模擬400 m氫氧潛水動(dòng)物試驗(yàn)加壓艙系統(tǒng)的研制

于峰濤，顧秀良，翁永斌，繆巍巍，何 冰，王 凱，肖衛(wèi)兵，李 峻，陸曉明，馬學(xué)剛

眾所周知，較大深度飽和潛水，一般采用氦氧混合氣作為潛水呼吸氣。由于氦氣資源少，成本高，導(dǎo)致較大深度飽和潛水作業(yè)成本較高，所以各國(guó)都在探索以氫氧混合氣替代氦氧混合氣的方法。法國(guó)模擬氫氧潛水人體實(shí)驗(yàn)的深度已達(dá)701 m，我國(guó)海軍醫(yī)學(xué)研究所在20世紀(jì)90年代，開始了這類研究。氫氣的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，與氧氣混合達(dá)到一定的比例時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生劇烈的爆炸。氫氧混合氣的這種特殊性，對(duì)加壓艙的要求更高、更特殊。研制本加壓艙系統(tǒng)的目的是控制艙內(nèi)環(huán)境參數(shù)，確保模擬氫氧潛水動(dòng)物試驗(yàn)的順利進(jìn)行，提高動(dòng)物的存活率。經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究國(guó)家、行業(yè)安全用氫規(guī)定，并經(jīng)過(guò)反復(fù)進(jìn)行安全性能論證后，本研究小組研制出了這套用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的模擬400 m氫氧介質(zhì)加壓艙系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

本加壓艙系統(tǒng)主要由艙體、加壓、減壓、環(huán)境參數(shù)控制、環(huán)境參數(shù)采集和監(jiān)視等部分組成，見圖1。環(huán)境參數(shù)的控制部分主要用來(lái)控制艙內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)。環(huán)境參數(shù)采集部分的功能是實(shí)時(shí)采集、分析、顯示和記錄艙內(nèi)壓力、溫度、氧濃度等參數(shù)。監(jiān)視系統(tǒng)用來(lái)顯示加壓和減壓時(shí)，內(nèi)艙和外艙之間的壓差狀態(tài)，以便于閥門控制，并顯示、記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的動(dòng)物活動(dòng)情況。

1.1 艙體 艙體由外艙和內(nèi)艙構(gòu)成。(1)外艙為一單門的耐壓殼體，殼體上安裝有通艙生物電接線柱、艙內(nèi)用電器接線柱、氣路通艙管件、水路通艙管件和照明設(shè)備等。用于建立壓力。(2)內(nèi)艙為一密閉的非耐壓有機(jī)玻璃艙體，用于隔離外艙和內(nèi)艙，是試驗(yàn)時(shí)動(dòng)物活動(dòng)區(qū)。內(nèi)艙上裝有熱交換管道，在此管道中安裝有微型風(fēng)扇和二氧化碳吸收裝置。內(nèi)艙壁安裝生物電通艙接線柱。微型風(fēng)扇的電磁輻射通過(guò)屏蔽裝置和通艙接線柱接地。見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 艙體結(jié)構(gòu)圖

1.2 加壓和減壓系統(tǒng) 加減壓系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:氮?dú)鈪R流排、混合氣匯流排、加減壓緩沖器、氣體采樣減壓器、采樣流量計(jì)、減壓管路隔離水池、氣源壓力表、艙壓壓力表、閥門、氮?dú)夤苈泛突旌蠚夤苈返?。氮?dú)夤苈坊蚧旌蠚夤苈酚心蛪汗苈?艙外部分)和非耐壓軟管路(艙內(nèi)部分)之分。見圖2。加減壓原理如下:加壓時(shí)，同步打開氮?dú)饧訅洪y和混合氣加壓閥，并根據(jù)加減壓緩沖器的充盈程度調(diào)整閥門的開度。氮?dú)膺M(jìn)入內(nèi)艙以外的外艙空間，降低外艙空間氧濃度?；旌蠚膺M(jìn)入內(nèi)艙，供動(dòng)物呼吸。氫氧混合氣與氮氧混合氣相互轉(zhuǎn)換前，更換混合氣氣瓶。轉(zhuǎn)換時(shí)，同步打開混合氣加壓閥和減壓閥，并根據(jù)加減壓緩沖器的充盈程度調(diào)整閥門開度。減壓時(shí)，同步打開氮?dú)鉁p壓閥和混合氣減壓閥，并調(diào)節(jié)閥門開度。試驗(yàn)過(guò)程中，外艙和內(nèi)艙氣體組份的監(jiān)測(cè)，通過(guò)采樣減壓器、采樣流量計(jì)和氣體分析儀實(shí)現(xiàn)。

1.3 環(huán)境控制系統(tǒng) 環(huán)境控制系統(tǒng)由溫控儀、空調(diào)器、電熱元件、熱水箱、冷水箱、水泵、熱交換器和控制電路等部分組成，見圖3。運(yùn)行原理如下:將水箱注滿水，分別設(shè)定冷水箱、熱水箱和艙內(nèi)溫度控制儀的控制溫度，啟動(dòng)系統(tǒng)，使冷水箱溫度基本恒定在20℃，熱水箱溫度基本恒定在60℃。當(dāng)艙內(nèi)溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，溫控儀發(fā)出信號(hào)，打開電磁閥A，關(guān)閉電磁閥B。當(dāng)艙內(nèi)溫度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，溫控儀發(fā)出信號(hào)，使兩電磁閥的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫度的控制。電氣控制原理見圖4。溫度的控制精度:室溫在20～33℃，艙內(nèi)預(yù)設(shè)溫度31℃時(shí)，控制精度為±0.5℃。內(nèi)艙二氧化碳的吸收由二氧化碳吸收裝置完成。

圖3 環(huán)控系統(tǒng)管路圖

圖4 環(huán)控系統(tǒng)電氣控制圖

1.4 環(huán)境參數(shù)采集、記錄和顯示 本加壓艙系統(tǒng)采用智能化設(shè)備進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集、顯示和記錄。其主要目的是實(shí)時(shí)顯示和記錄艙內(nèi)壓力、溫度、氧濃度等關(guān)鍵參數(shù)，供試驗(yàn)人員監(jiān)視、決策，以及為試驗(yàn)結(jié)果的分析提供依據(jù)。其硬件主要由以下元件組成:傳感器、信號(hào)放大器、AD轉(zhuǎn)換卡、通信接口、計(jì)算機(jī)和信號(hào)線等，見圖5。

來(lái)自各傳感器的信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器放大后，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)通信接口送入計(jì)算機(jī)。采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件調(diào)用，進(jìn)行分析、儲(chǔ)存和輸出，顯示器便可顯示形象、直觀的參數(shù)變化曲線。

圖5 數(shù)據(jù)采集記錄原理圖

1.5 監(jiān)視 監(jiān)視部分由艙內(nèi)攝像頭、監(jiān)視器、視頻采集卡、計(jì)算機(jī)和視頻線等組成，主要用于監(jiān)視內(nèi)艙和外艙在加減壓時(shí)的壓差狀態(tài)，以及記錄動(dòng)物在艙內(nèi)的活動(dòng)情況。

2 動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)12次動(dòng)物試驗(yàn)使用，其中2次400 m，其余200 m，驗(yàn)證了本動(dòng)物試驗(yàn)艙設(shè)備系統(tǒng)安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)加壓試驗(yàn)的50只大、小白鼠出艙7 d后，成活率達(dá)100%。

艙內(nèi)壓力、溫度、氫濃度、氧濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)曲線見圖6。

圖6 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線

3 討論

目前，氮氧混合氣與氫氧混合氣之間相互轉(zhuǎn)換和加壓、減壓都是通過(guò)手動(dòng)控制加減壓閥門實(shí)現(xiàn)的，在操作上不夠方便，導(dǎo)致混合氣轉(zhuǎn)換時(shí)間和加壓、減壓速度都有一定誤差。所以在混合氣相互轉(zhuǎn)換和加壓、減壓的自動(dòng)控制方面有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。