Способ детурбулизации и последующего анализа динамических газовых сред, а также устройство для его реализации, встраиваемое в дыхательную маску
METHOD FOR REDUCING TURBULENCE AND SUBSEQUENT ANALYSIS OF DYNAMIC GAS MEDIA, AS WELL AS A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION, EMBEDDED IN A BREATHING MASK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к системам контроля динамических газовых сред и устройствам неинвазивного контроля состояния объекта (пациента), находящегося под воздействием физических, психологических, стрессовых нагрузок, по составу выдыхаемого им воздуха, как при использовании объектом (пациентом) различных дыхательных смесей, так и без такового; оценки функционального состояния биологических систем объекта (пациента) в течение длительного времени; диагностики, в том числе и при определении степени тяжести состояния для сортировки пострадавших в результате чрезвычайных ситуаций; контроля состояния членов экипажей автономных изолированных систем и пилотируемых аппаратов.
ПРОТОТИПЫ (ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ)
Известен патент RU 2625258 «Способ и устройство для динамического газоанализа, встраиваемое в магистраль выдоха дыхательной маски». Изобретение позволяет анализировать проточные нестационарные газовые смеси в течение длительного времени его использования. Однако оно не учитывает неизбежную турбулизацию и, как следствие, изменение концентрации водяных паров и исследуемых веществ на единицу объема потока выдыхаемого воздуха в течение дыхательного цикла, а также возникновение ошибок измерения в результате такого рода искажений характеристик потока.
Предлагаемое изобретение отличается от изобретения, изложенного в патенте RU 2625258, тем, что возможна комплектация газоанализатора системой для регулировки аэродинамических характеристик потока в виде перфорированных подвижных и неподвижных заслонок.
Известен патент WO 2015/143384 Al. Предлагаемое изобретение позволяет оценивать и регулировать выдыхаемые потоки воздуха для дальнейшего анализа газовой смеси. Однако указанная в патенте система предназначена только лишь для систем газоанализа, реализующих отбор проб. При этом описанное изобретение не способно реализовывать непрерывный анализ динамически изменяющихся и нестационарных газовых потоков.
В отличие от изобретения, указанного в патенте WO 2015/143384 Al, целью предлагаемого изобретения является не только регулировка воздушного потока, но и непрерывные определение и интерпретация изменения состава выдыхаемой газовой смеси в реальном времени в течение длительного периода непосредственно в магистрали выдоха дыхательной маски (воздушной магистрали). Поставленная цель достигается за счет реализации принципов анализа динамических газовых сред (динамического газоанализа) при определении количественного и качественного состава проходящей газовой смеси путем непрерывного анализа спектров поглощения определяемых газов с помощью оптических ячеек на основе подобранных пар излучатель-приемник, дополнительно укомплектованных комплексом датчиков давления и влажности, а также другими газодинамическими устройствами по типу перфорированных заслонок.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагается способ анализа динамических газовых сред для неинвазивного контроля состояния объекта (пациента), осуществляемый методом лазерной абсорбционной спектроскопии, основанный на непрерывном анализе проходящего потока выдыхаемого воздуха по всей площади поперечного сечения воздушной магистрали без отбора проб с помощью оптической ячейки. Оптическая ячейка состоит из светоотражающих поверхностей и компактных монохроматических пар излучатель-приемник. В свою очередь, единичные оптические ячейки, имеющие заранее рассчитанные формы и размеры, могут объединяться в набор оптических ячеек. Оптическая ячейка либо набор оптических ячеек дополняется встроенным в воздушную магистраль комплексом датчиков давления и влажности для непрерывного контроля газодинамических характеристик воздушного потока. Перед поступлением в зону измерений, представляющую собой оптическую ячейку либо набор оптических ячеек, поток выдыхаемого воздуха детурбулизируется при помощи перфорированной заслонки, которая перекрывает поток выдыхаемого воздуха и имеет набор отверстий, распложенных таким образом, чтобы струи газа при выходе из отверстий проходили перпендикулярно лазерным лучам.
Основа устройства анализа динамических газовых сред представляет собой оптическую ячейку, состоящую из пары излучатель-приемник и каркасного элемента со светоотражающей поверхностью. Компактная монохроматическая пара излучатель-приемник представляет собой излучатель на базе лазера и приемник излучения, вмонтированные в заранее просчитанный профилированный жесткий тонкостенный каркасный элемент, имеющий внутри зеркальные рабочие поверхности с высоким коэффициентом отражения (от 0.95 и выше) в той части спектра электромагнитного излучения, которая соответствует рабочему спектру пары излучатель-приемник для обеспечения многократного отражения лазерного луча. Оптические ячейки могут иметь форму как простых геометрических фигур, так и произвольную сложную форму. Их размер и форма зависят от технического задания, габаритов и относительного расположения встраиваемых излучателей и приемников, а также геометрии воздушной магистрали.
Подбор монохроматических пар излучатель-приемник для оптических ячеек производится в зависимости от списка определяемых газов, выбранных в соответствии с поставленной для каждого конкретного случая задачей. Принципы абсорбционной лазерной спектроскопии могут быть реализованы как единичной парой излучатель-приемник, так и последовательно установленными в одну ячейку парами.
Внутреннее устройство и геометрия оптической ячейки, а также взаимное расположение излучателя и приемника рассчитывается для каждого из определяемых компонентов газовой смеси таким образом, чтобы обеспечить лучу достаточную длину пробега и максимально возможное перекрытие поперечного сечения воздушного потока при фиксированном числе отражений, а также минимальную турбулизацию потока для получения достоверного результата измерения концентрации выбранных компонентов на основании известных законов абсорбционной спектроскопии. Измерения концентраций различных компонентов газовой смеси проводятся в заранее просчитанных неперекрывающихся спектральных диапазонах для различных пар излучатель-приемник.
Рассматривая прохождение выдыхаемого воздуха, представляющего собой газовую смесь переменного состава и характера течения, в системе дыхательная маска - магистраль выдоха и соотнося его с дыхательным циклом человека (например, по версии Бутейко К.П.), можно выделить следующие этапы:
1. Разрежения, когда человек вдыхает дыхательную смесь и частично захватывает воздух из маски.
2. Стабилизация при вдохе.
3. Выдох и прохождение выдыхаемой (с примесью биомаркеров) воздушной смеси в магистраль выдоха, сопровождающиеся повышением давления в подмасочном пространстве.
4. Пауза между выдохом и вдохом, при которой воздух по инерции продолжает постепенно выходить в магистраль выдоха маски до стабилизации давления в подмасочном пространстве и его выравнивания с внешним давлением.
Такая цикличность дыхания неизбежно ведет к турбулизации выдыхаемого воздушного потока, что может отражаться на количестве детектируемых химических элементов в течение времени и, соответственно, может влиять на качество получаемых результатов работы измерительного устройства.
Также выдыхаемый воздух имеет высокую относительную влажность (близкую к 100%), что повышает коэффициент рассеяния лазерного излучения. При этом пары воды могут занимать несколько процентов от всей массы выдыхаемого воздуха. Кроме того, находясь в магистрали выдоха, воздух подвержен пульсациям давления в соответствии с дыхательным циклом, что неизбежно ведет к его турбулизации, степень и цикличность которой в общем виде заранее рассчитать невозможно.
При определении количественного состава выдыхаемого воздуха методом абсорбционной лазерной спектроскопии учитываем, что на прохождение самого лазерного луча не влияет степень турбулизации газовой смеси. Однако изменение влажности влияет на коэффициент рассеяния лазерного луча: повышается влажность - увеличивается коэффициент рассеяния за счет того, что в более влажном воздухе значительно большее количество микрокапель воды, каждая из которых является микролинзой и, соответственно, способствует рассеянию луча [Дацюк В.В., Измайлов И.А. Оптика микрокапель // УФН. - 2001. - Т. 171, №10. - С. 1117-1129].
Таким образом, при пульсации давления в потоке выдыхаемого воздуха будет возникать и накапливаться ошибка измерения, обусловленная изменением характеристик исследуемой среды за счет динамического изменения количества микрокапель воды в зонах высокого и низкого давления, возникающих при турбулизации воздуха в магистрали выдоха в течение дыхательного цикла. Учитывая малые концентрации (порядка ppb и ppm) большинства значимых для медицины детектируемых в выдыхаемом воздухе химических соединений, такие ошибки могут оказать существенное влияние на качество и точность проводимых измерений. Фиксация и контроль такого рода локальных биений влажности и плотности микрокапель для ввода поправочных коэффициентов затруднительна даже при помощи комбинации датчиков влажности и оптических ячеек, настроенных на линии поглощения паров воды.
Отсюда возникает необходимость контролировать и регулировать воздушный поток вблизи измерительного устройства (т.е. вблизи оптических ячеек). Одним из эффективных и наиболее простых решений, обеспечивающих необходимую точность измерений при непрерывном определении концентраций компонентов выдыхаемого воздуха, будет принудительная детурбулизация проходящего воздушного потока.
В аэродинамике известен способ гашения турбулентных возмущений в канале аэродинамической трубы путем установки решетчатой конструкции - хонейкомба. При высокой степени турбулизации потока в аэродинамической трубе за хонейкомбом и до испытуемой модели могут быть дополнительно установлены детурбулизирующие сетки с различной шириной ячеек. Применение детурбулизирующей сетки способствует разрушению вихрей с их последующим вырождением [Репик Е.У., Соседко Ю.П. Разработка детурбулизирующих сеток с малым гидравлическим сопротивлением для аэродинамических труб // Ученые записки ЦАГИ. - 2011. - Том 42, №3. - С. 84-91]. Однако стоит отметить, что в аэродинамическом эксперименте эти методы используются в основном для высокоскоростных потоков. При этом в аэродинамических установках разогнанный поток имеет постоянную скорость течения и плотность, а вихревые течения возникают либо при прохождении устройств рабочего контура аэродинамической трубы, либо при изменении режима работы установки, либо при обтекании исследуемой модели, что может быть просчитано по известным в аэродинамике методикам.
Выдыхаемый человеком поток воздуха является нестационарным за счет того, что объем выдыхаемого воздуха и скорость выдоха могут произвольно меняться в течение достаточно короткого времени. Как следствие, он в достаточной степени турбулизирован. При этом объем потока выдыхаемого воздуха, его скорость и разность давлений крайне низки по сравнению с аналогичными характеристиками в аэродинамических трубах. Поскольку диаметр магистрали выдоха дыхательной маски имеет небольшой размер канала при низкой скорости потока, можем воспользоваться применяемыми в аэродинамике критериями подобия и, соответственно, известными методами детурбулизации. Однако использование только лишь традиционных для классической аэродинамики разделительных сеток и хонейкомба представляется малоэффективным для достижения требуемого эффекта детурбулизации потока выдыхаемого воздуха. В свою очередь, использование сеток с малым размером ячейки, эффективным для детурбулизации потока с небольшим избыточным давлением, из-за низкой скорости потока выдыхаемого воздуха может существенно повышать аэродинамическое сопротивление и создавать запирающий эффект.
Отсюда возникает необходимость применения в магистрали выдоха дополнительных устройств, подобных тем, которые также применяются в аэродинамических трубах для гашения вихрей. Таким устройством является специальная перфорированная заслонка, позволяющая сохранить эффект спрямления (детурбулизации) потока при низких скорости и давлении без его полного перекрытия и существенного аэродинамического сопротивления. Набор отверстий перфорированной заслонки распложен таким образом, чтобы струи газа при выходе из них детурбулизировано проходили перпендикулярно лазерным лучам, идущим в оптических ячейках от излучателя к приемнику.
Для регулировки аэродинамических характеристик потока выдыхаемого воздуха перфорированная заслонка может быть снабжена механизмом поворота, действующим по принципу дросселя. Поворот заслонки происходит таким образом, чтобы не перекрывать оптический путь лазерного луча от излучателя к приемнику. Заслонка также может обладать широким углом поворота (до 90°), чтобы при необходимости поворачиваться, в т.ч. параллельно направлению движения потока, и, таким образом, иметь возможность нивелировать ее влияние на характеристики воздушного потока.
При этом помимо общей перфорированной заслонки, устанавливаемой перед набором оптических ячеек, можно установить уникальную перфорированную дроссельную заслонку перед каждой оптической ячейкой из набора ячеек. Расположение заслонок должно обеспечивать беспрепятственную работу друг друга.
Также для детурбулизации потока выдыхаемого воздуха при прохождении оптической ячейки возможна установка по одной неподвижной заслонке как до, так и после оптической ячейки. Неподвижные заслонки имеют соосные отверстия одинаковой формы и размера, а расстояние между заслонками может быть минимизировано до размера толщины лазерного луча для обеспечения ламинарных характеристик струй при прохождении через оптическую ячейку. Заслонки также могут иметь конструктивные особенности, которые позволяют установить их непосредственно на краях оптической ячейки любых геометрических размеров с соблюдением необходимого зазора между ними для недопущения перекрытия оптического пути луча. Также эти заслонки могут быть снабжены перфорированными шторками, находящимися непосредственно на заслонке и поворачивающимися вокруг своей оси, располагаемой на плоскости заслонки перпендикулярно ей. Схема перфорации на шторке совпадает со схемой перфорации на заслонке. Поправочные коэффициенты, учитывающие движение воздуха в зазоре между пластинками и при повороте шторок, вычисляются с помощью известных аэродинамических формул.
Схема перфорации выбирается таким образом, чтобы заслонка создавала минимально возможное аэродинамическое сопротивление при достижении наилучших показателей детурбулизации потока.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ анализа динамических газовых сред реализуется за счет непрерывного анализа проходящего потока газовой смеси по всей площади поперечного сечения магистрали выдоха дыхательной маски без отбора проб или дополнительных отводных кювет. Такой подход позволяет, за счет использования метода абсорбционной лазерной спектроскопии, различных сочетаний дополнительных измерительных устройств (комплекса датчиков давления и влажности) и системы управления газодинамическими характеристиками потока, работать с газовыми смесями произвольных характера течения и влажности, а также различного происхождения и состава.
Реализация способа анализа динамических газовых сред заключается в обеспечении возможности проведения непрерывных измерений в течение длительного времени и вывода результатов измерений в реальном времени за счет сопоставления объема газовой смеси, прошедшей через сечение сегментированного элемента, и потери интенсивности излучения в этом объеме. Способ базируется на сопряжении двух научных направлений - абсорбционной лазерной спектроскопии и газодинамики. Реализация принципов абсорбционной лазерной спектроскопии обеспечивается описанными выше оптическими ячейками. В свою очередь, реализация принципов газодинамики обеспечивается перфорированными заслонками, а также комплексом датчиков давления и влажности.
Для недопущения загрязнения оптических элементов возможно оснащение устройства дополнительным сменным мембранным фильтром, устанавливаемым перед первой на пути воздушного потока перфорированной заслонкой в начале воздушной магистрали.
Предлагаемое устройство может быть использовано как самостоятельно, так и совместно с системой контроля и регулирования компонентов поступающей дыхательной газовой смеси. Помимо этого, устройство может быть использовано совместно с различными системами контроля состояния и экстренной помощи длительного использования (ношения).
Предлагаемое устройство может быть выполнено с возможностью использования как в бортовых системах контроля и жизнеобеспечения, так и в аналогичных мобильных системах. Достижение указанного технического результата возможно благодаря компактности и малым массогабаритным характеристиками устройства, что позволяет встраивать его в различные существующие или разрабатываемые стационарные или мобильные комплексы отвода и анализа выдыхаемой газовой смеси в реальном времени.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена схема с использованием оптической ячейки, перфорированной заслонки и сменного мембранного фильтра.
На фиг. 2 представлена схема устройства с использованием перфорированных неподвижных заслонок, установленных как перед, так и за оптической ячейкой.
Схемы перфорации на чертежах представлены для наглядности и могут отличаться в зависимости от конфигурации магистрали выдоха дыхательной маски и оптической ячейки. Расположение комплекса датчиков давления и влажности не указано и может варьироваться в зависимости от поставленной задачи.
Воздушная магистраль (1), оптическая ячейка со светоотражающей поверхностью (2), излучатель на базе лазера (3), приемник излучения (4), перфорированная заслонка с дроссельным механизмом (5), сменный мембранный фильтр (6), неподвижная перфорированная заслонка перед плоскостью оптического пути лазерного луча (7), неподвижная перфорированная заслонка после плоскости оптического пути лазерного луча (8).
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И ПРИМЕНИМОСТЬ
Анализатор динамических газовых смесей, встраиваемый в магистраль выдоха дыхательной маски, работает следующим образом. Проходящий через магистраль выдоха (1) выдыхаемый воздух в качестве газовой смеси поступает на тот участок магистрали, на котором в качестве системы непрерывного снятия информации установлены одна или несколько оптических ячеек (2), а также комплекс датчиков давления и влажности. На этом участке производится снятие спектральных и газодинамических характеристик газовой смеси. В оптической ячейке (2) излучение от излучателя на базе лазера (3) проходит через анализируемую газовую смесь, многократно отражаясь от светоотражающей поверхности, и попадает на приемник (4). После чего происходит передача сигнала с приемника по информационной магистрали, либо по каналу беспроводной связи, через преобразователь сигнала на управляющий блок, соединенный с блоком обработки информации, где происходит расшифровка и интерпретация полученного сигнала. Устройство предусматривает установку датчика влажности и не менее двух пар датчиков давления: одна на участке поступления смеси в зону проведения спектральных измерений, а другие пары — после и, возможно, между оптическими ячейками, что позволяет получать информацию об объемах проходящей в магистрали газовой смеси, концентрации определяемых компонентов в реальном времени вне зависимости от перепадов давления в магистрали выдоха. Снятие и передача информации с датчиков давления и влажности, которые необходимы для реализации способа анализа динамических газовых сред, включающего в себя количественную и качественную оценки характеристик проходящей по магистрали газовой смеси, происходит аналогично снятию информации с оптических ячеек.
Данное устройство может быть использовано как самостоятельно, так и совместно с системой контроля и регулирования компонентов поступающей дыхательной газовой смеси для обеспечения обратной связи в схеме: объект (пациент) - регулятор дыхательной смеси - газоанализатор.
По причине наличия существенной неравномерности потока выдыхаемого воздуха (турбулизации либо нестационарного поступления газовой смеси) в воздушной магистрали перед оптической ячейкой для его выравнивания (детурбулизации) установлена перфорированная заслонка. Неравномерный поток, проходящий по воздушной магистрали, проходит через перфорированную заслонку (5), в результате чего происходит его детурбулизация, и попадает в зону с оптической ячейкой или набором оптических ячеек, где происходит снятие спектральных характеристик исследуемых компонентов газовой смеси, а также снятие газодинамических характеристик с помощью комплекса датчиков давления и влажности. Размеры, форма и расположение отверстий подбираются в соответствии с формой оптической ячейки и таким образом, чтобы струи газа проходили перпендикулярно лазерному лучу, а аэродинамическое сопротивление было минимальным. Такой подход позволяет повысить точность измерений и не упустить даже единичные молекулы при определении следовых количеств определяемого вещества.
Для предотвращения загрязнения оптических элементов воздушный поток проходит через сменный мембранный фильтр (6).
Регулировка аэродинамических характеристик потока выдыхаемого воздуха в устройстве производится с помощью поворота перфорированной заслонки (5), которая может быть снабжена механизмом поворота, действующим по принципу дросселя. При этом поворот заслонки происходит таким образом, чтобы не перекрывать оптический путь лазерного луча от излучателя к приемнику. Такого рода заслонка может быть установлена как перед группой оптических ячеек, так и быть уникальной и располагаться перед каждой оптической ячейкой по отдельности для регуляции отдельных участков воздушного потока. Управление заслонками может производиться как в ручном, так и в автоматическом режиме.
Также для детурбулизации потока выдыхаемого воздуха при прохождении оптической ячейки может быть установлено по одной неподвижной перфорированной заслонке как непосредственно перед (7), так и за (8) оптической ячейкой (2). Эти две заслонки имеют соосные отверстия одинаковой формы и размера, а расстояние между заслонками может быть минимизировано до размера толщины лазерного луча для обеспечения ламинарных характеристик струй при прохождении через оптическую ячейку. Заслонки также могут иметь конструктивные особенности, которые позволяют установить их непосредственно на краях оптической ячейки любых геометрических размеров с соблюдением необходимого зазора между ними для недопущения перекрытия оптического пути луча. Поправочные коэффициенты, учитывающие движение воздуха в зазоре между пластинками, вычисляются с помощью известных аэродинамических формул расчета пристеночного эффекта. Также эти заслонки могут быть снабжены перфорированными шторками, поворачивающимися вокруг своей оси и таким образом регулирующими поступление воздуха в/из оптической ячейки, причем схема перфорации на шторке совпадает со схемой перфорации на заслонке. Управление перфорированными шторками может производиться как в ручном, так и в автоматическом режиме, причем при совместной работе с датчиками давления шторки могут поворачиваться так, чтобы препятствовать обратному току газовой смеси в воздушной магистрали на этапе вдоха без каких-либо затруднений на последующем этапе выдоха.
Изобретение может быть использовано в авиации, в том числе встроено в дыхательную маску летчика; в медицине в качестве диагностического оборудования и медицине катастроф (в том числе в реанимационном оборудовании, установленном на транспортных средствах); в защитном оборудовании и экипировке сотрудников МЧС при ликвидации пожаров высокой степени опасности (когда есть опасность выброса вредных веществ) и техногенных катастроф; в экипировке аквалангистов и водолазов при проведении подводных работ с высокой физической нагрузкой и погружениях на большую глубину; в составе альпинистского кислородного оборудования.