智能氧气呼吸器的设计及试验研究

余秀清

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

应急救援工作是煤矿安全生产的最后一道防线，氧气呼吸器是救援人员必配的个人呼吸防护装备[1-4]。煤矿事故发生后，救援队员必须佩戴氧气呼吸器才能到井下执行救援工作，氧气呼吸器各项性能指标运行状况是否正常，直接关系到救援队员生命安全和救灾效率[5-8]。目前，传统氧气呼吸器以机械报警为主[9]，技术落后，智能化水平低，主要存在以下问题：①战前检查项目少，仅检查呼、吸气阀逆向气密性、面罩与人脸贴合密封性，无法保证氧气呼吸器关键部件性能完好性[10]；②高压微泄漏和低压泄漏不易被察觉，影响使用时间；③应急救援人员的身体运动状态未被监测；④所处环境温度未被监控[11-12]；⑤无数据存储，无法追踪和溯源氧气呼吸器使用情况；⑥面罩传声膜片传音效果差，沟通不畅。

传统氧气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，整体技术水平落后于当前矿井信息化、智能化技术发展步伐。因此，急需提升氧气呼吸器的智能化水平，实现开机自检、智能检测与警报、无线语音通讯互联互通等功能，使之更能适应煤矿安全和公共安全的救援需要。

1 总体方案

智能氧气呼吸器主要由呼吸器主体(机械主机)、智能主机、显示终端、语音部件组成，如图1所示。整体设计技术方案如图2所示。

图1 智能氧气呼吸器系统组成

图2 智能氧气呼吸器整体设计技术方案

通过在智能氧气呼吸器主体上集成信息采集与无线通信系统，实现呼吸器指标参数、人体体征参数、救援环境参数的实时监测；对所采集到的信息进行智能分析，实现智能检测与警报；通过短距离无线射频通信技术，实现队员间的语音交互。

2 智能氧气呼吸器主要系统设计

2.1 主要系统功能设计

1)开机自检：开机时检测电池电量，以文字或符号显示；

2)气源压力显示：连续检测呼吸器氧气瓶压力并显示，精确到±1%，图形与数字同时显示；

3)高压气密性检测[13]:在气源压力为20～18 MPa 时，检测呼吸器高压气密性；

4)欠压检测：在气囊内压力低于50 Pa时，报警装置发出报警提示；

5)吸气温度显示：实时检测吸气温度并于手持端显示，温度检测范围为0～99 ℃，精度为±0.5 ℃；

6)未装冰提示：打开氧气瓶5 min检测是否装冰；

7)开关机报警：在打开氧气瓶或关闭氧气瓶时，报警装置发出提示报警声响，报警声响时间15 s，声级强度大于70 dB；

8)余压报警：当氧气瓶压力下降到4～6 MPa时，报警装置发出报警声响提示，报警声响时间 30～60 s，声级强度不低于70 dB；

9)身体姿态状态报警：当救护队员静止30 s以上时，自动开启报警声提示，10 s后如检测到救护队员运动，报警声停止；该报警声提示也可以手动开启，报警声级强度不低于70 dB；

10)使用时间、剩余时间：以文字显示呼吸器使用时间及剩余使用时间，min；

11)电池欠压报警显示：以图形或文字显示，以及声音提示电压低，需更换电池；

我实在听不下去，但又没有勇气站起来反对，因为他们有的是父亲或同辈在社会上有头有脸的人，把关系闹僵不好办。

12)电池电量显示：以图形或文字显示剩余电量百分比；

13)本地互联：队员间的无线语音交互[14]；

14)环境参数检测及显示：温度检测范围为 -10～+60 ℃；

15)其他：所有报警均有三重报警效果(声、光、显示)；手持终端设背光控制按键；自动熄灭背光功能。

2.2 智能主机设计

主机作为中心信息处理部件，实现信息检测与无线数据检测等功能。主机主板通过连接压力传感器、温度传感器、姿态动作传感器采集数据；连接耳机、拾音器、无线模块实现无线语音通讯。BLE实现主机与显示终端超低功耗无线短距离数据交互[15]。配备大容量数据存储器，本地存数数据。智能主机构架设计如图3所示。

图3 智能氧气呼吸器主机构架

2.3 显示终端设计

处理器连接按钮与语音喇叭实现手动报警、开关机、应用功能切换与人机交互操作；连接加速度传感器、多个彩色LED、高分贝蜂鸣器，实现声、光、体感报警；连接背光可调电子墨水实现信息实时显示。EEPROM实现数据本地存储。BLE实现终端与主机超低功耗无线短距离数据交互。终端屏幕显示气瓶压力、剩余可使用时间，环形图形化显示气瓶压力，辅以动态效果。显示终端构架设计如图4所示。

图4 显示终端构架

2.4 无线语音通讯设计

图5 语音部件与面罩集成方案

2.5 呼吸器机械主机结构优化设计

为实现传统氧气呼吸器的智能化，需研究呼吸器智能化改造对整机性能指标的影响，并对传统氧气呼吸器相应结构进行优化，增加高压传感器、低压传感器等。智能氧气呼吸器主机内部结构布置设计如图6所示。

A—高压传感器；B—声音报警器；C—智能主机；D—低压传感器；E—温度传感器；F—天线；G—温度传感器(2个)。图6 智能氧气呼吸器内部结构布置

3 试验验证

3.1 防护性能试验

智能氧气呼吸器在真人佩戴之前，应按照呼吸器行业标准[17]要求进行防护性能验证，各项指标要求：防护时间不小于240 min，吸气中最低φ(O2)≥21%，最大φ(CO2) ≤1%，最高吸气温度小于等于 35 ℃，呼气阻力小于等于600 Pa，吸气阻力为0～600 Pa。防护性能试验结果见表1。

表1 智能氧气呼吸器防护性能试验结果

由表1可知，在智能氧气呼吸器防护时间达到 240 min时，气瓶剩余压力为6.1 MPa，防护时间大于标准要求240 min，吸气中最低φ(O2)为34%(表中21.2%为初始大气中φ(O2))，吸气中最高φ(CO2)为0.3%，吸气中最高温度为33.4 ℃，最大呼气阻力为450 Pa，吸气阻力为220 Pa，各项指标均符合标准要求。

3.2 语音通讯试验

为了验证语音通讯距离和音效，在清水溪地下爆炸试验巷道进行了语音通讯试验，试验巷道形状如图7所示。

图7 清水溪地下爆炸试验巷道布局示意图

通过试验得出，直道6人双通，可视语音通讯距离约为150 m，斜道转弯时约为45 m，语音清晰，满足矿井救护小队指挥与联络通讯要求。

3.3 真人佩戴性能试验

为验证中等劳动强度下，智能氧气呼吸器佩戴性能和智能检测各项功能，在国家矿山救援芙蓉基地先按照氧气呼吸器佩戴试验方法进行了2 h真人佩戴试验[18-19],然后进行2 h登山高强度试验，如 图8 所示。

图8 真人佩戴性能试验

通过4 h的佩戴试验，氧气瓶压力还剩余约 4.5 MPa，防护时间满足要求；氧气呼吸器机械主机各项功能运行正常；智能主机和显示终端智能检测功能齐全，运行顺畅、无故障；地面语音通讯距离约为100 m，语音较清晰，沟通顺畅。

4 结论

通过试验测试，得出该智能氧气呼吸器在防护时间内，各项防护性能满足MT 867—2000《隔绝式正压氧气呼吸器》行业标准要求，智能检测各项功能满足设计要求，提高了国产氧气呼吸器智能化水平，语音通讯各项功能满足实际指挥与联络通讯要求。