СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ИЗОЛИРУЮЩЕГО ПРОТИВОГАЗА С ХИМИЧЕСКИ СВЯЗАННЫМ КИСЛОРОДОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MONITORING THE RESIDUAL OPERATING LIFE OF AN INSULATING GAS MASK WITH CHEMICALLY BONDED OXYGEN AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к измерительной технике, предназначенной для использования в средствах индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) с химически связанным кислородом.
Уровень техники
В состав всех изолирующих СИЗОД (известных также под названиями: изолирующий противогаз, автономный дыхательный аппарат, респиратор и самоспасатель) с химически связанным кислородом входят: регенеративный патрон с источником запаса кислорода в виде регенеративного продукта (химического вещества), дыхательный мешок для компенсации колебаний дыхательной смеси при подаче или потреблении, дыхательный шланг (трубка) и лицевая часть, исполнение которой может быть различным: маска, полумаска, капюшон, загубник и др.
В регенеративном патроне происходит регенерация газовоздушной дыхательной смеси (сокращенно - ГДС) за счет поглощения химическим веществом из выдыхаемой ГДС диоксида углерода и паров воды и выделения в нее кислорода. Скорость расходования химического вещества в регенеративном патроне зависит от многих факторов, что вызывает трудности точного определения остаточного ресурса защитного действия изолирующего средства.
Известен способ контроля отработки регенеративного патрона, заключающийся в установке крыльчатки газового счетчика в трубке, приклеенной к дыхательному мешку в месте монтажа клапана избыточного давления, и измерении выделенной газовоздушной смеси (расхода) до момента достижения установленных предельных значений (см. патент RU 2757981, МПК: А62В 7/08, опубл. 25.10.2021).
Известный способ основан на том, что набегающий поток воздуха, стравливаемой через клапан избыточного давления газовоздушной смеси, вращает крыльчатку, угловая скорость которой пропорциональна скорости потока, а значит -расходу. Подсчитывая число оборотов крыльчатки, вычисляют объемный расход проходящей через крыльчатку дыхательной смеси, который регистрируют нарастающим итогом и сравнивают с предельной номинальной величиной объема, рассчитанной, исходя из массы химического вещества регенеративного патрона. По достижении расходом предельной величины, прибор издает звуковой, световой или другой сигнал. При этом предполагается, что объемная скорость газовоздушной смеси через клапан избыточного давления будет изменяться в соответствии с интенсивностью процесса регенерации выдыхаемого воздуха и интенсивностью дыхания.
Подобный способ контроля ресурса регенеративного патрона используется в устройствах по патентам SU 1789231, опубл. 23.01.93 и SU 193932, опубл. 13.03.67.
К недостаткам этого способа следует отнести невысокую точность показаний остаточного ресурса, обусловленную тем, что при низких нагрузках и низкой интенсивности дыхания зачастую не образуется избыточного давления, необходимого для срабатывания клапана, а значит, прибор не фиксирует расхода. Кроме того, этот способ не учитывает зависимость объемного расхода от температуры дыхательной смеси и потери в пути движения дыхательной смеси.
Известен способ оценки остаточного ресурса работы СИЗОД с химически связанным кислородом, реализуемый устройством по патенту RU 180899 U1, опубликованном 19.06.2018, МПК: А62В 7/08. Способ включает размещение расходомера в магистрали дыхания между теплообменником и патроном, измерение расхода дыхательной смеси, вычисление остаточного ресурса работы СИЗОД и его визуализацию на дисплее прибора.
Существенным недостатком такого способа является использование в качестве расходомера датчика дифференциального давления, что не позволяет обеспечить высокую точность показаний в широком диапазоне интенсивности использования дыхательного аппарата.
Как правило, все известные датчики давления «настроены» на узкий диапазон измерений: либо на восприятие больших перепадов давления, либо на работу в условиях малых скачков давления. Настроить датчик давления для измерений с высокой точностью в широком диапазоне практически невозможно.
Зачастую эту проблему решают тем, что в расчетах используют фиксированную величину расхода при низкой интенсивности использования, например, взятую из нормативных документов. Однако это ведет к неточности получаемых результатов.
Кроме того, датчики давления чувствительны к температуре и влажности, что ведет к росту погрешности измерений, а также создают сопротивление дыханию, вследствие использования элементов сужения потока, что повышает нагрузку на пользователя аппарата и способствует увеличению расхода ГДС. В некоторых случаях для снижения последствий сопротивления в канал дыхания устанавливают нагнетатель, однако это усложняет конструкцию дыхательного аппарата и увеличивает его вес, что также повышает нагрузку на человека.
В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого способа контроля остаточного ресурса изолирующего противогаза принят способ, реализуемый посредством устройства контроля, входящего в состав респиратора с химически связанным кислородом, патент на изобретение RU 2001645, МПК: А62В 7/08, опубл. 24.12.1991. Как и предлагаемый, известный способ реализуется с использованием крыльчатки, размещенной на пути потока дыхательной смеси, и включает непрерывный подсчет числа оборотов крыльчатки и вычисление объемного расхода дыхательной смеси, прошедшей через крыльчатку, вычисление остаточного ресурса путем сравнения величины объемного расхода дыхательной смеси с номинальным предельным значением объема, рассчитанным исходя из массы химического вещества в регенеративном патроне, и индикацию остаточного ресурса,
Однако в известном способе не учитывается тот факт, что расходомер с крыльчаткой относится к объемным расходомерам и его показания существенно зависят от температуры дыхательной смеси, контроль которой в известном способе не осуществляется, что ведет к погрешности показаний. Кроме того, размещение крыльчатки на выходе клапана избыточного давления ведет к погрешности измерений при легких нагрузках и низкой интенсивности дыхания.
Известен прибор оценки остаточного ресурса работы СИЗОД с химически связанным кислородом, содержащий сужающее устройство, встроенное в магистраль дыхания, датчик дифференциального давления для измерения перепада давления в сужающем устройстве, выносной блок с элементом питания, микроконтроллером для считывания и обработки данных, поступающих с датчика дифференциального давления, и дисплей для отображения информации об остаточном ресурсе работы СИЗОД (патент RU 180599 U1, МПК: А62В 7/08, опубл. 19.06.2018).
Существенным недостатком известного прибора является то, что он не позволяет с высокой точностью определить истощение ресурса в условиях широкого диапазона интенсивности использования СИЗОД, что обусловлено использованием датчика давления. При этом, как отмечалось выше, датчики давления включают элементы сужения потока, создающие сопротивление дыханию, что повышает нагрузку на пользователя и способствует повышенному расходу ГДС. Кроме того, датчики давления содержат полупроводниковые элементы, чувствительные к температуре и влаге, попадание которой не исключено при дыхании и может привести к снижению чувствительности датчика и увеличению погрешности измерений.
В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого устройства контроля остаточного ресурса изолирующего противогаза с химически связанным кислородом, по наличию сходных конструктивных признаков, принято устройство, использованное для контроля остаточного ресурса в респираторе с химически связанным кислородом, см. патент на изобретение RU 2001645, МПК: А62В 7/08, опубл. 24.12.1991 г.
Известное устройство контроля, как и заявляемое, содержит крыльчатку, измерительную схему, блок обработки результатов измерений, осуществляющий вычисление объемного расхода дыхательной смеси и определение остаточного ресурса, связанный с ним блок индикации остаточного ресурса, а также источник питания, без которого невозможна работа устройства.
В ближайшем аналоге крыльчатка установлена на выходе клапана избыточного давления, что является причиной низкой чувствительности известного устройства при невысоких нагрузках, и как следствие - низкой точности показаний остаточного ресурса.
Решаемой изобретением проблемой является разработка способа контроля остаточного ресурса (времени защитного действия) изолирующего противогаза с химически связанным кислородом, обеспечивающего высокую точность показаний в условиях изменения интенсивности дыхания в широком диапазоне, а также создание простого и компактного устройства, обеспечивающего реализацию этого способа.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является повышение точности определения остаточного ресурса изолирующего противогаза в условиях широкого диапазона изменения интенсивности дыхания.
При этом обеспечена компактность устройства, удобство и простота его установки в СИЗОД различных конструкций.
Раскрытие сущности изобретения
Решение вышеупомянутой технической проблемы достигается благодаря тому, что в предлагаемом способе контроля остаточного ресурса изолирующего противогаза с химически связанным кислородом, реализуемом с использованием крыльчатки, размещенной на пути потока дыхательной смеси, включающем непрерывный подсчет числа оборотов крыльчатки и вычисление объемного расхода дыхательной смеси, прошедшей через крыльчатку, вычисление остаточного ресурса путем сравнения величины объемного расхода дыхательной смеси с номинальным предельным значением объема, рассчитанным исходя из массы химического вещества в регенеративном патроне противогаза, и индикацию остаточного ресурса, согласно заявляемому изобретению, крыльчатку размещают в дыхательной линии между дыхательным шлангом и лицевой частью противогаза и осуществляют измерение температуры дыхательной смеси при ее проходе через крыльчатку, вычисление объемного расхода дыхательной смеси выполняют с учетом измеренной температуры, при этом из расчетов исключают обороты крыльчатки, совершенные по инерции при смене направления движения дыхательной смеси, предварительно вычислениям остаточного ресурса определяют интенсивность дыхания, а вычисление величины остаточного ресурса осуществляют с учетом нелинейной зависимости расхода от интенсивности дыхания.
Решение упомянутой технической проблемы достигается и в предлагаемом устройстве контроля остаточного ресурса изолирующего противогаза с химически связанным кислородом, содержащем источник питания, крыльчатку, измерительную схему, блок обработки результатов измерений, осуществляющий вычисление объемного расхода дыхательной смеси и вычисление остаточного ресурса, и связанный с ним блок индикации остаточного ресурса. Согласно заявляемому изобретению, устройство снабжено термистором, размещенным вместе с крыльчаткой в дыхательной линии между дыхательным шлангом и лицевой частью противогаза, измерительная схема включает датчики, преобразующие обороты крыльчатки и температуру дыхательной смеси в электрические сигналы, подаваемые на блок обработки результатов измерений, который выполнен в виде программируемого логического контроллера, реализующего алгоритм измерений оборотов крыльчатки и температуры дыхательной смеси и осуществляющего вычисление объемного расхода дыхательной смеси с учетом измеренной температуры, инерции крыльчатки при смене направления движения дыхательной смеси и интенсивности дыхания, при этом источник питания подключен к контроллеру и измерительной схеме через блок активации.
Поясним использованные в описании термины и сокращения.
ГДС - газовоздушная (газовая) дыхательная смесь, она же дыхательная смесь, смесь газов и паров воды, используемая для дыхания.
Номинал или номинальное значение - предельно допустимое, как правило, расчетное значение параметра. В предлагаемом решении - это максимальный объем газовоздушной дыхательной смеси, который можно получить из химического вещества, помещенного в регенеративный патрон изолирующего противогаза.
Объемный расход - объем вещества, проходящего через данное сечение трубопровода в единицу времени.
Термистор (он же терморезистор) - полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает или возрастает с ростом температуры.
Одним существенным отличием предлагаемого технического решения от ближайшего аналога является размещение крыльчатки в дыхательной линии, соединяющей регенеративный патрон с лицевой частью противогаза, непосредственно у лицевой части (маски, загубника и т.д.), что позволяет учесть весь потребляемый для дыхания объем газовоздушной дыхательной смеси.
При этом размещенная в дыхательной линии крыльчатка свободно вращается в подшипниках скольжения, практически не оказывает сопротивления воздушному потоку и не создает дополнительной нагрузки при дыхании. Кроме того, в отличие от датчиков давления, крыльчатка не подвержена влиянию влажности и температуры.
Другим существенным отличием является непрерывный контроль температуры дыхательной смеси, проходящей через крыльчатку, данные измерения которой используют при вычислении расхода, что позволяет учесть существующую зависимость объемного расхода ГДС от температуры.
Вычисление объемного расхода дыхательной смеси выполняют с учетом измеренной температуры, при этом из расчетов исключают обороты крыльчатки, совершенные по инерции при смене направления движения дыхательной смеси, между вдохом и выдохом. Предварительно вычислениям остаточного ресурса определяют интенсивность дыхания, и вычисление величины остаточного ресурса осуществляют с учетом нелинейной зависимости расхода от интенсивности дыхания.
В совокупности все вышеупомянутые отличительные признаки позволяют добиться высокой точности показаний остаточного ресурса изолирующего противогаза, оставшегося времени его защитного действия, вне независимости от интенсивности использования.
Для измерения температуры используют, предпочтительно, малогабаритный термистор, который размещают вблизи крыльчатки в канале дыхания.
Выполнение всех операций способа обеспечено использованием в качестве блока обработки результатов измерений цифрового вычислительного устройства, например, программируемого логического контроллера, реализующего алгоритм измерений и вычислений.
Снятие показаний с датчиков, преобразующих обороты крыльчатки и температуру дыхательной смеси в электрические сигналы, осуществляют с фиксированной частотой, составляющей для крыльчатки не менее трехкратной максимальной частоты дыхания, а для датчика температуры - не менее чем в 10 раз чаще снятия показаний с крыльчатки. При этом в расчетах объемного расхода используют среднюю температуру, определенную за период между снятиями показаний с крыльчатки.
Интенсивность дыхания может быть определена на основании скользящего среднего для нескольких, например, трех-четырех, последних вычисленных значений объемного расхода дыхательной смеси.
Индикацию остаточного ресурса, выраженного в процентном виде, осуществляют, предпочтительно, посредством светодиодной шкалы, состоящей из цветных элементов, каждому из которых соответствует равное процентное количество ресурса. В частности, это может быть линейка светодиодов, состоящая из десяти цветных элементов красного, желтого и зеленого цветов, каждому из которых соответствует 10% ресурса.
Предпочтительно, все составляющие элементы устройства размещены в общем корпусе, выполненном с трубчатой полостью для размещения крыльчатки и термистора, встраиваемой в дыхательную линию между дыхательным шлангом и лицевой частью противогаза. Остальные элементы устройства: источник питания, блок обработки и блок индикации, располагаются снаружи полости. В корпусе может быть предусмотрена возможность размещения теплообменника и присоединения загубника.
Такое устройство отличается высокой компактностью и может быть достаточно легко и просто встроено в дыхательную линию изолирующего противогаза любой конструкции.
Благодаря тому, что источник питания подключен к контроллеру и измерительной схеме через блок активации, исключается вероятность разрядки источника питания в процессе хранения противогаза.
В предпочтительном примере осуществления блок активации содержит геркон и магнит, между которыми размещена металлическая шторка (чека), удаляемая перед началом использования устройства.
В качестве источника питания может быть использован литиевый элемент.
Сущность заявляемого способа поясняется на примере работы устройства контроля остаточного ресурса изолирующего противогаза с химически связанным кислородом (далее - устройство контроля), а также чертежами и другими графическими материалами, на которых изображены:
На фиг. 1 - пример общего вида изолирующего противогаза (самоспасателя) до и после встраивания в его конструкцию предлагаемого устройства контроля;
На фиг. 2 - структурная схема устройства контроля;
На фиг. 3 - возможный пример конструктивного исполнения корпуса устройства, изометрия, продольное сечение;
На фиг. 4 пример исполнения блока чувствительных элементов;
На фиг. 5 - схема преобразования сопротивления термистора в электрический сигнал;
На фиг. 6 - блок активации устройства;
На фиг. 7 упрощенная структура алгоритма работы микроконтроллера;
На фиг. 8 - фрагмент кода алгоритма отсечки инерционного вращения крыльчатки;
На фиг. 9 - пример работы алгоритма отсечки инерционного вращения крыльчатки;
На фиг. 10 - график зависимости ресурса самоспасателя от нагрузки (интенсивности использования), демонстрирующий нелинейность этой зависимости.
Для шахтеров, работа которых ведется в среде с возможной опасной концентрацией газов, разработаны упрощенные изолирующие противогазы уменьшенного веса и с загубником вместо маски, так называемые самоспасатели шахтные (далее самоспасатель). Как и любой другой изолирующий противогаз, самоспасатель (СШ) включает, см. фиг. 1: регенерирующий патрон (а) с запасом химического вещества, дыхательный мешок (b), дыхательный шланг (с) и лицевую часть (d), состоящую в случае самоспасателя из загубника и очков.
Номинальное время работы в таком самоспасателе, рассчитанное для нормальных условий, составляет от 30 до 60 минут в зависимости от модели. В реальных условиях использования время защитного действия самоспасателя может изменяться в значительных пределах. Известно, что диапазон расхода ГДС, в зависимости от интенсивности дыхания рабочего, составляет от 10 л/мин в спокойном режиме до 70 л/мин, когда человек бежит. В связи с этим важным является точное понимание оставшегося времени защитного действия самоспасателя, что необходимо для возможности принятия правильного решения о покидании опасной зоны. Для этих целей в самоспасатель может быть встроено предлагаемое устройство контроля 1 (см. фиг. 1).
На фиг. 2 приведена структурная схема предлагаемого устройства контроля остаточного ресурса изолирующего противогаза. Устройство контроля 1 включает следующие функциональные блоки: размещенный в дыхательной линии L блок 2 чувствительных элементов, предназначенных для измерения параметров потока дыхательной смеси, измерительную схему 3, программируемый логический микроконтроллер 4, реализующий алгоритм измерений и вычислений, блок индикации 5, источник питания 6, например литиевый элемент, и блок активации 7.
Блок 2 состоит из двух чувствительных элементов: крыльчатки 8 для измерения скорости потока и малогабаритного термистора 9 для измерения температуры потока.
Источник питания 6 предназначен для обеспечения электронной схемы электрической энергией с требуемыми параметрами. Между источником питания 6 и микроконтроллером 4 установлен источник опорного напряжения (ИОН) 10 для преобразования исходного напряжения источника 6 в стабилизированное напряжение требуемой величины, что необходимо для корректной работы аналоговой части, используемой для измерения температуры.
Все блоки размещены в общем корпусе 11 (см. фиг. 3), выполненном с внутренней трубчатой полостью 12 для размещения крыльчатки и термистора (блок 2) и окном 13, за которым размещен блок индикации 5. За исключением блока 2, все остальные составляющие элементы устройства контроля размещены с внешней стороны полости 12.
С одной стороны к корпусу 11 подключается дыхательный шланг (с), а с другой стороны - загубник 14, при этом в корпусе предусмотрено место 15 для теплообменника, как правило, размещаемого на входе лицевой части.
Как видно из приведенных примеров, устройство контроля 1 очень компактно и может быть легко и просто встроено в дыхательную линию изолирующих противогазов различных моделей, независимо от их конструктивного исполнения. При этом полость 12 корпуса 11 образует участок дыхательной линии L, по которой перемещается дыхательная смесь.
Пример выполнения блока 2 показан на фиг. 4. Ось крыльчатки 8 установлена на подшипниках скольжения, что обеспечивает минимальные потери на трение и высокую чувствительность даже к малым потокам ГДС. Термистор 9, благодаря своим малым размерам, обеспечивает высокую скорость реакции на изменение температуры. Чувствительные элементы устанавливаются в непосредственной близости друг от друга, чтобы приведение объемного расхода к номинальной температуре выполнялось с максимальной точностью.
Измерительная схема 3 состоит из двух функциональных узлов, обеспечивающих преобразование вращения крыльчатки 8 в электрический сигнал и преобразование сопротивления термистора 9 в электрический сигнал.
Узел преобразования вращения крыльчатки 8 в электрический сигнал может быть выполнен в виде фотоэлектрического датчика, включающего излучающий светодиод и принимающий фотодиод, расположенные друг напротив друга в одной плоскости с осью крыльчатки 8 и параллельно ей. Проходящий через блок 2 поток дыхательной смеси заставляет вращаться крыльчатку 8. При вращении крыльчатки ее лопасти периодически перекрывают луч инфракрасного излучения, создаваемый светодиодом. Фотодиод регистрирует прерывистое излучение и преобразует его в электрический сигнал, частота которого пропорциональна скорости вращения крыльчатки 8. Этот сигнал поступает на вывод микроконтроллера 4 для дальнейшей обработки.
стаб
Узел преобразования сопротивления термистора 9 в электрический сигнал может быть выполнен на базе делителя напряжения R1 и R2 (см. фиг. 5). Делитель подключен к источнику стабилизированного напряжения (+U). В нижнем плече делителя включен термистор R2, с которого снимается электрический сигнал, пропорциональный температуре дыхательной смеси. Полученный сигнал подается на не инвертирующий вход операционного усилителя DA1, включенного по схеме повторителя напряжения. Выходной сигнал операционного усилителя проходит через фильтр низких частот (R4 и С1) и поступает на вывод микроконтроллера 4 для дальнейшей обработки.
Блок индикации 5 в приведенном примере включает десять цветных светодиодов: два красных, три желтых и пять зеленых, расположенных на печатной плате с определенным шагом, так чтобы образовалась визуальная шкала. Каждому светодиоду соответствует 10% ресурса самоспасателя. На шкалу выводится остаточное значение ресурса самоспасателя в процентах.
Устройство работает следующим образом.
При вскрытии самоспасателя и отбрасывании крышки автоматически срабатывает пусковое устройство самоспасателя (на чертежах не показано) и блок активации 7 устройства контроля 1, который подключает источник питания 6 к электронной схеме устройства.
Блок активации 7, предпочтительно, включает геркон 16 и магнит 17, разделенные металлической шторкой 18 (чекой) (см. фиг. 6). Геркон 16 устанавливается на печатную плату 19, а магнит 17 вклеивается в корпус 11 устройства. Между магнитом 17 и герконом 16 в корпусе 11 имеется небольшая полость 20, в которую вкладывается шторка 18, перекрывающая магнитное поле от магнита к геркону.
На протяжении всего времени хранения СШ шторка 18 находится в полости 20, магнитное поле перекрыто, геркон 16 разомкнут.При активации самоспасателя шторка 18 выдергивается из полости 20, магнитное поле магнита 17 воздействует на геркон 16 и его контакты замыкаются, в результате чего питание поступает ко всем элементам схемы.
После подключения питания микроконтроллер 4 производит инициализацию внутренней периферии и связанных с ним блоков - блока индикации 5 и измерительной схемы 3, после чего переходит к выполнению записанной в нем программы.
Основной цикл программы состоит из нескольких подпрограмм, включающих:
- подпрограмму измерения оборотов крыльчатки и напряжения на терморезисторе;
- подпрограмму вычисления объема и температуры ГДС, прошедшей через крыльчатку;
- подпрограмму вычисления остаточного ресурса самоспасателя;
- подпрограмму индикации процентного остатка ресурса на светодиодной шкале.
На фиг. 7 представлена упрощенная структура алгоритма работы программного обеспечения микроконтроллера 4.
i
Измерение оборотов крыльчатки 8 и напряжения на терморезисторе 9 осуществляется, например, следующим образом. Угловая скорость крыльчатки 8 прямо пропорциональна скорости потока ГДС. Обороты крыльчатки 8, преобразованные фотоэлектрическим датчиком в импульсы, подаются на вход микроконтроллера 4. Микроконтроллер каждые 250 мс интегрирует зафиксированные импульсы и записывает полученное значение в переменную n.
i
i
max
Так, как поток ГДС постоянно меняет направление, а крыльчатка 8 обладает инерцией, ее необходимо учитывать, иначе линейность датчика будет утрачена. Для отслеживания инерционного вращения крыльчатки каждое новое значение n сравнивают с переменной, которая хранит максимальное значение импульсов n.
i
i
max
i
i
max
i
i
max
i
i
max
i
i
i
ilast
Если значение n больше n, то значение n присваивается переменной n. В противном случае переменная n сравнивается со значением 0,5 ⋅ n, и когда значение n меньше 0,5 ⋅ n программа считает, что крыльчатка 8 некоторое время вращается по инерции, следовательно, значение n исключается из расчетов. Для того чтобы включить n обратно в расчет, программа сравнивает значение переменной n с предыдущим значением (n), умноженным на 1,33.
i
i
i
i
Если значение в переменной n превышает свое предыдущее значение в 1,33 раза и более, то программа включает переменную n в расчет, в ином случае переменная в расчете не учитывается. На фиг. 8 представлен фрагмент кода, отвечающий за определение инерции крыльчатки. На графике фиг. 9, иллюстрирующем пример работы алгоритма, описанного выше, сплошной линией отображено значение переменной (n), регистрируемое каждые 250 мс, а маркерами в форме окружности 21 выделены выборки переменной (n), которые участвуют в расчете.
Параллельно с измерением оборотов крыльчатки 8 осуществляется измерение напряжения на терморезисторе 9, которое изменяется пропорционально температуре потока ГДС, проходящего через крыльчатку. Измерение напряжения осуществляется на аппаратном уровне внутренним десятиразрядным аналого-цифровым преобразователем (далее - АЦЦ) микроконтроллера 4.
По завершению преобразований подпрограмма, для удобства поддержания встроенного программного обеспечения, переводит единицы АЦП в милливольты по формуле:
Rt
где: U - напряжение на терморезисторе, мВ;
t
ADC - целочисленный результат преобразования, условные единицы;
rвf
U - опорное напряжение аналого-цифрового преобразователя.
После перевода условных единиц в напряжение подпрограмма выставляет флаг, который разрешает вычисление температуры. Вычисление температуры для использованного термистора выполняется по формуле:
ГДС
Rt
где: t° - температура ГДС,°С; U- напряжение на термисторе, мВ.
Полученное значение температуры записывается в массив, который хранит десять последний значений температуры, по которым затем вычисляется ее среднее значение.
Измерение напряжения на терморезисторе 9 осуществляется как минимум, в десять раз чаще измерения числа оборотов крыльчатки 8, и в приведенном примере выполняется каждые 25 мс, что позволяет учесть быстрое изменение температуры пот ока ГДС в широком диапазоне.
i
Измерение оборотов крыльчатки длится 250 мс, за это время осуществляется десять измерений температуры Так, как температура потока ГДС может существенно изменится за период между измерениями оборотов крыльчатки, необходимо знать среднюю температуру пот ока ГДС в момент этого измерения, чтобы правильно привести измеренный объемный раек од к температуре, при которой выполняются вычисления. Вычисление объемного расхода выполняется всегда, когда алгоритм отсечки инерции (фиг. 8 и 9) выставляет флаг xCalculAllowedVol в логическую единицу, который включает в расчет переменную n.
Вычисление объемного расхода дыхательной смеси выполняется с учетом средней температуры ГДС, вычисления осуществляются по формуле:
iГДС
3
где: V - объем ГДС, прошедшей через крыльчатку за одно измерение (250 мс), дм;
i
n - кол-во импульсов крыльчатки за 250 мс;
- коэффициент тарировки, учитывающий то, что дыхательная смесь проходит через крыльчатку на вдохе и выходе, и подбираемый индивидуально для каждой крыльчатки;
- среднее значение температуры ГДС за одно измерение (250 мс),°С.
Вычисление остаточного ресурса защитного действия самоспасателя (изолирующего противогаза) выполняется с учетом интенсивности его использования в период между измерениями.
Номинальное предельное значение объема дыхательной смеси принимается и рассчитывается из условия работы самоспасателя при нагрузке средней тяжести, что согласно нормативным документам (ГОСТу 12.4.292-2015) составляет 60 мин.
Согласно тому же ГОСТу, время работы само спасателя, например, самоспасателя типа ХК, при слабых нагрузках и относительном покое увеличивается относительно номинального в 3 раза, а при тяжелых нагрузках - в 3 раза снижается, из чего следует, что в режиме относительного покоя время работы составит 300% ⋅ 60 мин=180 минут; в режиме средней тяжести: 100% ⋅ 60 мин=60 минут;
и в режиме тяжелой нагрузки: 30% ⋅ 60 мин=18 минут.
Зная время работы и легочную вентиляцию на каждом режиме, можно вычислить, номинальный расчетный ресурс самоспасателя для разных нагрузок.
3
3
Для режима относительного покоя он составит 180 мин ⋅ 10 дм/мин=1800 дм;
3
3
Для режима средней тяжести: 60 мин ⋅ 35 дм/мин=2100 дм;
3
3
Для режима тяжелой нагрузки этот объем составит 18 мин ⋅ 70 дм/мин=1260 дм.
По указанным точкам строится график зависимости ресурса самоспасателя от нагрузки. Эта зависимость нелинейна (см. фиг. 10), что затрудняет определение оставшегося ресурса самоспасателя при смешанном (реальном) дыхании.
Для того чтобы определить остаточный ресурс самоспасателя в любой момент времени, независимо от режима работы, приводят полученное значение объемного расхода к одному уровню с номинальным предельным значением путем умножения на весовой коэффициент, учитывающий нелинейность ресурса самоспасателя в разных режимах.
i
ГДС
sec
ГДС
В программе устройства описанный выше алгоритм реализован следующим образом. Каждые четыре измерения V суммируются, и получается объем Vпрошедший через устройство за 1 секунду (4 измерения через 250 мс).
sec
ГДС
По значению объема V судят об интенсивности дыхания в самоспасателе и используют его для вычисления весового коэффициента, осуществляемого по формуле:
secГДС
3
где R - объем ГДС прошедший через крыльчатку за 1 секунду, дм;
1
4
a… a - коэффициенты полинома;
p
k - весовой коэффициент, учитывающий величину отклонения от линейности ресурса самоспасателя, в зависимости от интенсивности дыхания.
p
sесГДС
С учетом весового коэффициента k измеренный за одну секунду объем V складывается с объемом за все предыдущие измерения.
общ
3
где: V - общий объем ГДС, измеренный за все время работы самоспасателя с учетом весового коэффициента, дм.
Остаточный ресурс вычисляется каждую секунду по формуле:
где:
%
ВЗД - остаток времени защитного действия само спасателя, выраженный в процентах;
общ
3
V - общий объем ГДС, измеренный за все время работы самоспасателя с учетом весовых коэффициентов, дм.
Индикация остаточного ресурса защитного действия самоспасателя осуществляется при помощи светодиодной шкалы, состоящей из дести цветных элементов (светодиодов) 22 красного, желтого и зеленого цветов, каждый из которых соответствует 10% ресурса самоспасателя (блок 5 на фиг. 2). Б момент включения устройства, шкала горит полностью, что соответствует 100% оставшегося ресурса само спасателя. В процессе дыхания светодиоды по очереди гаснут, что говорит о расходовании ресурса само спасателя. Когда весь ресурс самоспасателя будет израсходован, все элементы 22 шкалы погаснут.
Измерение расхода ГДС и вычисление остаточного ресурса повторяются многократно, без пауз, в течение всего времени работы изолирующего противогаза.
Предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность показаний остаточного ресурса изолирующего противогаза в условиях широкого диапазона интенсивности его использования, что было подтверждено испытаниями опытных образцов устройства, проведенными на установках искусственной вентиляции легких.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано в изолирующих противогазах с различными схемами движения дыхательной смеси, при соответствующей корректировке программного обеспечения.