高壓艙快速加減壓系統(tǒng)設(shè)計

陳 杰，方以群，張 劍，袁恒榮

0 引言

隨著潛水和航空技術(shù)的發(fā)展，加壓系統(tǒng)和減壓系統(tǒng)變得日益重要。高壓艙系統(tǒng)可以模擬潛水員在水下幾百米的氣壓狀態(tài)，減壓系統(tǒng)可以模擬航空航天人員在海拔幾萬米高度訓(xùn)練的氣壓狀態(tài)[1-2]。在醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域也需要應(yīng)用加壓系統(tǒng)和減壓系統(tǒng)，如將動物放置在其中的高壓艙室或低壓艙室中，可以觀測其在高壓或低壓條件下的生理參數(shù)變化。通過對上述生理參數(shù)變化的研究，可以更好地了解、救治和保護處于極端條件下的人類或其他動物。在實際的生產(chǎn)實踐中，設(shè)計快速、安全、可靠的加減壓系統(tǒng)，有利于人類更好地展開科學(xué)研究。

1 總體設(shè)計概述

高壓艙一般包括加壓和減壓2部分控制系統(tǒng)[3]。如圖1所示，常規(guī)的加壓系統(tǒng)包括加壓艙和調(diào)壓艙。其中，加壓艙通過調(diào)壓艙（包括壓力傳感器和參數(shù)測量裝置）的加壓閥向調(diào)壓艙中輸入氣體以加大調(diào)壓艙中的壓力[4]。加壓艙的壓力遠遠大于調(diào)壓艙需要達到的壓力值。調(diào)壓艙中的參數(shù)測量裝置可以與實驗動物相連，以獲取不同壓力條件下實驗動物的生理參數(shù)信息。壓力傳感器用于獲取調(diào)壓艙的實時壓力值。在對調(diào)壓艙進行壓力調(diào)節(jié)時，工作人員通過壓力傳感器獲取調(diào)壓艙當(dāng)前的壓力，根據(jù)當(dāng)前壓力與目標(biāo)壓力的差值，人為調(diào)節(jié)加壓閥的開啟度，以使調(diào)壓艙的壓力增加到目標(biāo)壓力。

圖1 常規(guī)的加減壓系統(tǒng)

常規(guī)的減壓系統(tǒng)的設(shè)計與加壓系統(tǒng)類似，即把加壓艙替換成減壓艙。為了更符合實際情況，需要使調(diào)壓艙中的壓力在較短的時間加壓或減壓到目標(biāo)壓力。但是通過人為調(diào)節(jié)則不能滿足時間要求，且調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確，容易存在很大的偏差，最終影響實驗結(jié)果。在其他壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，也存在相同的問題。

本文設(shè)計的加壓系統(tǒng)、減壓系統(tǒng)和加/減壓系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高壓艙的快速加減壓，都是通過壓力傳感器獲取調(diào)壓艙的實際壓力，通過輸入裝置輸入調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力及對應(yīng)的時間，進而由控制器根據(jù)調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力和實際壓力，調(diào)節(jié)加壓閥或減壓閥的開啟度，從而使得調(diào)壓艙的實際壓力在對應(yīng)的時間內(nèi)達到目標(biāo)壓力。通過選擇性能優(yōu)越的控制器和壓力傳感器，就可以保證壓力控制的高速性、準(zhǔn)確性和安全性[5]。

系統(tǒng)中包括各種檢測裝置如溫度傳感器、濕度傳感器、生理參數(shù)測量器、氧氣濃度傳感器或二氧化碳傳感器[6]，從而可以進一步在對調(diào)壓艙進行壓力調(diào)節(jié)的過程中，獲取調(diào)壓艙中溫度、濕度、動物的生理參數(shù)、氧氣體積分?jǐn)?shù)或二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的信息[7]。

2 加壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 快速加壓系統(tǒng)

快速加壓系統(tǒng)如圖2所示，其部件包括：（1）調(diào)壓艙：設(shè)置有一個或多個加壓閥；（2）一個或多個加壓艙：通過對應(yīng)的加壓閥向調(diào)壓艙中輸入氣體以增大調(diào)壓艙的壓力；（3）檢測裝置：至少包括設(shè)置在調(diào)壓艙中的壓力傳感器，用于獲取調(diào)壓艙的實際壓力；（4）輸入裝置：用于輸入調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力及對應(yīng)的時間；（5）控制器：連接檢測裝置、輸入裝置和加壓閥，根據(jù)調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力和實際壓力，調(diào)節(jié)所述加壓閥的開啟度，使調(diào)壓艙的實際壓力在對應(yīng)的時間內(nèi)達到目標(biāo)壓力。

圖2 快速加壓系統(tǒng)示意圖

加壓系統(tǒng)通過壓力傳感器獲取調(diào)壓艙的實際壓力，通過輸入裝置輸入調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力及對應(yīng)的時間，進而由控制器根據(jù)調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力和實際壓力調(diào)節(jié)加壓閥的開啟度，從而使得調(diào)壓艙的實際壓力在對應(yīng)的時間內(nèi)達到目標(biāo)壓力，保證了加壓的高速性、準(zhǔn)確性和安全性。

調(diào)壓艙是待調(diào)節(jié)壓力的艙室。實驗中將實驗動物放在調(diào)壓艙中，以此模擬實驗動物潛入深水中的壓力情況。具體來說，大氣的壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（即0.101 33MPa），每下潛10m就需要增加一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。本設(shè)計中加壓系統(tǒng)包括3個加壓艙，分別為第一加壓艙、第二加壓艙和第三加壓艙。相應(yīng)的，調(diào)壓艙包括3個加壓閥，分別為第一加壓閥、第二加壓閥和第三加壓閥。3個加壓艙分別通過對應(yīng)的加壓閥向調(diào)壓艙中輸入氣體以增大調(diào)壓艙的壓力。

每個加壓艙的壓力遠遠大于調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力，如第一加壓艙的壓力可以為300MPa，調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力為1.5MPa。為了簡單起見，由于加壓艙向調(diào)壓艙供氣后變化的壓力與加壓艙的原壓力相比可以忽略不計，因此，可以假定各個加壓艙中的壓力恒定。

每個加壓艙中的氣體可以為空氣、氧氣、氮氣、惰性氣體、二氧化碳中的一種或任意組合。每個加壓艙中的氣體可以相同，也可以不同，從而可以進行不同氣體含量情況下的相關(guān)實驗。在加壓艙通過加壓閥向調(diào)壓艙輸入氣體的過程中，加壓閥的開啟度越大，加壓艙向調(diào)壓艙中輸入的氣體越多，調(diào)壓艙的壓力上升越快。各個加壓閥的開啟度可以相同，也可以不同。

由于本設(shè)計中包括多個加壓艙，相比于只有一個加壓艙的情況，可以更快速地實現(xiàn)加壓過程。為了實現(xiàn)更精確的控制，本設(shè)計中的3個加壓閥可以分別為DN20、DN32和DN40，從而可以實現(xiàn)不同速率、不同組合方案的加壓。需要說明的是，在保持加壓艙的數(shù)量和加壓閥的數(shù)量相同的前提下，加壓艙或加壓閥的數(shù)量還可以為1個、2個或4個以上。

2.2 檢測裝置

本文設(shè)計的檢測裝置還可以包括以下器件中的一種或多種（如圖3所示）。

圖3 各類檢測裝置示意圖

（1）設(shè)置在調(diào)壓艙中的溫度傳感器，用于獲取調(diào)壓艙的溫度信息；（2）設(shè)置在調(diào)壓艙中的濕度傳感器，用于獲取調(diào)壓艙的濕度信息；（3）設(shè)置在調(diào)壓艙中的生理參數(shù)測量器，用于獲取調(diào)壓艙中動物的生理參數(shù)信息；（4）設(shè)置在調(diào)壓艙中的氧氣濃度傳感器，用于獲取調(diào)壓艙中氧氣的體積分?jǐn)?shù)信息；（5）設(shè)置在調(diào)壓艙中的二氧化碳濃度傳感器，用于獲取調(diào)壓艙中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)信息；（6）設(shè)置在加壓艙中的壓力傳感器，用于獲取加壓艙的壓力信息；（7）設(shè)置在加壓艙中的溫度傳感器，用于獲取加壓艙的溫度信息。

壓力傳感器可以采用霍尼韋爾高壓壓力傳感器，其內(nèi)部具有自動溫度補償校正，且反應(yīng)速度較快、安全性較高。溫度傳感器和濕度傳感器可以集成為一體，具體可以采用瑞士盛世瑞恩HT1系列數(shù)字溫濕度變送器，從而可以數(shù)字量輸出溫度及濕度信號，檢測精度高、反應(yīng)速度快。生理參數(shù)測量器可以是現(xiàn)有技術(shù)中任意一種生理參數(shù)監(jiān)測儀器，用于測量調(diào)壓艙內(nèi)實驗動物的心電、血壓、脈搏率、血氧飽和度、呼吸速率、體溫等生理參數(shù)。

2.3 控制部分

檢測裝置在獲取上述測量信息后發(fā)送給控制器。

輸入裝置用于獲取調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力及對應(yīng)的時間關(guān)系，如調(diào)壓艙中的壓力隨時間呈直線增長或呈指數(shù)增長等。調(diào)壓艙中的壓力還可以保持不變一段時間，如調(diào)壓艙升壓一段時間后，靜止一段時間，然后繼續(xù)升壓、保持等步驟。

當(dāng)調(diào)壓艙中的壓力隨時間呈直線增長時，滿足以下關(guān)系式：

其中，P0是調(diào)壓艙加壓前的壓力，Pt是加壓t時刻之后調(diào)壓艙的壓力，t為加壓時間，K為加壓的速率比值，即加壓直線的速率常數(shù)。

當(dāng)調(diào)壓艙中的壓力隨時間呈指數(shù)增長時，滿足以下關(guān)系式：

其中，P0是調(diào)壓艙加壓前的壓力，Pt是加壓t時刻之后調(diào)壓艙的壓力，t為加壓時間，T為壓力翻倍要求的時間常數(shù)，可以取4～30 s。

由于動物的生理曲線符合指數(shù)曲線，因此，本文選用指數(shù)增長模式，調(diào)壓艙的壓力可以與時間呈任意關(guān)系。

輸入裝置可以為鍵盤、鼠標(biāo)、語音輸入裝置或觸摸輸入裝置等。控制器可以選用工業(yè)級監(jiān)控便攜式計算機，從而可以方便、準(zhǔn)確地實現(xiàn)對加壓閥開啟度的控制。控制器從輸入裝置獲取調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力，從壓力傳感器獲取調(diào)壓艙的實際壓力，根據(jù)所述目標(biāo)壓力和實際壓力計算加壓閥需要調(diào)壓的開啟度，進而調(diào)節(jié)所述加壓閥的開啟度，以使調(diào)壓艙的實際壓力在對應(yīng)的時間內(nèi)達到目標(biāo)壓力。

可以在控制器中采用高級語言編寫與檢測相關(guān)的程序以提高運行速度，且在控制器中采用匯編語言編寫與計算控制相關(guān)的程序以確保控制的準(zhǔn)確性和安全性。

參考圖2所示，本文設(shè)計的加壓系統(tǒng)可以包括以下裝置中的一種或任意組合：（1）輸出裝置：連接控制器，用于至少輸出加壓過程中加壓閥的開啟度、調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力、調(diào)壓艙的實際壓力；（2）存儲裝置：連接控制器，用于至少對加壓過程中加壓閥的開啟度、調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力、調(diào)壓艙的實際壓力進行存儲；（3）報警裝置：連接控制器，用于至少當(dāng)加壓閥的開啟度或調(diào)壓艙的實際壓力大于閾值時，發(fā)出語音、燈光或文字警報。

由于控制器通過檢測裝置還可以獲取調(diào)壓艙的溫度信息、濕度信息、實驗動物的生理參數(shù)信息、氧氣體積分?jǐn)?shù)信息、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)信息、加壓艙的壓力信息和溫度信息，因此，輸出裝置也可以將上述信息中的一種或任意多種一并輸出。輸出裝置可以為語音輸出裝置、打印輸出裝置或顯示輸出裝置中的一種或任意組合。存儲裝置可以為任意存儲器，如U盤、閃存或硬盤等。存儲裝置在存儲調(diào)壓艙壓力信息的同時，還可以存儲調(diào)壓艙的溫度信息、濕度信息、實驗動物的生理參數(shù)信息、氧氣體積分?jǐn)?shù)信息、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)信息、加壓艙的壓力信息和溫度信息。報警裝置可以為語音報警裝置、燈光報警裝置或顯示報警裝置等，從而當(dāng)檢測裝置獲取的任意一種信息不符合正常條件時，都可以發(fā)出對應(yīng)的警報信息，以及時告知工作人員，保證加壓的安全性。

3 減壓系統(tǒng)設(shè)計

減壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和加壓系統(tǒng)類似，包括：（1）調(diào)壓艙，設(shè)置有減壓閥；（2）減壓艙，通過所述減壓閥從調(diào)壓艙中輸出氣體以減小調(diào)壓艙的壓力；（3）檢測裝置，至少包括設(shè)置在調(diào)壓艙中的壓力傳感器，用于獲取調(diào)壓艙的實際壓力；（4）輸入裝置，用于輸入調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力及對應(yīng)的時間；（5）控制器，連接檢測裝置、輸入裝置和減壓閥，根據(jù)調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力和實際壓力，調(diào)節(jié)所述減壓閥的開啟度，使調(diào)壓艙的實際壓力在對應(yīng)的時間內(nèi)達到目標(biāo)壓力。

本設(shè)計中的減壓系統(tǒng)通過壓力傳感器獲取調(diào)壓艙的實際壓力，通過輸入裝置輸入調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力及對應(yīng)的時間，進而控制器根據(jù)調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力和實際壓力調(diào)節(jié)減壓閥的開啟度，從而使得調(diào)壓艙的實際壓力在對應(yīng)的時間內(nèi)達到目標(biāo)壓力，保證減壓的高速性、準(zhǔn)確性和安全性。

如圖4所示，減壓系統(tǒng)包括2個減壓艙，分別為第一減壓艙和第二減壓艙。相應(yīng)的，調(diào)壓艙包括2個減壓閥，分別為第一減壓閥和第二減壓閥。第一減壓艙通過第一減壓閥將調(diào)壓艙中的氣體輸出以降低調(diào)壓艙的壓力，第二減壓艙通過第二減壓閥從調(diào)壓艙中輸出氣體以降低調(diào)壓艙的壓力。

每個減壓艙的壓力遠遠小于調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力，如調(diào)壓艙的目標(biāo)壓力為1.5MPa，第一減壓艙的壓力可以為0.1MPa。在減壓艙通過減壓閥從調(diào)壓艙中輸出氣體的過程中，減壓閥的開啟度越大，調(diào)壓艙向減壓艙輸出的氣體越多，調(diào)壓艙的壓力下降越快。各個減壓閥的開啟度可以相同，也可以不同。所述減壓艙可以為大氣系統(tǒng)，以進一步降低減壓系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

圖4 快速減壓系統(tǒng)示意圖

將快速加壓和減壓裝置整合為一體，即可設(shè)計為快速加減壓系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 快速加減壓系統(tǒng)示意圖

4 實驗及分析

實驗采用直徑1.00m、長2.00m的動物加壓艙進行，選擇 10、60、100、150m 4 個深度加壓方案[8]進行驗證，增壓速率按Pt=P0·2t/T公式進行，平衡時間不大于 4 s，T 值分別選用 20、20、12、7[9]，壓力平衡后采用勻速減壓速率3～3.5m/s。實驗結(jié)果顯示，各方案的加壓方案實際完成度很好，曲線符合度高，加減壓過程平穩(wěn)，無震蕩、超調(diào)現(xiàn)象，如圖6所示。

通過實驗中各不同深度增壓值下實際加壓時間與預(yù)案加壓時間誤差率（見表1）的數(shù)據(jù)實驗結(jié)果分析，誤差均小于3%，可見快速加減壓系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地進行加減壓控制。

圖6 150m實際加壓時間曲線與預(yù)案加壓時間曲線對比圖

表1 不同深度增壓值下實際加壓時間與預(yù)案加壓時間誤差率

5 結(jié)論

本研究設(shè)計的高壓艙快速加減壓系統(tǒng)適用于多種高低壓艙的快速加減壓控制，可通過不同的模塊組合，實現(xiàn)不同環(huán)境條件下多種氣體的壓力控制。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、科研、工業(yè)等多個領(lǐng)域，通過高性能的自動系統(tǒng)和多氣源方式控制加減壓，使調(diào)壓艙中的壓力在更精確的時間加壓或減壓到目標(biāo)壓力，調(diào)壓過程更符合實際情況需要，增加了高壓艙的操控性，可提高工業(yè)生產(chǎn)效率和醫(yī)療安全性及科學(xué)研究的準(zhǔn)確性。

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