快速评估害虫热特性的气调加热板系统

李 瑞，王绍金，2

（1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.华盛顿州立大学 生物系统工程系，普尔曼 99164－6120）

粮食的产后损耗主要发生在粮食的储藏过程中，虫害是导致粮食储藏期间损失的最主要原因。目前国内主要的粮食灭虫法是溴甲烷熏蒸法，但此方法不可避免会产生化学物质残留，危害人体健康，而且溴甲烷还是一种消耗大气臭氧层的物质。因此，溴甲烷已被列入逐步淘汰物质［1］。一些研究者采用辐照杀虫［2］、低温杀虫［3］、气调杀虫［4］等非化学方法来杀灭粮食中的害虫，但这些方法在实际应用中均或多或少存在一定的问题。例如，电离辐照需专门的辐射源，设备投资相对较大，且由于放射线对人体有害，要十分注意安装使用过程中操作人员的防护并做好辐照源的屏蔽处理，同时欧洲和日本等主要国际市场对辐照食品存有抵触，因此控制十分严格［5］；低温需要较大的设备投入，处理时间较长，易对农产品品质造成不良影响；气调法主要是通过改变气体组成，造成昆虫因缺氧而死，这种方法容易受到害虫的呼吸和代谢的影响，而且主要受到温度的影响［6－7］。

近年来，很多研究者采用加热和气调结合法来杀灭害虫，如 Felurat［8］和 Neven等［9］研究了用快速加热和气调结合法来杀灭害虫，结果表明此方法可以有效杀灭害虫，且不会对粮食的品质造成影响，但是他们没有系统地研究不同加热温度和不同气体浓度对害虫杀灭的影响，而且系统研究害虫的热特性时间长，而且成本高，但是通过建立模型加热系统，可以快速评估害虫的热致死情况以及确定害虫最耐热的虫龄［9］。Neven［10］建立了一个气调和水浴结合的系统，用来研究害虫在气调水浴加热时的热致死动力学，但是使用这个系统花费的时间仍然多，需要大量人力，而且不能满足一次检测一定害虫数量的需求。因此需要建立一种成本低、快速评估害虫热特性的气调加热板系统。气调加热板系统工作时害虫室内气体浓度的稳定性、通入气体后加热板温度的稳定性均会影响害虫的热致死动力学模型［11－15］，因此本文设计了一种气调加热板系统，并通过实验验证了该系统的稳定性，为更好的指导和优化气调加热板系统提供理论依据。

1 技术设计

气调加热板系统如图1所示，包括3个气瓶、3个气体减压阀、5个玻璃转子流量计、1个玻璃四通管、1套气体混合装置、1台O2/CO2气体分析仪、1个玻璃三通管、1套加热板系统和连接各部分所需的硅胶管组成。3个气瓶里的气体分别为CO2、O2和N2，主要为系统提供所需的气体成分；3个气体减压阀设置于3个气瓶上；玻璃转子流量计主要用于监测和控制进入害虫室内的气体成分；玻璃四通管主要用于混合和分流气体；气体混合装置用电动机带动电动搅拌棒自动搅拌使得进入害虫室内的气体混合均匀；O2/CO2气体分析仪用于监测进入虫室内的O2与CO2气体质量分数；玻璃三通管用于气体混合和分流；加热板系统包含加热板、温度控制器和计算机，主要为被试害虫提供一个理想且可自动控制的均匀加热环境，加热板包含上下铝制底板，中间形成一个空腔，作为害虫处理室；温度控制器包括T型热电偶温度传感器、固态继电器和PID控制器，T型热电偶温度传感器连接加热板，用来测量加热板上下底板的温度，固态继电器是接通和断开电路，PID控制器接收计算机中的指令；计算机通过串行端口与温度控制器相连，主要包含采用Visual Basic语言编写的控制软件，通过控制软件设置参数，将参数指令传送给PID控制器，根据设定的参数固态继电器开始工作，从而实现对加热温度的控制，同时显示和保存加热过程中的实时数据，实现数据采集。

图1 快速评估害虫热特性的气调加热板系统及其工作流程示意图

2 气调加热板系统的具体操作过程

首先连接好各进气管和出气管，打开气瓶阀门，调节减压阀使混合气体总流量不超过流量计量程，再打开气体混合系统电动机开关，调节搅拌器到合适的转速，最后打开气体分析仪，调节各气体流量至所需混合气体浓度，此时气体通入到加热板里；待混合气体浓度稳定后，将加热板系统接上电源，先打开计算机和温度控制器电源开关，在计算机中运行控制软件，并设置加热板系统的参数，主要是加热速率、加热初始温度、最终温度和保温时间；此时PID控制器接收到控制软件的指令，打开温度控制器加热开关，启动固态继电器开始加热，当达到加热板系统设定的初始温度后，固态继电器暂停工作，此时将准备好的被试害虫放入加热板虫室内，若被试害虫爬行快，可装在尼龙布袋中一并放入虫室内；合上加热板上底板，保证密封完好；启动计算机中的控制软件，固态继电器又开始工作，当达到加热板设定的最终温度后开始保温，保温时间结束表示本次实验结束；打开加热板，将试验害虫立即取出，关闭加热板系统程序，观察被试害虫的存活并获得数据。通过设置不同O2与CO2的质量分数组合、加热速率、最终温度和保温时间，获得被试害虫在不同参数下的状况，从而进行害虫的热致死研究。

3 实验结果与分析

3.1 加热板害虫室内气体浓度的稳定性研究

研究加热板害虫室内气体质量分数的稳定性主要是检测进气口气体质量分数和出气口气体质量分数，若进出气口质量分数相差不大，说明在加热板害虫室内气体质量分数是处于稳定状态。实验中气调加热板系统主要采用的是调节O2和CO2质量分数，0min指的是调节的O2质量分数为1%、CO2质量分数为15%时开始计时刻，每隔3min测量1次进出口的O2和CO2质量分数，每1次测量3次，取平均值，共持续测量15min。表1是加热板害虫室内进口O2质量分数和出口O2质量分数的比较，表2是加热板害虫室内进口CO2质量分数和出口CO2质量分数的比较。由表1和表2可知，进口O2质量分数和出口O2质量分数、进口CO2质量分数和出口CO2质量分数的差异都很小，均在0.1%以内，可以说明气调加热板系统工作时加热板害虫室内进气口和出气口气体的质量分数基本一致。

表1 加热板害虫室内进口O2质量分数和出口O2质量分数的比较

表2 加热板害虫室内进口CO2质量分数和出口CO2质量分数的比较

3.2 通入气体后加热板室内温度变化的研究

由于害虫在42℃以上时才敏感［16］，所以设计实验时选择50℃。为了验证通入气体后加热板室内温度的稳定性，实验中比较了未通入气体时加热板室内温度和通入气体后加热板室内温度，实验重复了3次，结果见表3。结果显示，未通入气体时加热板室内温度与通入气体后加热板室内温度相差很小，均在0.05℃以内，可以说明通入气体与未通入气体时加热板害虫室内的温度基本一致。

表3 通入气体后加热板室内温度变化的研究

4 结论

气调加热板系统可以为实验害虫提供一个理想可控的均匀加热环境，可以为研究系统的加热速率、加热时间、加热温度以及不同O2/CO2的质量分数组合杀灭害虫时提供设备，降低提供可靠的害虫热致死动力学研究成本，促进害虫杀灭技术的进步。

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