智能氧氣呼吸器的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

余秀清

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

應(yīng)急救援工作是煤礦安全生產(chǎn)的最后一道防線(xiàn)，氧氣呼吸器是救援人員必配的個(gè)人呼吸防護(hù)裝備[1-4]。煤礦事故發(fā)生后，救援隊(duì)員必須佩戴氧氣呼吸器才能到井下執(zhí)行救援工作，氧氣呼吸器各項(xiàng)性能指標(biāo)運(yùn)行狀況是否正常，直接關(guān)系到救援隊(duì)員生命安全和救災(zāi)效率[5-8]。目前，傳統(tǒng)氧氣呼吸器以機(jī)械報(bào)警為主[9]，技術(shù)落后，智能化水平低，主要存在以下問(wèn)題：①戰(zhàn)前檢查項(xiàng)目少，僅檢查呼、吸氣閥逆向氣密性、面罩與人臉貼合密封性，無(wú)法保證氧氣呼吸器關(guān)鍵部件性能完好性[10]；②高壓微泄漏和低壓泄漏不易被察覺(jué)，影響使用時(shí)間；③應(yīng)急救援人員的身體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)未被監(jiān)測(cè)；④所處環(huán)境溫度未被監(jiān)控[11-12]；⑤無(wú)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，無(wú)法追蹤和溯源氧氣呼吸器使用情況；⑥面罩傳聲膜片傳音效果差，溝通不暢。

傳統(tǒng)氧氣呼吸器存在的不足和缺陷，降低了其安全可靠性和救援效率，整體技術(shù)水平落后于當(dāng)前礦井信息化、智能化技術(shù)發(fā)展步伐。因此，急需提升氧氣呼吸器的智能化水平，實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自檢、智能檢測(cè)與警報(bào)、無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通訊互聯(lián)互通等功能，使之更能適應(yīng)煤礦安全和公共安全的救援需要。

1 總體方案

智能氧氣呼吸器主要由呼吸器主體(機(jī)械主機(jī))、智能主機(jī)、顯示終端、語(yǔ)音部件組成，如圖1所示。整體設(shè)計(jì)技術(shù)方案如圖2所示。

圖1 智能氧氣呼吸器系統(tǒng)組成

圖2 智能氧氣呼吸器整體設(shè)計(jì)技術(shù)方案

通過(guò)在智能氧氣呼吸器主體上集成信息采集與無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)呼吸器指標(biāo)參數(shù)、人體體征參數(shù)、救援環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；對(duì)所采集到的信息進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)與警報(bào)；通過(guò)短距離無(wú)線(xiàn)射頻通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隊(duì)員間的語(yǔ)音交互。

2 智能氧氣呼吸器主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1)開(kāi)機(jī)自檢：開(kāi)機(jī)時(shí)檢測(cè)電池電量，以文字或符號(hào)顯示；

2)氣源壓力顯示：連續(xù)檢測(cè)呼吸器氧氣瓶壓力并顯示，精確到±1%，圖形與數(shù)字同時(shí)顯示；

3)高壓氣密性檢測(cè)[13]:在氣源壓力為20～18 MPa 時(shí)，檢測(cè)呼吸器高壓氣密性；

4)欠壓檢測(cè)：在氣囊內(nèi)壓力低于50 Pa時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警提示；

5)吸氣溫度顯示：實(shí)時(shí)檢測(cè)吸氣溫度并于手持端顯示，溫度檢測(cè)范圍為0～99 ℃，精度為±0.5 ℃；

6)未裝冰提示：打開(kāi)氧氣瓶5 min檢測(cè)是否裝冰；

7)開(kāi)關(guān)機(jī)報(bào)警：在打開(kāi)氧氣瓶或關(guān)閉氧氣瓶時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出提示報(bào)警聲響，報(bào)警聲響時(shí)間15 s，聲級(jí)強(qiáng)度大于70 dB；

8)余壓報(bào)警：當(dāng)氧氣瓶壓力下降到4～6 MPa時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警聲響提示，報(bào)警聲響時(shí)間 30～60 s，聲級(jí)強(qiáng)度不低于70 dB；

9)身體姿態(tài)狀態(tài)報(bào)警：當(dāng)救護(hù)隊(duì)員靜止30 s以上時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟報(bào)警聲提示，10 s后如檢測(cè)到救護(hù)隊(duì)員運(yùn)動(dòng)，報(bào)警聲停止；該報(bào)警聲提示也可以手動(dòng)開(kāi)啟，報(bào)警聲級(jí)強(qiáng)度不低于70 dB；

10)使用時(shí)間、剩余時(shí)間：以文字顯示呼吸器使用時(shí)間及剩余使用時(shí)間，min；

11)電池欠壓報(bào)警顯示：以圖形或文字顯示，以及聲音提示電壓低，需更換電池；

我實(shí)在聽(tīng)不下去，但又沒(méi)有勇氣站起來(lái)反對(duì)，因?yàn)樗麄冇械氖歉赣H或同輩在社會(huì)上有頭有臉的人，把關(guān)系鬧僵不好辦。

12)電池電量顯示：以圖形或文字顯示剩余電量百分比；

13)本地互聯(lián)：隊(duì)員間的無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音交互[14]；

14)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)及顯示：溫度檢測(cè)范圍為 -10～+60 ℃；

15)其他：所有報(bào)警均有三重報(bào)警效果(聲、光、顯示)；手持終端設(shè)背光控制按鍵；自動(dòng)熄滅背光功能。

2.2 智能主機(jī)設(shè)計(jì)

主機(jī)作為中心信息處理部件，實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)與無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)等功能。主機(jī)主板通過(guò)連接壓力傳感器、溫度傳感器、姿態(tài)動(dòng)作傳感器采集數(shù)據(jù)；連接耳機(jī)、拾音器、無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通訊。BLE實(shí)現(xiàn)主機(jī)與顯示終端超低功耗無(wú)線(xiàn)短距離數(shù)據(jù)交互[15]。配備大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，本地存數(shù)數(shù)據(jù)。智能主機(jī)構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 智能氧氣呼吸器主機(jī)構(gòu)架

2.3 顯示終端設(shè)計(jì)

處理器連接按鈕與語(yǔ)音喇叭實(shí)現(xiàn)手動(dòng)報(bào)警、開(kāi)關(guān)機(jī)、應(yīng)用功能切換與人機(jī)交互操作；連接加速度傳感器、多個(gè)彩色LED、高分貝蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)聲、光、體感報(bào)警；連接背光可調(diào)電子墨水實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)顯示。EEPROM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)。BLE實(shí)現(xiàn)終端與主機(jī)超低功耗無(wú)線(xiàn)短距離數(shù)據(jù)交互。終端屏幕顯示氣瓶壓力、剩余可使用時(shí)間，環(huán)形圖形化顯示氣瓶壓力，輔以動(dòng)態(tài)效果。顯示終端構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 顯示終端構(gòu)架

2.4 無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通訊設(shè)計(jì)

圖5 語(yǔ)音部件與面罩集成方案

2.5 呼吸器機(jī)械主機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)氧氣呼吸器的智能化，需研究呼吸器智能化改造對(duì)整機(jī)性能指標(biāo)的影響，并對(duì)傳統(tǒng)氧氣呼吸器相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加高壓傳感器、低壓傳感器等。智能氧氣呼吸器主機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)如圖6所示。

A—高壓傳感器；B—聲音報(bào)警器；C—智能主機(jī)；D—低壓傳感器；E—溫度傳感器；F—天線(xiàn)；G—溫度傳感器(2個(gè))。圖6 智能氧氣呼吸器內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 防護(hù)性能試驗(yàn)

智能氧氣呼吸器在真人佩戴之前，應(yīng)按照呼吸器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[17]要求進(jìn)行防護(hù)性能驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)要求：防護(hù)時(shí)間不小于240 min，吸氣中最低φ(O2)≥21%，最大φ(CO2) ≤1%，最高吸氣溫度小于等于 35 ℃，呼氣阻力小于等于600 Pa，吸氣阻力為0～600 Pa。防護(hù)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 智能氧氣呼吸器防護(hù)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在智能氧氣呼吸器防護(hù)時(shí)間達(dá)到 240 min時(shí)，氣瓶剩余壓力為6.1 MPa，防護(hù)時(shí)間大于標(biāo)準(zhǔn)要求240 min，吸氣中最低φ(O2)為34%(表中21.2%為初始大氣中φ(O2))，吸氣中最高φ(CO2)為0.3%，吸氣中最高溫度為33.4 ℃，最大呼氣阻力為450 Pa，吸氣阻力為220 Pa，各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 語(yǔ)音通訊試驗(yàn)

為了驗(yàn)證語(yǔ)音通訊距離和音效，在清水溪地下爆炸試驗(yàn)巷道進(jìn)行了語(yǔ)音通訊試驗(yàn)，試驗(yàn)巷道形狀如圖7所示。

圖7 清水溪地下爆炸試驗(yàn)巷道布局示意圖

通過(guò)試驗(yàn)得出，直道6人雙通，可視語(yǔ)音通訊距離約為150 m，斜道轉(zhuǎn)彎時(shí)約為45 m，語(yǔ)音清晰，滿(mǎn)足礦井救護(hù)小隊(duì)指揮與聯(lián)絡(luò)通訊要求。

3.3 真人佩戴性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證中等勞動(dòng)強(qiáng)度下，智能氧氣呼吸器佩戴性能和智能檢測(cè)各項(xiàng)功能，在國(guó)家礦山救援芙蓉基地先按照氧氣呼吸器佩戴試驗(yàn)方法進(jìn)行了2 h真人佩戴試驗(yàn)[18-19],然后進(jìn)行2 h登山高強(qiáng)度試驗(yàn)，如 圖8 所示。

圖8 真人佩戴性能試驗(yàn)

通過(guò)4 h的佩戴試驗(yàn)，氧氣瓶壓力還剩余約 4.5 MPa，防護(hù)時(shí)間滿(mǎn)足要求；氧氣呼吸器機(jī)械主機(jī)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常；智能主機(jī)和顯示終端智能檢測(cè)功能齊全，運(yùn)行順暢、無(wú)故障；地面語(yǔ)音通訊距離約為100 m，語(yǔ)音較清晰，溝通順暢。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，得出該智能氧氣呼吸器在防護(hù)時(shí)間內(nèi)，各項(xiàng)防護(hù)性能滿(mǎn)足MT 867—2000《隔絕式正壓氧氣呼吸器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，智能檢測(cè)各項(xiàng)功能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，提高了國(guó)產(chǎn)氧氣呼吸器智能化水平，語(yǔ)音通訊各項(xiàng)功能滿(mǎn)足實(shí)際指揮與聯(lián)絡(luò)通訊要求。