牛,2023(2):34-38.LIU Xiping,LI Yanqing.Effects of subacute rumen acidosis on dairy cows and advances in prediction and monitoring methods[J].Chinese Dairy Cattle,2023(2):34-38.(in Chinese)
[8] 赵永学,赵洪江.牛瘤胃酸中毒的诊治[J].养殖与饲料,2021,20(12):100-101.
[9] 王崇新.牛瘤胃酸中毒的发病机理及科学防治措施[J].中国动物保健,2023(25):98-99.
[10] ZHANG L,LU J,OKADA H,et al.Low-power highly sensitive pH sensor with μ dots protective structures for monitoring rumen in cows in real-time[J].IEEE Sensors Journal,2017(22):7281-7289.
[11] ALZAHAL O,RUSTOMO B,ODONGO N E,et al.Technical note:a system for continuous recording of ruminal pH in cattle[J].Journal of Animal Science,2007,85(1):213-225.
[12] ANDERSSON L M,ARAI S,OKADA H.Orally a dministrable wireless activity and pH probe for cattle reticulum[J].Sensors and Materials,2018,30(12):3029-3038.
[13] MOTTRAM T,LOWE J,MCGOWAN M,et al.Technical note:a wireless telemetric method of monitoring clinical acidosis in dairy cows[J].Computers and Electronics in Agriculture,2008,64(1):45-48.
[14] 赵继政,庄蒲宁,石富磊,等.基于物联网技术的奶牛瘤胃pH值和温度监测系统研究[J].农业机械学报,2022,53(2):291-298,308.ZHAO Jizheng,ZHUANG Puning,SHI Fulei,et al.Design and experiment of rumen pH value and temperature monitoring system for dairy cows based on internet of things[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2022,53(2):291-298,308.(in Chinese)
[15] GUTH U,GERLACH F,DECKER M,et al.Solid-state reference electrodes for potentiometric sensors[J].Solid State Electrochem,2009,13:27-39.
[16] SAFARI S,SELVAGANAPATHY P R,DEEN M J.Microfluidic reference electrode with free-diffusion liquid junction[J].Electrochem,2013,160:B177-B183.
[17] MOUSAVI M P S,SABA S A,ANDERSON E L,et al.Avoiding errors in electrochemical masurements:effect of frit materialonthe performance of reference electrodes with porous frit junctions[J].Anal.Chem.,2016,88(17):8706-8713.
[18] HIGUCHI S,OKADA H,TAKAMATSU S,et al.Valve-actuator-integrated reference electrode for an ultra-long-life rumen pH sensor[J].Sensors,2020,20(5):1249.
[19] HIGUCHI S,TAKAMATSU S,ITOH T,et al.Electrolyte-flow-controlled reference electrode using hydrogen pressure for an ultra-long-life rumen pH sensor[C]∥2019 IEEE Sensors.IEEE,2019:1-4.
[20] HAN C S,KAUR U,BAI H,et al.Invited review sensor technologies for real-time monitoring of the rumen environment[J].Journal of Dairy Science,2022,105(8):6379-6404.
[21] 郭景振,宋成利,毛琳.新型可回收血管支架的设计与有限元分析[J].医用生物力学,2021,36(3):384-388.GUO Jingzhen,SONG Chengli,MAO Lin.Design and finite element analysis of a novel retrievable vascular stent[J].Medical Biomechanics,2021,36(3):384-388.(in Chinese)
[22] 于文博.超弹性镍钛合金支架设计优化及有限元分析[D].西安:西安电子科技大学,2019.YU Wenbo.Design optimization and finite element analysis of superelastic nitinol stents[D].Xi’an :Xi’an University of Electronic Science and Technology,2019.(in Chinese)
[23] 邹轶乐,高超.U型镍钛合金丝热定型及力学性能分析[J].材料开发与应用,2022,37(2):50-55.ZOU Yile,GAO Chao.Heat setting and mechanical property analysis of U-shaped nickel-titanium alloy wire[J].Materials Development and Applications,2022,37(2):50-55.(in Chinese)
[24] 中国国家标准化管理委员会.一次性使用无菌注射器:GB 15810—2019[S].北京:中国标准出版社,2019.
[25] 赵小伟,王加启,卜登攀,等.奶牛瘤胃pH不同测定方法的比较研究[J].中国畜牧兽医,2013,40(11):213-216.ZHAO Xiaowei,WANG Jiaqi,BU Dengpan,et al.Comparative study on two different test methods in rumen pH of dairy cows[J].China Animal Husbandry & Veterinary Medicine,2013,40(11):213-216.(in Chinese)
[26] ALZAHAL O,ALZAHAL H,STEELE M,et al.The use of a radiotelemetric ruminal bolus to detect body temperature changes in lactating dairy cattle[J].Journal of Dairy Science,2011,94(7):3568-3574.