陳于金

（中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 404100）

0 引言

呼吸防護(hù)用品是為保護(hù)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(yù)防職業(yè)危害的個(gè)體防護(hù)裝備［1］。氧氣呼吸器、壓縮氧自救器等作為個(gè)體呼吸防護(hù)裝備，廣泛用于煤礦、消防、隧道、石化、城市建筑、核工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域缺氧、無(wú)氧或存在有毒有害氣體環(huán)境中或搶險(xiǎn)救援工作中［2］，以保障救護(hù)隊(duì)員的身體健康和生命安全。個(gè)體呼吸防護(hù)裝備平時(shí)處于戰(zhàn)備狀態(tài)，因此對(duì)其氣密性、正壓特性和防護(hù)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(yán)格，為此筆者研制了呼吸儀器綜合性能測(cè)試裝置，能夠全面檢測(cè)個(gè)體呼吸防護(hù)產(chǎn)品的性能，為礦山救護(hù)提供了安全保證。

1 呼吸儀器綜合性能測(cè)試裝置的原理

仿人工呼吸機(jī)模擬人體呼氣、吸氣狀態(tài)。呼氣時(shí)，吸氣閥關(guān)閉，呼出的氣體通過(guò)呼氣閥，由二氧化碳?xì)馄垦a(bǔ)充單位時(shí)間內(nèi)人體呼出的二氧化碳，經(jīng)過(guò)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(jìn)入呼吸器氣囊；吸氣時(shí)，呼氣閥關(guān)閉，氣囊中的氣體經(jīng)冷卻器冷卻后進(jìn)入仿人工呼吸機(jī)，完成一次呼吸循環(huán)。外部設(shè)置頭模或口具接口，用于連接呼吸儀器；系統(tǒng)運(yùn)行通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制，能自動(dòng)設(shè)置呼吸參數(shù)，動(dòng)態(tài)模擬人體呼吸狀態(tài)（呼吸頻率和呼吸量），實(shí)時(shí)采樣各種防護(hù)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(dòng)態(tài)曲線），并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和保存。若性能參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，系統(tǒng)程序停止運(yùn)行。

運(yùn)行時(shí)，二氧化碳?xì)怏w通過(guò)流量計(jì)、緩沖袋進(jìn)入加溫增濕器與呼出空氣混合后進(jìn)入呼吸儀器氣囊，混合氣前處設(shè)置二氧化碳傳感器，隨時(shí)采樣呼氣系統(tǒng)二氧化碳濃度，當(dāng)濃度降低時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)償；吸氣處設(shè)置采樣泵，以一定的流量（耗氣量）通過(guò)二氧化碳分析儀和氧氣分析儀，測(cè)試吸氣狀態(tài)中二氧化碳和氧氣濃度；計(jì)算機(jī)主要測(cè)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(dòng)生成各參數(shù)曲線，可分析出呼吸儀器的防護(hù)性能，判斷呼吸儀器性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 測(cè)試裝置主要部件設(shè)計(jì)

圖1為呼吸器綜合性能測(cè)試原理方框圖。其中，實(shí)線為電信號(hào)，虛線為氣體走向。

呼吸儀器綜合性能測(cè)試裝置是一種在模擬人體代謝和不同呼吸狀態(tài)下，測(cè)定呼吸器的防護(hù)時(shí)間、呼吸阻力、吸氣溫度、呼氣溫度、氧氣濃度和CO2濃度等防護(hù)性能的裝置，它主要由箱體、仿人工呼吸機(jī)、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(zhuǎn)子流量計(jì)、濕式氣體流量計(jì)、溫度計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)（電磁截止閥、頭模、采樣泵和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、打印機(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)同步性、采樣數(shù)據(jù)）的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

2.1 仿人工呼吸器

仿人工呼吸器是實(shí)施機(jī)械通氣的工具，用于呼吸儀器綜合性能測(cè)試的裝置應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：①實(shí)現(xiàn)換氣量和呼吸頻率的無(wú)級(jí)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(cè)試裝置選擇電動(dòng)電控型仿人工呼吸器，其主要由供氣、驅(qū)動(dòng)裝置和控制部分組成。

圖1 呼吸器綜合性能測(cè)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(wú)泄漏；驅(qū)動(dòng)裝置采用非線性驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)使輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)而推動(dòng)活塞［3］，仿人工呼吸器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。當(dāng)泵囊為壓縮形態(tài)時(shí)，仿人工呼吸器處于呼氣狀態(tài)；當(dāng)泵囊為伸展形態(tài)時(shí)，仿人工呼吸器處于吸氣狀態(tài)，通過(guò)設(shè)置電動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)數(shù)，可使泵式氣囊反復(fù)伸縮的頻率與人體呼吸頻率一致，從而實(shí)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(jié)構(gòu)圖

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

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

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二氧化碳進(jìn)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(jī)完全同步控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示整個(gè)測(cè)試過(guò)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(hù)時(shí)間。

2.3 其他設(shè)備

箱體、口具連接器、鼓泡式加溫增濕器、冷卻器依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［4］設(shè)計(jì)，壓力變送器、紅外線二氧化碳分析儀、熱磁式氧氣分析儀、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、濕式氣體流量計(jì)、溫度傳感器等設(shè)備外購(gòu)。

最終設(shè)計(jì)的呼吸儀器綜合性能測(cè)試裝置見(jiàn)圖4。

圖4 呼吸儀器綜合性能測(cè)試裝置外形圖

3 應(yīng)用情況

對(duì)Biopak240R正壓氧氣呼吸器（編號(hào)Ⅰ，Ⅱ）防護(hù)性能（按照30 L／min呼吸量）進(jìn)行240 min測(cè)試，呼吸面罩安裝于頭模上，開(kāi)啟氣瓶及測(cè)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?jǐn)?shù)）變化曲線

由圖5～圖8可知，呼吸儀器綜合性能測(cè)試裝置分別測(cè)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(guò)0.8%，經(jīng)過(guò)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(jìn)口正壓氧氣呼吸器防護(hù)性能，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

圖6 氧氣濃度（體積分?jǐn)?shù)）變化曲線

圖7 吸氣溫度變化曲線

4 結(jié)論

呼吸儀器綜合性能測(cè)試裝置能夠全面測(cè)試氧氣呼吸器、自救器等呼吸儀器的防護(hù)性能，有利于個(gè)體呼吸保護(hù)產(chǎn)品的性能改進(jìn)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了礦山安全救護(hù)能力。

圖8 呼氣阻力變化曲線

［1］ 佘啟元.個(gè)體防護(hù)裝備技術(shù)與測(cè)試方法［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.

［2］ 萬(wàn)育紅，賈春玉，唐述明.我國(guó)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(jī)械通氣［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001.

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