АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС "ИСКУССТВЕННЫЕ ЛЕГКИЕ"

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для испытаний дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде.
Известно устройство - стенд для испытания дыхательных аппаратов, содержащее соединенное со средством передачи данных, имитирующее дыхание человека исполнительное устройство, выполненное в виде поршневого насоса, к выходному каналу рабочей камеры которого подсоединен дыхательный аппарат, в котором имеются редуктор и баллон с газом. Устройство содержит систему датчиков, соединенных со средством передачи данных для управления процессом испытания (патент Германии №19627388, МПК А62В 27/00, 1998).
Недостаток этого устройства заключается в сложности конструкции. Кроме того, в этом устройстве невозможно воспроизвести реальную дыхательную среду, состав которой в процессе испытаний изменяется из-за сброса в атмосферу части потока, так как при работе регенеративного продукта обычно выделяется больше кислорода, чем поглощается пользователем (коэффициент регенерации обычно находится в пределах от 1,1 до 1,2).
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Известно устройство для испытания дыхательного аппарата, содержащее побудитель расхода дыхательной смеси, системы дозирования диоксида углерода и воды, измерители содержания диоксида углерода и кислорода, температуры, сопротивления дыханию и влажности, побудитель расхода - основной насос сильфонного, мембранного или поршневого типа, создающий пульсирующий поток дыхательной смеси с изменением объемного расхода, близким к синусоидальному (ГОСТ Р 12.4.220-2001).
Данное устройство характеризуется следующими недостатками: невозможность воспроизводства работы устройства без сброса части ГДС в окружающую среду; - невозможность воспроизведения динамики дыхания человека; - невозможность бесступенчатого регулирования глубины дыхания в процессе работы устройства; - невозможность воспроизводства различных нагрузок при работе устройства, что в итоге снижает эксплуатационные характеристики устройства для испытания дыхательных аппаратов.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Эти недостатки частично устранены в принятом за прототип устройстве для испытания дыхательного аппарата (пат. РФ №2524906, МПК А62В 27/00, опубл. 2014 г.). Известное устройство содержит блок имитации дыхания в виде побудителя расхода дыхательной смеси (ГДС), вход и выход которого соединены с дыхательным аппаратом, образуя циркуляционный контур, соединенный с системами дозирования диоксида углерода и воды, на базе расходомеров, измерителями содержания диоксида углерода и кислорода, температуры, сопротивления дыханию и влажности, побудитель расхода дыхательной смеси, систему дозирования диоксида углерода и воды, измерители содержания диоксида углерода и кислорода, температуры, сопротивления дыханию и влажности. Побудитель расхода дыхательной смеси выполнен в виде соединенной с циркуляционным контуром рабочей среды емкости, в которой помещен рукав из эластичного материала, полость которого связана с испытываемым аппаратом. Циркуляционный контур рабочей среды содержит насос и ресиверы, соединенные с емкостью через управляемые клапаны, между которыми установлен дифференциальный манометр. Побудитель расхода дыхательной смеси соединен с входом испытываемого аппарата через управляющий клапан и увлажнитель, а выход - с линией дозирования диоксида углерода, управляющий клапан и побудитель расхода, образуя циркуляционный контур дыхательной смеси. Перед управляющим клапаном установлены датчик температуры и измерители концентрации кислорода и диоксида углерода в дыхательной смеси. После управляющего клапана установлены датчик температуры и измерители концентрации кислорода и диоксида углерода.
Недостатком такого устройства являются невозможность изменения формы дыхательной кривой, что не позволяет имитировать различные психофизиологические состояния человека, и реализации математическим и программным обеспечением автоматизированной системы управления комплекса дыхательного коэффициента меньше 1, т.к. в процессе испытаний производительность регенеративного патрона ИДА снижается, что приводит к уменьшению данного коэффициента до 0,5-0,8.
Указанные недостатки обусловлены конструктивными признаками известного технического решения.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в создании устройства, обеспечивающего возможность имитации работы устройства при различных психофизиологических состояниях человека путем сброса части дыхательной смеси в окружающую среду, а также воспроизведение динамики дыхания человека и возможности бесступенчатого регулирования глубины дыхания в процессе работы, обеспечение возможности воспроизводства различных нагрузок при проведении испытаний.
Технический результат достигается тем, что автоматизированный испытательный комплекс «Искусственные легкие», характеризующийся тем, что он содержит побудитель расхода дыхательной смеси (ГДС), вход и выход которого соединены с изолирующим дыхательным аппаратом, образуя циркуляционный контур, соединенный с системами дозирования диоксида углерода и азота, измерителями содержания диоксида углерода и кислорода, температуры, сопротивления дыханию и влажности, систему дозирования диоксида углерода и запорную арматуру, в линии дозирования диоксида углерода и азота, в линии сброса ГДС в атмосферу и в качестве побудителя расхода ГДС установлены поршневые дозаторы, соединенные с линейными актуаторами и в линиях дозирования диоксида углерода и азота установлены гибкие емкости. В циркуляционном контуре на входе в ИДА установлены водяная баня и подогреватель ГДС, а на выходе - холодильник, соединенный через запорную арматуру с побудителем расхода и линией сброса ГДС в атмосферу.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Выполнение автоматизированного испытательного комплекса «Искусственные легкие» содержащим побудитель расхода дыхательной смеси (ГДС), вход и выход которого соединены с изолирующим дыхательным аппаратом, образуя циркуляционный контур, соединенный с системами дозирования диоксида углерода и азота, измерителями содержания диоксида углерода и кислорода, температуры, сопротивления дыханию и влажности, систему дозирования диоксида углерода и запорную арматуру, в линии дозирования диоксида углерода и азота, в линии сброса ГДС в атмосферу и в качестве побудителя расхода ГДС установлены поршневые дозаторы, соединенные с линейными актуаторами и в линиях дозирования диоксида углерода и азота установлены гибкие емкости. В циркуляционном контуре на входе в ИДА установлены водяная баня и подогреватель ГДС, а на выходе - холодильник, соединенный через запорную арматуру с побудителем расхода и линией сброса ГДС в атмосферу обеспечивает создание устройства, обеспечивающего возможность имитации работы органов дыхания человека при любых психофизиологических состояниях человека при интенсивной и обычной нагрузке, при статическом положении, характеризующимся минимальным расходованием кислорода и минимальным выделением диоксида углерода, а также воспроизведение динамики дыхания человека и возможности бесступенчатого регулирования глубины дыхания в процессе работы, обеспечение возможности воспроизводства различных нагрузок при проведении испытаний. Применение электроприводных клапанов и линейных актуаторов в сочетании с насосами - дозаторами позволяет применять автоматизированные системы управления от простых до самых сложных, что делает испытательный комплекс универсальным.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций блочных автоматизированных котельных установок с получением технического результата, заключающегося в повышении эффективности и надежности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где
на фиг. 1 изображена схема автоматизированного испытательного комплекса «Искусственные легкие»;
на фиг. 2 показан вариант конструкции гибкого резервуара (продольное сечение);
на фиг. 3 показано устройство изолирующего дыхательного аппарата (ИДА).
Перечень позиций, указанных на чертежах:
1. побудитель расхода (имитатор дыхания);
2. изолирующий дыхательный аппарат (ИДА);
3. двухходовой клапан;
4. нагреватель ГДС;
5. водяная баня;
6. трехходовой клапан;
7. двухходовой клапан;
8. холодильник;
9. двухходовой клапан;
10. линейный актуатор;
11. система дозирования диоксида углерода;
12. система дозирования азота;
13. баллон с углекислым газом;
14. двухходовой клапан;
15. гибкий резервуар;
16. трехходовой клапан;
17. насос - дозатор;
18. линейный актуатор;
19. баллон с сжатым азотом;
20. двухходовой клапан;
21. гибкий резервуар;
22. трехходовой клапан;
23. насос - дозатор;
24. линейный актуатор;
25. трехходовой клапан;
26. насос - дозатор;
27. линейный актуатор;
28. двухходовой клапан;
29. блок контроля и управления;
30. узел изоляции органов дыхания;
31. регенеративный патрон;
32. дыхательный мешок.
Автоматизированный испытательный комплекс «Искусственные легкие» содержит побудитель расхода дыхательной смеси (ГДС) 1, вход и выход которого соединены с изолирующим дыхательным аппаратом (ИДА) 2, образуя циркуляционный контур. На линии вдоха ИДА 2 соединяется через двухходовой клапан 3, нагреватель ГДС 4, водяную баню 5 и трехходовой клапан 6 с побудителем расхода 1. На линии выдоха ИДА 2 соединяется через двухходовой клапан 7, холодильник 8, двухходовой клапан 9 с побудителем расхода 1. Побудитель расхода 1 выполнен в виде поршневого дозатора и снабжен приводом в виде линейного актуатора 10, преобразующего электрическую энергию управления в линейное перемещение.
Циркуляционный контур на вдохе через трехходовой клапан 6 соединен с системой дозирования диоксида углерода 11 и системой дозирования азота 12. Система дозирования диоксида углерода 11 содержит баллон с углекислым газом 13, соединенным через двухходовой клапан 14 и гибкий резервуар 15 с трехходовым клапаном 16, который также соединен с насосом - дозатором 17, снабженным линейным актуатором 18. Система дозирования азота 12 содержит баллон с сжатым азотом 19, соединенным через двухходовой клапан 20 и гибкий резервуар 21 с трехходовым клапаном 22, который также соединен с насосом - дозатором 23, снабженным линейным актуатором 24. Выходы трехходовых клапанов 16 и 22 соединены между собой и с трехходовым клапаном 6.
На выходе холодильника 8 циркуляционный контур через трехходовой клапан 25 соединен с атмосферой и линией сброса ГДС, включающей насос - дозатор 26, снабженный линейным актуатором 27. Холодильник 8 соединен двухходовым клапаном 28 с линией подачи хладагента.
Вход и выход ИДА 2 соединены с блоком контроля и управления 29, обеспечивающим измерение и поддержание в заданных пределах содержание диоксида углерода и азота, содержание кислорода, влажность, величину сопротивления дыханию и температуру поступающей на вдох ГДС и автоматическое управление клапанами и насосами - дозаторами. ИДА 2 содержит узел изоляции органов дыхания 30 в виде маски, полумаски или загубника, регенеративный патрон 31 и дыхательный мешок 32.
Устройство работает следующим образом.
При включении линейного актуатора 10 побудитель расхода ГДС 1 создает пульсирующий поток газовой дыхательной смеси, аналогичный воздушному потоку, формируемому легкими человека, поочередно в режиме вдоха и выдоха. При вдохе ГВС из дыхательного мешка 32 ИДА 2 через регенеративный патрон 31, узел изоляции органов дыхания 30, открытый двухходовой клапан 21, холодильник 20 и трехходовой клапан 22 поступает в полость побудителя расхода ГВС 1. При выдохе воздух из полости побудителя расхода 1 через открытый трехходовой клапан 6 водяную баню 5, подогреватель воздуха 13 и двухходовой клапан 11 поступает в ИДА, последовательно заполняя узел изоляции органов дыхания 30, регенеративный патрон 30 и дыхательный мешок 31.
Для имитации дыхания на вход ИДА 2 поступает ГДС с относительной влажностью, близкой к 100%, температурой 37-38°С, содержанием диоксида углерода около 4% и содержанием кислорода около 17-18% при расходе от 10 до 70 дм /мин, что соответствует степени тяжести выполняемой пользователем работы. В регенеративном патроне 31 выдыхаемый воздух за счет химического взаимодействия с регенеративным продуктом (надпероксид калия) очищается от диоксида углерода и обогащается кислородом. Кратко процесс регенерации заключается во взаимодействии паров воды с надпероксидом калия при котором образуется кислород и щелочь, которая вступает в реакцию с диоксидом углерода, образуя карбонаты. Содержание кислорода при этом увеличивается до 21% и выше, а содержание диоксида углерода снижается ниже предельной допустимой концентрации 2-3%. Однако при этом отрегенерированная ГДС, поступающая на вдох пользователя не обеспечивает комфортность дыхания из-за пониженной влажности и повышенной температуры.
Для создания требуемой концентрации диоксида углерода на входе в ИДА 2 служит система дозирования диоксида углерода 11, которая включается в работу после пуска побудителя расхода ГДС 1. Из баллона с углекислым газом 13 через открытый клапан 14 газ поступает в гибкий резервуар 15, после чего двухходовой клапан 14 закрывается и через открытый трехходовой клапан 16 диоксид углерода поступает в насос дозатор 17 за счет отвода поршня дозатора 17 линейным актуатором 18. После этого производится переключение трехходового клапана 16 и насос дозатор 17 начинает дозирование диоксида углерода в циркулирующий поток ГДС. Т.к. подаваемая на очистку в ИДА 2 ГДС содержит необходимую влагу (при пропускании через водяную баню 5) и диоксид углерода в регенеративном патроне 31 происходит регенерация ГДС, при которой происходит химическое поглощение диоксида углерода. При выдохе циркулирующая ГДС охлаждается до комфортной для дыхания температуры - не выше 30-32°С при проходе через холодильник 20, степень охлаждения ГДС регулируется расходом хладагента двухходовым клапаном 28. а после нагревателя с испарителем воды 7 влажность ГДС становится близкой к 100%.
Для имитации процесса дыхания, при котором происходит поглощение кислорода, соединенный с циркуляционным контуром трехходовой клапан открывается и включается линейный актуатор 27, при этом насос - дозатор 26 забирает из циркуляционного контура часть выдыхаемой ГДС и через клапан 28 сбрасывает в атмосферу.
Для компенсации сброса ГДС служит система дозирования азота 12, которая включается в работу после пуска насоса-дозатора 26. Из баллона с сжатым азотом 19 через открытый двухходовой клапан 20 газ поступает в гибкий резервуар 21, после чего двухходовой клапан 20 закрывается и через открытый трехходовой клапан 22 азот поступает в насос дозатор 23 за счет отвода поршня дозатора линейным актуатором 24. После этого производится переключение трехходового клапана 22 и насос дозатор 23 начинает дозирование диоксида углерода в циркулирующий поток ГДС.
Так как узел изоляции органов дыхания 30 соединен с линиями вдоха и выдоха циркуляционного контура, и каждая из этих линий соединена пневматически с блоком контроля и управления 29, что позволяет контролировать параметры ГДС на вдохе и на выходе и управлять положением клапанов при запуске и испытаниях, а также задавать режимы работы насосов - дозаторов подачей сигнала на линейные актуаторы, и подачу диоксида углерода и азота согласно программе испытаний и с учетом сбросы части ГДС в атмосферу
Устройство обеспечивает сброс части дыхательной смеси в окружающую среду и воспроизводит динамику дыхания человека с поглощением кислорода и выделением диоксида углерода, а также обеспечивает возможность бесступенчатого регулирования глубины дыхания в процессе испытания дыхательных аппаратов.