呼吸儀器綜合性能測試裝置研制與應用

陳于金

（中煤科工集團 重慶研究院有限公司，重慶 404100）

0 引言

呼吸防護用品是為保護佩戴者的呼吸系統(tǒng)，阻止粉塵或煙或氣體、蒸汽、微生物的吸入，預防職業(yè)危害的個體防護裝備［1］。氧氣呼吸器、壓縮氧自救器等作為個體呼吸防護裝備，廣泛用于煤礦、消防、隧道、石化、城市建筑、核工業(yè)、實驗室等領域缺氧、無氧或存在有毒有害氣體環(huán)境中或搶險救援工作中［2］，以保障救護隊員的身體健康和生命安全。個體呼吸防護裝備平時處于戰(zhàn)備狀態(tài)，因此對其氣密性、正壓特性和防護性能（包含吸氣溫度、呼氣阻力、二氧化碳濃度、氧氣濃度）要求尤為嚴格，為此筆者研制了呼吸儀器綜合性能測試裝置，能夠全面檢測個體呼吸防護產(chǎn)品的性能，為礦山救護提供了安全保證。

1 呼吸儀器綜合性能測試裝置的原理

仿人工呼吸機模擬人體呼氣、吸氣狀態(tài)。呼氣時，吸氣閥關閉，呼出的氣體通過呼氣閥，由二氧化碳氣瓶補充單位時間內(nèi)人體呼出的二氧化碳，經(jīng)過鼓泡式加溫增溫器和二氧化碳吸收罐凈化后，變?yōu)樾迈r熱濕空氣，進入呼吸器氣囊；吸氣時，呼氣閥關閉，氣囊中的氣體經(jīng)冷卻器冷卻后進入仿人工呼吸機，完成一次呼吸循環(huán)。外部設置頭?；蚩诰呓涌冢糜谶B接呼吸儀器；系統(tǒng)運行通過計算機程序控制，能自動設置呼吸參數(shù)，動態(tài)模擬人體呼吸狀態(tài)（呼吸頻率和呼吸量），實時采樣各種防護性能參數(shù)（如吸氣中氧氣濃度、二氧化碳濃度、呼吸阻力等動態(tài)曲線），并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和保存。若性能參數(shù)超出標準規(guī)定，系統(tǒng)程序停止運行。

運行時，二氧化碳氣體通過流量計、緩沖袋進入加溫增濕器與呼出空氣混合后進入呼吸儀器氣囊，混合氣前處設置二氧化碳傳感器，隨時采樣呼氣系統(tǒng)二氧化碳濃度，當濃度降低時，自動補償；吸氣處設置采樣泵，以一定的流量（耗氣量）通過二氧化碳分析儀和氧氣分析儀，測試吸氣狀態(tài)中二氧化碳和氧氣濃度；計算機主要測量呼氣溫度、吸氣溫度、呼氣阻力、吸氣二氧化碳濃度、呼氣二氧化碳和氧氣濃度等［3］，由分析軟件自動生成各參數(shù)曲線，可分析出呼吸儀器的防護性能，判斷呼吸儀器性能是否符合標準要求。

2 測試裝置主要部件設計

圖1為呼吸器綜合性能測試原理方框圖。其中，實線為電信號，虛線為氣體走向。

呼吸儀器綜合性能測試裝置是一種在模擬人體代謝和不同呼吸狀態(tài)下，測定呼吸器的防護時間、呼吸阻力、吸氣溫度、呼氣溫度、氧氣濃度和CO2濃度等防護性能的裝置，它主要由箱體、仿人工呼吸機、口具連接器、壓力變送器、紅外線二氧化碳分析儀、熱磁式氧氣分析儀、鼓泡式加溫增濕器、冷卻器、轉子流量計、濕式氣體流量計、溫度計、自動控制系統(tǒng)（電磁截止閥、頭模、采樣泵和計算機控制系統(tǒng)、打印機等）等組成，其中仿人工呼吸器（模擬人體呼吸頻率和呼吸量）和自動控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)同步性、采樣數(shù)據(jù)）的設計尤為關鍵。

2.1 仿人工呼吸器

仿人工呼吸器是實施機械通氣的工具，用于呼吸儀器綜合性能測試的裝置應滿足下列要求：①實現(xiàn)換氣量和呼吸頻率的無級調(diào)節(jié)；②最大換氣量為100 L／min；③呼吸頻率為10次／min～40次／min，可調(diào)。

根據(jù)上述要求，呼吸器綜合性能測試裝置選擇電動電控型仿人工呼吸器，其主要由供氣、驅動裝置和控制部分組成。

圖1 呼吸器綜合性能測試原理方框圖

供氣裝置采用彈性好的橡膠泵式氣囊，更換容易、成本低、無泄漏；驅動裝置采用非線性驅動裝置，通過電動馬達驅使輪盤旋轉，帶動連桿運動而推動活塞［3］，仿人工呼吸器結構見圖2。當泵囊為壓縮形態(tài)時，仿人工呼吸器處于呼氣狀態(tài)；當泵囊為伸展形態(tài)時，仿人工呼吸器處于吸氣狀態(tài)，通過設置電動馬達運動轉數(shù)，可使泵式氣囊反復伸縮的頻率與人體呼吸頻率一致，從而實現(xiàn)了仿人工呼吸器模擬人體呼氣、吸氣狀態(tài)的功能。

圖2 仿人工呼吸器結構圖

2.2 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)是呼吸機的核心部分，筆者研究的仿人工呼吸機采用微處理機控制，此方式的控制精度高，呼吸頻率誤差低，可實現(xiàn)各種通氣方式，控制系統(tǒng)原理見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)二氧化碳進入量控制、加溫增濕器溫度控制、呼吸通道的電磁閥組與呼吸機完全同步控制，并實時監(jiān)測顯示整個測試過程中吸氣阻力、呼氣濃度阻力、氧氣、呼氣二氧化碳濃度、吸氣二氧化碳濃度、吸氣溫度、呼氣溫度等參數(shù)的變化情況和有效的防護時間。

2.3 其他設備

箱體、口具連接器、鼓泡式加溫增濕器、冷卻器依據(jù)相關標準［4］設計，壓力變送器、紅外線二氧化碳分析儀、熱磁式氧氣分析儀、轉子流量計、濕式氣體流量計、溫度傳感器等設備外購。

最終設計的呼吸儀器綜合性能測試裝置見圖4。

圖4 呼吸儀器綜合性能測試裝置外形圖

3 應用情況

對Biopak240R正壓氧氣呼吸器（編號Ⅰ，Ⅱ）防護性能（按照30 L／min呼吸量）進行240 min測試，呼吸面罩安裝于頭模上，開啟氣瓶及測試裝置，得到吸氣CO2濃度、O2濃度、呼氣阻力和吸氣溫度曲線，如圖5～圖8所示。

圖5 吸氣CO2濃度（體積分數(shù)）變化曲線

由圖5～圖8可知，呼吸儀器綜合性能測試裝置分別測試出了Biopak240R正壓氧氣呼吸器在240 min內(nèi)CO2濃度變化、O2濃度變化、吸氣溫度和呼吸阻力；CO2濃度在240 min內(nèi)不超過0.8%，經(jīng)過30 min后O2濃度穩(wěn)定在96%，吸氣溫度最高僅為33℃，呼氣阻力在460 Pa左右，符合該進口正壓氧氣呼吸器防護性能，測試結果準確。

圖6 氧氣濃度（體積分數(shù)）變化曲線

圖7 吸氣溫度變化曲線

4 結論

呼吸儀器綜合性能測試裝置能夠全面測試氧氣呼吸器、自救器等呼吸儀器的防護性能，有利于個體呼吸保護產(chǎn)品的性能改進與結構優(yōu)化，提高了礦山安全救護能力。

圖8 呼氣阻力變化曲線

［1］ 佘啟元.個體防護裝備技術與測試方法［M］.廣州：華南理工大學出版社，2006.

［2］ 萬育紅，賈春玉，唐述明.我國正壓氧氣呼吸器現(xiàn)狀及發(fā)展分析［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36（3）：63－65.

［3］ 朱蕾，鈕善福.機械通氣［M］.上海：上海科學技術出版社，2001.

［4］ 煤炭科學研究總院撫順分院.MT867－2000隔絕式正壓氧氣呼吸器［S］.北京：中國煤炭工業(yè)出版社，2001：1－8.