高压舱快速加减压系统设计

陈 杰，方以群，张 剑，袁恒荣

0 引言

随着潜水和航空技术的发展，加压系统和减压系统变得日益重要。高压舱系统可以模拟潜水员在水下几百米的气压状态，减压系统可以模拟航空航天人员在海拔几万米高度训练的气压状态[1-2]。在医学研究领域也需要应用加压系统和减压系统，如将动物放置在其中的高压舱室或低压舱室中，可以观测其在高压或低压条件下的生理参数变化。通过对上述生理参数变化的研究，可以更好地了解、救治和保护处于极端条件下的人类或其他动物。在实际的生产实践中，设计快速、安全、可靠的加减压系统，有利于人类更好地展开科学研究。

1 总体设计概述

高压舱一般包括加压和减压2部分控制系统[3]。如图1所示，常规的加压系统包括加压舱和调压舱。其中，加压舱通过调压舱（包括压力传感器和参数测量装置）的加压阀向调压舱中输入气体以加大调压舱中的压力[4]。加压舱的压力远远大于调压舱需要达到的压力值。调压舱中的参数测量装置可以与实验动物相连，以获取不同压力条件下实验动物的生理参数信息。压力传感器用于获取调压舱的实时压力值。在对调压舱进行压力调节时，工作人员通过压力传感器获取调压舱当前的压力，根据当前压力与目标压力的差值，人为调节加压阀的开启度，以使调压舱的压力增加到目标压力。

图1 常规的加减压系统

常规的减压系统的设计与加压系统类似，即把加压舱替换成减压舱。为了更符合实际情况，需要使调压舱中的压力在较短的时间加压或减压到目标压力。但是通过人为调节则不能满足时间要求，且调节不准确，容易存在很大的偏差，最终影响实验结果。在其他压力调节系统中，也存在相同的问题。

本文设计的加压系统、减压系统和加/减压系统，可以实现高压舱的快速加减压，都是通过压力传感器获取调压舱的实际压力，通过输入装置输入调压舱的目标压力及对应的时间，进而由控制器根据调压舱的目标压力和实际压力，调节加压阀或减压阀的开启度，从而使得调压舱的实际压力在对应的时间内达到目标压力。通过选择性能优越的控制器和压力传感器，就可以保证压力控制的高速性、准确性和安全性[5]。

系统中包括各种检测装置如温度传感器、湿度传感器、生理参数测量器、氧气浓度传感器或二氧化碳传感器[6]，从而可以进一步在对调压舱进行压力调节的过程中，获取调压舱中温度、湿度、动物的生理参数、氧气体积分数或二氧化碳体积分数的信息[7]。

2 加压系统设计

2.1 快速加压系统

快速加压系统如图2所示，其部件包括：（1）调压舱：设置有一个或多个加压阀；（2）一个或多个加压舱：通过对应的加压阀向调压舱中输入气体以增大调压舱的压力；（3）检测装置：至少包括设置在调压舱中的压力传感器，用于获取调压舱的实际压力；（4）输入装置：用于输入调压舱的目标压力及对应的时间；（5）控制器：连接检测装置、输入装置和加压阀，根据调压舱的目标压力和实际压力，调节所述加压阀的开启度，使调压舱的实际压力在对应的时间内达到目标压力。

图2 快速加压系统示意图

加压系统通过压力传感器获取调压舱的实际压力，通过输入装置输入调压舱的目标压力及对应的时间，进而由控制器根据调压舱的目标压力和实际压力调节加压阀的开启度，从而使得调压舱的实际压力在对应的时间内达到目标压力，保证了加压的高速性、准确性和安全性。

调压舱是待调节压力的舱室。实验中将实验动物放在调压舱中，以此模拟实验动物潜入深水中的压力情况。具体来说，大气的压力为一个标准大气压（即0.101 33MPa），每下潜10m就需要增加一个标准大气压。本设计中加压系统包括3个加压舱，分别为第一加压舱、第二加压舱和第三加压舱。相应的，调压舱包括3个加压阀，分别为第一加压阀、第二加压阀和第三加压阀。3个加压舱分别通过对应的加压阀向调压舱中输入气体以增大调压舱的压力。

每个加压舱的压力远远大于调压舱的目标压力，如第一加压舱的压力可以为300MPa，调压舱的目标压力为1.5MPa。为了简单起见，由于加压舱向调压舱供气后变化的压力与加压舱的原压力相比可以忽略不计，因此，可以假定各个加压舱中的压力恒定。

每个加压舱中的气体可以为空气、氧气、氮气、惰性气体、二氧化碳中的一种或任意组合。每个加压舱中的气体可以相同，也可以不同，从而可以进行不同气体含量情况下的相关实验。在加压舱通过加压阀向调压舱输入气体的过程中，加压阀的开启度越大，加压舱向调压舱中输入的气体越多，调压舱的压力上升越快。各个加压阀的开启度可以相同，也可以不同。

由于本设计中包括多个加压舱，相比于只有一个加压舱的情况，可以更快速地实现加压过程。为了实现更精确的控制，本设计中的3个加压阀可以分别为DN20、DN32和DN40，从而可以实现不同速率、不同组合方案的加压。需要说明的是，在保持加压舱的数量和加压阀的数量相同的前提下，加压舱或加压阀的数量还可以为1个、2个或4个以上。

2.2 检测装置

本文设计的检测装置还可以包括以下器件中的一种或多种（如图3所示）。

图3 各类检测装置示意图

（1）设置在调压舱中的温度传感器，用于获取调压舱的温度信息；（2）设置在调压舱中的湿度传感器，用于获取调压舱的湿度信息；（3）设置在调压舱中的生理参数测量器，用于获取调压舱中动物的生理参数信息；（4）设置在调压舱中的氧气浓度传感器，用于获取调压舱中氧气的体积分数信息；（5）设置在调压舱中的二氧化碳浓度传感器，用于获取调压舱中二氧化碳的体积分数信息；（6）设置在加压舱中的压力传感器，用于获取加压舱的压力信息；（7）设置在加压舱中的温度传感器，用于获取加压舱的温度信息。

压力传感器可以采用霍尼韦尔高压压力传感器，其内部具有自动温度补偿校正，且反应速度较快、安全性较高。温度传感器和湿度传感器可以集成为一体，具体可以采用瑞士盛世瑞恩HT1系列数字温湿度变送器，从而可以数字量输出温度及湿度信号，检测精度高、反应速度快。生理参数测量器可以是现有技术中任意一种生理参数监测仪器，用于测量调压舱内实验动物的心电、血压、脉搏率、血氧饱和度、呼吸速率、体温等生理参数。

2.3 控制部分

检测装置在获取上述测量信息后发送给控制器。

输入装置用于获取调压舱的目标压力及对应的时间关系，如调压舱中的压力随时间呈直线增长或呈指数增长等。调压舱中的压力还可以保持不变一段时间，如调压舱升压一段时间后，静止一段时间，然后继续升压、保持等步骤。

当调压舱中的压力随时间呈直线增长时，满足以下关系式：

其中，P0是调压舱加压前的压力，Pt是加压t时刻之后调压舱的压力，t为加压时间，K为加压的速率比值，即加压直线的速率常数。

当调压舱中的压力随时间呈指数增长时，满足以下关系式：

其中，P0是调压舱加压前的压力，Pt是加压t时刻之后调压舱的压力，t为加压时间，T为压力翻倍要求的时间常数，可以取4～30 s。

由于动物的生理曲线符合指数曲线，因此，本文选用指数增长模式，调压舱的压力可以与时间呈任意关系。

输入装置可以为键盘、鼠标、语音输入装置或触摸输入装置等。控制器可以选用工业级监控便携式计算机，从而可以方便、准确地实现对加压阀开启度的控制。控制器从输入装置获取调压舱的目标压力，从压力传感器获取调压舱的实际压力，根据所述目标压力和实际压力计算加压阀需要调压的开启度，进而调节所述加压阀的开启度，以使调压舱的实际压力在对应的时间内达到目标压力。

可以在控制器中采用高级语言编写与检测相关的程序以提高运行速度，且在控制器中采用汇编语言编写与计算控制相关的程序以确保控制的准确性和安全性。

参考图2所示，本文设计的加压系统可以包括以下装置中的一种或任意组合：（1）输出装置：连接控制器，用于至少输出加压过程中加压阀的开启度、调压舱的目标压力、调压舱的实际压力；（2）存储装置：连接控制器，用于至少对加压过程中加压阀的开启度、调压舱的目标压力、调压舱的实际压力进行存储；（3）报警装置：连接控制器，用于至少当加压阀的开启度或调压舱的实际压力大于阈值时，发出语音、灯光或文字警报。

由于控制器通过检测装置还可以获取调压舱的温度信息、湿度信息、实验动物的生理参数信息、氧气体积分数信息、二氧化碳体积分数信息、加压舱的压力信息和温度信息，因此，输出装置也可以将上述信息中的一种或任意多种一并输出。输出装置可以为语音输出装置、打印输出装置或显示输出装置中的一种或任意组合。存储装置可以为任意存储器，如U盘、闪存或硬盘等。存储装置在存储调压舱压力信息的同时，还可以存储调压舱的温度信息、湿度信息、实验动物的生理参数信息、氧气体积分数信息、二氧化碳体积分数信息、加压舱的压力信息和温度信息。报警装置可以为语音报警装置、灯光报警装置或显示报警装置等，从而当检测装置获取的任意一种信息不符合正常条件时，都可以发出对应的警报信息，以及时告知工作人员，保证加压的安全性。

3 减压系统设计

减压系统的结构和加压系统类似，包括：（1）调压舱，设置有减压阀；（2）减压舱，通过所述减压阀从调压舱中输出气体以减小调压舱的压力；（3）检测装置，至少包括设置在调压舱中的压力传感器，用于获取调压舱的实际压力；（4）输入装置，用于输入调压舱的目标压力及对应的时间；（5）控制器，连接检测装置、输入装置和减压阀，根据调压舱的目标压力和实际压力，调节所述减压阀的开启度，使调压舱的实际压力在对应的时间内达到目标压力。

本设计中的减压系统通过压力传感器获取调压舱的实际压力，通过输入装置输入调压舱的目标压力及对应的时间，进而控制器根据调压舱的目标压力和实际压力调节减压阀的开启度，从而使得调压舱的实际压力在对应的时间内达到目标压力，保证减压的高速性、准确性和安全性。

如图4所示，减压系统包括2个减压舱，分别为第一减压舱和第二减压舱。相应的，调压舱包括2个减压阀，分别为第一减压阀和第二减压阀。第一减压舱通过第一减压阀将调压舱中的气体输出以降低调压舱的压力，第二减压舱通过第二减压阀从调压舱中输出气体以降低调压舱的压力。

每个减压舱的压力远远小于调压舱的目标压力，如调压舱的目标压力为1.5MPa，第一减压舱的压力可以为0.1MPa。在减压舱通过减压阀从调压舱中输出气体的过程中，减压阀的开启度越大，调压舱向减压舱输出的气体越多，调压舱的压力下降越快。各个减压阀的开启度可以相同，也可以不同。所述减压舱可以为大气系统，以进一步降低减压系统的复杂度和成本。

图4 快速减压系统示意图

将快速加压和减压装置整合为一体，即可设计为快速加减压系统，如图5所示。

图5 快速加减压系统示意图

4 实验及分析

实验采用直径1.00m、长2.00m的动物加压舱进行，选择 10、60、100、150m 4 个深度加压方案[8]进行验证，增压速率按Pt=P0·2t/T公式进行，平衡时间不大于 4 s，T 值分别选用 20、20、12、7[9]，压力平衡后采用匀速减压速率3～3.5m/s。实验结果显示，各方案的加压方案实际完成度很好，曲线符合度高，加减压过程平稳，无震荡、超调现象，如图6所示。

通过实验中各不同深度增压值下实际加压时间与预案加压时间误差率（见表1）的数据实验结果分析，误差均小于3%，可见快速加减压系统可以快速、准确地进行加减压控制。

图6 150m实际加压时间曲线与预案加压时间曲线对比图

表1 不同深度增压值下实际加压时间与预案加压时间误差率

5 结论

本研究设计的高压舱快速加减压系统适用于多种高低压舱的快速加减压控制，可通过不同的模块组合，实现不同环境条件下多种气体的压力控制。该系统可广泛应用于医疗、科研、工业等多个领域，通过高性能的自动系统和多气源方式控制加减压，使调压舱中的压力在更精确的时间加压或减压到目标压力，调压过程更符合实际情况需要，增加了高压舱的操控性，可提高工业生产效率和医疗安全性及科学研究的准确性。

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