智能氧氣呼吸器的設計及試驗研究

余秀清

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

應急救援工作是煤礦安全生產(chǎn)的最后一道防線，氧氣呼吸器是救援人員必配的個人呼吸防護裝備[1-4]。煤礦事故發(fā)生后，救援隊員必須佩戴氧氣呼吸器才能到井下執(zhí)行救援工作，氧氣呼吸器各項性能指標運行狀況是否正常，直接關系到救援隊員生命安全和救災效率[5-8]。目前，傳統(tǒng)氧氣呼吸器以機械報警為主[9]，技術落后，智能化水平低，主要存在以下問題：①戰(zhàn)前檢查項目少，僅檢查呼、吸氣閥逆向氣密性、面罩與人臉貼合密封性，無法保證氧氣呼吸器關鍵部件性能完好性[10]；②高壓微泄漏和低壓泄漏不易被察覺，影響使用時間；③應急救援人員的身體運動狀態(tài)未被監(jiān)測；④所處環(huán)境溫度未被監(jiān)控[11-12]；⑤無數(shù)據(jù)存儲，無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，整體技術水平落后于當前礦井信息化、智能化技術發(fā)展步伐。因此，急需提升氧氣呼吸器的智能化水平，實現(xiàn)開機自檢、智能檢測與警報、無線語音通訊互聯(lián)互通等功能，使之更能適應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(機械主機)、智能主機、顯示終端、語音部件組成，如圖1所示。整體設計技術方案如圖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計技術方案

通過在智能氧氣呼吸器主體上集成信息采集與無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)呼吸器指標參數(shù)、人體體征參數(shù)、救援環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測；對所采集到的信息進行智能分析，實現(xiàn)智能檢測與警報；通過短距離無線射頻通信技術，實現(xiàn)隊員間的語音交互。

2 智能氧氣呼吸器主要系統(tǒng)設計

2.1 主要系統(tǒng)功能設計

1)開機自檢：開機時檢測電池電量，以文字或符號顯示；

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

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

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

5)吸氣溫度顯示：實時檢測吸氣溫度并于手持端顯示，溫度檢測范圍為0～99 ℃，精度為±0.5 ℃；

6)未裝冰提示：打開氧氣瓶5 min檢測是否裝冰；

7)開關機報警：在打開氧氣瓶或關閉氧氣瓶時，報警裝置發(fā)出提示報警聲響，報警聲響時間15 s，聲級強度大于70 dB；

8)余壓報警：當氧氣瓶壓力下降到4～6 MPa時，報警裝置發(fā)出報警聲響提示，報警聲響時間 30～60 s，聲級強度不低于70 dB；

9)身體姿態(tài)狀態(tài)報警：當救護隊員靜止30 s以上時，自動開啟報警聲提示，10 s后如檢測到救護隊員運動，報警聲停止；該報警聲提示也可以手動開啟，報警聲級強度不低于70 dB；

10)使用時間、剩余時間：以文字顯示呼吸器使用時間及剩余使用時間，min；

11)電池欠壓報警顯示：以圖形或文字顯示，以及聲音提示電壓低，需更換電池；

我實在聽不下去，但又沒有勇氣站起來反對，因為他們有的是父親或同輩在社會上有頭有臉的人，把關系鬧僵不好辦。

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)：隊員間的無線語音交互[14]；

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

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

2.2 智能主機設計

主機作為中心信息處理部件，實現(xiàn)信息檢測與無線數(shù)據(jù)檢測等功能。主機主板通過連接壓力傳感器、溫度傳感器、姿態(tài)動作傳感器采集數(shù)據(jù)；連接耳機、拾音器、無線模塊實現(xiàn)無線語音通訊。BLE實現(xiàn)主機與顯示終端超低功耗無線短距離數(shù)據(jù)交互[15]。配備大容量數(shù)據(jù)存儲器，本地存數(shù)數(shù)據(jù)。智能主機構(gòu)架設計如圖3所示。

圖3 智能氧氣呼吸器主機構(gòu)架

2.3 顯示終端設計

處理器連接按鈕與語音喇叭實現(xiàn)手動報警、開關機、應用功能切換與人機交互操作；連接加速度傳感器、多個彩色LED、高分貝蜂鳴器，實現(xiàn)聲、光、體感報警；連接背光可調(diào)電子墨水實現(xiàn)信息實時顯示。EEPROM實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地存儲。BLE實現(xiàn)終端與主機超低功耗無線短距離數(shù)據(jù)交互。終端屏幕顯示氣瓶壓力、剩余可使用時間，環(huán)形圖形化顯示氣瓶壓力，輔以動態(tài)效果。顯示終端構(gòu)架設計如圖4所示。

圖4 顯示終端構(gòu)架

2.4 無線語音通訊設計

圖5 語音部件與面罩集成方案

2.5 呼吸器機械主機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

為實現(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整機性能指標的影響，并對傳統(tǒng)氧氣呼吸器相應結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，增加高壓傳感器、低壓傳感器等。智能氧氣呼吸器主機內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置設計如圖6所示。

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

3 試驗驗證

3.1 防護性能試驗

智能氧氣呼吸器在真人佩戴之前，應按照呼吸器行業(yè)標準[17]要求進行防護性能驗證，各項指標要求：防護時間不小于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。防護性能試驗結(jié)果見表1。

表1 智能氧氣呼吸器防護性能試驗結(jié)果

由表1可知，在智能氧氣呼吸器防護時間達到 240 min時，氣瓶剩余壓力為6.1 MPa，防護時間大于標準要求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，各項指標均符合標準要求。

3.2 語音通訊試驗

為了驗證語音通訊距離和音效，在清水溪地下爆炸試驗巷道進行了語音通訊試驗，試驗巷道形狀如圖7所示。

圖7 清水溪地下爆炸試驗巷道布局示意圖

通過試驗得出，直道6人雙通，可視語音通訊距離約為150 m，斜道轉(zhuǎn)彎時約為45 m，語音清晰，滿足礦井救護小隊指揮與聯(lián)絡通訊要求。

3.3 真人佩戴性能試驗

為驗證中等勞動強度下，智能氧氣呼吸器佩戴性能和智能檢測各項功能，在國家礦山救援芙蓉基地先按照氧氣呼吸器佩戴試驗方法進行了2 h真人佩戴試驗[18-19],然后進行2 h登山高強度試驗，如 圖8 所示。

圖8 真人佩戴性能試驗

通過4 h的佩戴試驗，氧氣瓶壓力還剩余約 4.5 MPa，防護時間滿足要求；氧氣呼吸器機械主機各項功能運行正常；智能主機和顯示終端智能檢測功能齊全，運行順暢、無故障；地面語音通訊距離約為100 m，語音較清晰，溝通順暢。

4 結(jié)論

通過試驗測試，得出該智能氧氣呼吸器在防護時間內(nèi)，各項防護性能滿足MT 867—2000《隔絕式正壓氧氣呼吸器》行業(yè)標準要求，智能檢測各項功能滿足設計要求，提高了國產(chǎn)氧氣呼吸器智能化水平，語音通訊各項功能滿足實際指揮與聯(lián)絡通訊要求。