呼吸仪器综合性能测试装置研制与应用

陈于金

（中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 404100）

0 引言

呼吸防护用品是为保护佩戴者的呼吸系统，阻止粉尘或烟或气体、蒸汽、微生物的吸入，预防职业危害的个体防护装备［1］。氧气呼吸器、压缩氧自救器等作为个体呼吸防护装备，广泛用于煤矿、消防、隧道、石化、城市建筑、核工业、实验室等领域缺氧、无氧或存在有毒有害气体环境中或抢险救援工作中［2］，以保障救护队员的身体健康和生命安全。个体呼吸防护装备平时处于战备状态，因此对其气密性、正压特性和防护性能（包含吸气温度、呼气阻力、二氧化碳浓度、氧气浓度）要求尤为严格，为此笔者研制了呼吸仪器综合性能测试装置，能够全面检测个体呼吸防护产品的性能，为矿山救护提供了安全保证。

1 呼吸仪器综合性能测试装置的原理

仿人工呼吸机模拟人体呼气、吸气状态。呼气时，吸气阀关闭，呼出的气体通过呼气阀，由二氧化碳气瓶补充单位时间内人体呼出的二氧化碳，经过鼓泡式加温增温器和二氧化碳吸收罐净化后，变为新鲜热湿空气，进入呼吸器气囊；吸气时，呼气阀关闭，气囊中的气体经冷却器冷却后进入仿人工呼吸机，完成一次呼吸循环。外部设置头模或口具接口，用于连接呼吸仪器；系统运行通过计算机程序控制，能自动设置呼吸参数，动态模拟人体呼吸状态（呼吸频率和呼吸量），实时采样各种防护性能参数（如吸气中氧气浓度、二氧化碳浓度、呼吸阻力等动态曲线），并实现数据的采集、处理和保存。若性能参数超出标准规定，系统程序停止运行。

运行时，二氧化碳气体通过流量计、缓冲袋进入加温增湿器与呼出空气混合后进入呼吸仪器气囊，混合气前处设置二氧化碳传感器，随时采样呼气系统二氧化碳浓度，当浓度降低时，自动补偿；吸气处设置采样泵，以一定的流量（耗气量）通过二氧化碳分析仪和氧气分析仪，测试吸气状态中二氧化碳和氧气浓度；计算机主要测量呼气温度、吸气温度、呼气阻力、吸气二氧化碳浓度、呼气二氧化碳和氧气浓度等［3］，由分析软件自动生成各参数曲线，可分析出呼吸仪器的防护性能，判断呼吸仪器性能是否符合标准要求。

2 测试装置主要部件设计

图1为呼吸器综合性能测试原理方框图。其中，实线为电信号，虚线为气体走向。

呼吸仪器综合性能测试装置是一种在模拟人体代谢和不同呼吸状态下，测定呼吸器的防护时间、呼吸阻力、吸气温度、呼气温度、氧气浓度和CO2浓度等防护性能的装置，它主要由箱体、仿人工呼吸机、口具连接器、压力变送器、红外线二氧化碳分析仪、热磁式氧气分析仪、鼓泡式加温增湿器、冷却器、转子流量计、湿式气体流量计、温度计、自动控制系统（电磁截止阀、头模、采样泵和计算机控制系统、打印机等）等组成，其中仿人工呼吸器（模拟人体呼吸频率和呼吸量）和自动控制系统（控制系统同步性、采样数据）的设计尤为关键。

2.1 仿人工呼吸器

仿人工呼吸器是实施机械通气的工具，用于呼吸仪器综合性能测试的装置应满足下列要求：①实现换气量和呼吸频率的无级调节；②最大换气量为100 L／min；③呼吸频率为10次／min～40次／min，可调。

根据上述要求，呼吸器综合性能测试装置选择电动电控型仿人工呼吸器，其主要由供气、驱动装置和控制部分组成。

图1 呼吸器综合性能测试原理方框图

供气装置采用弹性好的橡胶泵式气囊，更换容易、成本低、无泄漏；驱动装置采用非线性驱动装置，通过电动马达驱使轮盘旋转，带动连杆运动而推动活塞［3］，仿人工呼吸器结构见图2。当泵囊为压缩形态时，仿人工呼吸器处于呼气状态；当泵囊为伸展形态时，仿人工呼吸器处于吸气状态，通过设置电动马达运动转数，可使泵式气囊反复伸缩的频率与人体呼吸频率一致，从而实现了仿人工呼吸器模拟人体呼气、吸气状态的功能。

图2 仿人工呼吸器结构图

2.2 自动控制系统

自动控制系统是呼吸机的核心部分，笔者研究的仿人工呼吸机采用微处理机控制，此方式的控制精度高，呼吸频率误差低，可实现各种通气方式，控制系统原理见图3。

图3 控制系统原理图

自动控制系统实现二氧化碳进入量控制、加温增湿器温度控制、呼吸通道的电磁阀组与呼吸机完全同步控制，并实时监测显示整个测试过程中吸气阻力、呼气浓度阻力、氧气、呼气二氧化碳浓度、吸气二氧化碳浓度、吸气温度、呼气温度等参数的变化情况和有效的防护时间。

2.3 其他设备

箱体、口具连接器、鼓泡式加温增湿器、冷却器依据相关标准［4］设计，压力变送器、红外线二氧化碳分析仪、热磁式氧气分析仪、转子流量计、湿式气体流量计、温度传感器等设备外购。

最终设计的呼吸仪器综合性能测试装置见图4。

图4 呼吸仪器综合性能测试装置外形图

3 应用情况

对Biopak240R正压氧气呼吸器（编号Ⅰ，Ⅱ）防护性能（按照30 L／min呼吸量）进行240 min测试，呼吸面罩安装于头模上，开启气瓶及测试装置，得到吸气CO2浓度、O2浓度、呼气阻力和吸气温度曲线，如图5～图8所示。

图5 吸气CO2浓度（体积分数）变化曲线

由图5～图8可知，呼吸仪器综合性能测试装置分别测试出了Biopak240R正压氧气呼吸器在240 min内CO2浓度变化、O2浓度变化、吸气温度和呼吸阻力；CO2浓度在240 min内不超过0.8%，经过30 min后O2浓度稳定在96%，吸气温度最高仅为33℃，呼气阻力在460 Pa左右，符合该进口正压氧气呼吸器防护性能，测试结果准确。

图6 氧气浓度（体积分数）变化曲线

图7 吸气温度变化曲线

4 结论

呼吸仪器综合性能测试装置能够全面测试氧气呼吸器、自救器等呼吸仪器的防护性能，有利于个体呼吸保护产品的性能改进与结构优化，提高了矿山安全救护能力。

图8 呼气阻力变化曲线

［1］ 佘启元.个体防护装备技术与测试方法［M］.广州：华南理工大学出版社，2006.

［2］ 万育红，贾春玉，唐述明.我国正压氧气呼吸器现状及发展分析［J］.矿业安全与环保，2009，36（3）：63－65.

［3］ 朱蕾，钮善福.机械通气［M］.上海：上海科学技术出版社，2001.

［4］ 煤炭科学研究总院抚顺分院.MT867－2000隔绝式正压氧气呼吸器［S］.北京：中国煤炭工业出版社，2001：1－8.