Стенд имитации внешнего дыхания человека, предназначенный для испытания средств индивидуальной защиты органов дыхания человека.

елезная модель относится к устройствам для испытаний и исследований защитной дыхательной техники от воздействия внешних неблагоприятных, факторов.
Известен стенд для испытания дыхательных аппаратов, содержащий побудитель движения воздуха, включающий насос с приводом, имеющим кривошипно-шатунный механизм (SU 720851 А1, 07.12.1984).
Недостатком стенда для испытания дыхательных аппаратов является малый процент автоматизации, отсутствие контроля на каждом этапе, сложность получения проб для анализа, громоздкость конструкции.
Известен стенд для испытания дыхательных аппаратов, имитирующий дыхание человека и выполненный с возможностью соединения с дыхательным аппаратом, включающий побудитель движения воздуха, содержащий корпус, привод и связанную с ним камеру, выполненную с возможностью изменения своего объема, отличающийся тем, что упомянутая камера образована первым диском, который прикреплен к корпусу, торообразной гибкой оболочкой и вторым диском, который соединен с приводом, включающим электродвигатель и кривошипно-шатунный механизм, кривошип которого установлен на валу электродвигателя, а шатун шарнирно связан со вторым диском (RU 83109 U1, 20.05.2009).
Недостатком данного стенда является малый процент автоматизации, отсутствие контроля на каждом этапе испытаний, а также возможность определения только одного показателя, а именно величины давления под маской на фазе вдоха и выдоха.
Известен стенд имитации внешнего дыхания человека предназначенный для испытаний средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД), состоящий из основного насоса, создающего пульсирующий поток и соединенного с линиями вдоха и выдоха и обеспечивающий круговое движение газовоздушной смеси (ГВС) через клапаны с СИЗОД, линии выдоха, содержащей блок увлажнения и подогрева, линии вдоха, снабженной отводом, с которым соединен блок имитации потребления кислорода, включающий в себя вспомогательный насос, обеспечивающий пропорциональный отбор ГВС, системы контроля газового состава, выполненной в виде газоанализатора, блока подачи углекислого газа, содержащего устройство регулирования расхода углекислого газа и пропускающего на фазе вдоха через соответствующий клапан в основной насос углекислый газ, который затем смешивается с ГВС, а также датчиков, обеспечивающих обратную связь от всех блоков на блок управления, включающего в себя блок вычисления (SU 459242 А1, 05.02.1975).
Недостатком данного стенда является малый процент автоматизации, сложность получения проб для анализа, низкая точность.
Наиболее близким аналогом к полезной модели является стенд имитации внешнего дыхания человека, предназначенный для испытаний средств индивидуальной защиты органов дыхания (RU 186698 U1 29.01.2019), автором которого является автор и заявитель настоящей полезной модели. Стенд имитации внешнего дыхания человека состоит из основного насоса, создающего пульсирующий поток и соединенный с линиями вдоха и выдоха с возможностью обеспечения возвратного движения газовоздушной смеси (ГВС) через клапаны с СИЗОД, линию выдоха, содержащую блок увлажнения и подогрева, линию вдоха, снабженную отводом для соединения с блоком имитации потребления кислорода, включающим вспомогательный насос, обеспечивающий пропорциональный отбор ГВС, систему контроля газового состава, выполненную в виде газоанализатора, блока подачи углекислого газа, содержащий устройство регулирования расхода углекислого газа и пропускающий на фазе вдоха через клапан в основной насос углекислый газ, который смешивается с ГВС, и датчики, обеспечивающие обратную связь на блок управления, включающий блок вычисления, отличающийся тем, что включает блок подачи азота, содержащий устройство регулирования расхода и давления азота и выполненный с возможностью пропускания азота на фазе вдоха через клапан в основной насос для смешивания с ГВС, и раму, на которой смонтированы все входящие в состав стенда средства и блоки, при этом основной насос соединен с линиями вдоха и выдоха через дополнительные клапаны, клапаны стенда представляют собой электромагнитные клапаны, блок увлажнения и подогрева на линии выдоха выполнен с расширительным бочком, линия вдоха содержит блок охлаждения ГВС, включенный перед отводом, соединенным с блоком имитации потребления кислорода, и блок поглощения углекислого газа из линии вдоха, блок имитации потребления кислорода включает вспомогательный насос для пропорционального отбора ГВС на фазе вдоха и выпуска ГВС в атмосферу на фазе выдоха, а блок подачи углекислого газа содержит устройство регулирования давления углекислого газа. Недостатком данного устройства является необходимость постоянного контроля за дренажной системой стенда, в связи с возможностью его переполнения и контакта излишней влаги с приборами стенда, а также необходимость периодической замены химического поглотителя известкового, в случае проведения испытаний с поглощением углекислого газа.
Техническая проблема – создание устройства аналогичного назначения стенду имитации внешнего дыхания человека (RU 186698 U1 29.01.2019), лишенное вышеописанного недостатка
Настоящая полезная модель позволяет решить техническую проблему благодаря замене и исключению некоторых операций, улучшенной автоматизации процесса, а также дополнением стенда манекеном головы, для расширения спектра проводимых испытаний.
Отличительные признаки настоящей полезной модели от стенда имитации внешнего дыхания человека, предназначенного для испытаний средств индивидуальной защиты органов дыхания (RU 186698 U1 29.01.2019):
меньшее количество производимых операций, за счет исключения дренажной системы и направления конденсата в дальнейшую работу заявленной полезной модели;
дополнение устройства манекеном головы для испытаний дыхательных аппаратов с маской или шлемом, способного поддерживать работу стенда, а также выполняющим функции подогрева внешнего слоя манекена головы и изменения размера головы.
Технический результат, достигаемый в полезной модели, заключается в исключении дренажной системы, что уменьшает количество проводимых операций с устройством.
Сущность полезной модели заключается в достижении упомянутого технического результата путем создания стенда имитации внешнего дыхания человека для испытания средств индивидуальной защиты органов дыхания человека (далее – стенд имитации внешнего дыхания человека, либо стенд), предназначенного для испытаний средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД), включающий в себя раму, на которой смонтированы основной насос, создающий пульсирующий поток с разделенными линиями вдоха и выдоха с возможностью обеспечения возвратного движения газовоздушной смеси (ГВС) через СИЗОД, линия выдоха, содержащая блок увлажнения и подогрева, оснащенный расширительным бочком и системой подогрева, линия вдоха, выполненная в виде блока охлаждения ГВС, снабженного отводом для соединения с блоком имитации потребления кислорода, обеспечивающим отбор ГВС, включающий вспомогательный насос для отбора ГВС на фазе вдоха и выпуска ГВС в атмосферу на фазе выдоха, с возможностью приведения в действие сервоприводом и управления для имитации потребления кислорода в различных режимах дыхания, систему контроля газового состава, выполненную в виде газоанализатора, блок подачи углекислого газа, содержащий устройство регулирования расхода углекислого газа и пропускающий на фазе вдоха через клапан в основной насос углекислый газ, который смешивается с ГВС, и датчики, обеспечивающие обратную связь на блок управления, имеющий интерфейс для управления стендом, с возможностью имитировать разные режимы дыхания, включающий блок вычисления, выполненный в виде микроконтроллера, записывающий протокол испытания в автоматическом режиме, блок подачи азота, содержащий устройство регулирования расхода и давления азота и выполненный с возможностью пропускания азота на фазе вдоха через клапан в основной насос для смешивания с ГВС, при этом основной насос соединен с линиями вдоха и выдоха через обратные клапаны, при этом блок охлаждения ГВС содержит патрубок слива конденсата, соединенный с блоком увлажнения и подогрева.
Согласно заявленной полезной модели все блоки стенда компактно смонтированы на единой раме, включающей основной насос, создающий пульсирующий поток, который соединен с линиями вдоха и выдоха через клапаны, при этом все клапаны стенда выполнены в виде обратных механических клапанов, блок увлажнения и подогрева на линии выдоха выполнен с расширительным бочком, линия вдоха содержит блок охлаждения ГВС, включенный в линию вдоха перед отводом, соединенным с блоком имитации потребления кислорода, вспомогательный насос блока имитации потребления кислорода обеспечивает отбор ГВС на фазе вдоха и выпускает ГВС в атмосферу на фазе выдоха, блок подачи и поддержания углекислого газа содержит устройство регулирования расхода углекислого газа, также введен блок подачи азота, содержащий устройство регулирования расхода азота и пропускающий азот на фазе вдоха через клапан в основной насос, в котором затем смешивается с основной ГВС.
При этом в стенде блок управления, выполняющий вычислительную функцию и функцию управления стендом и выполнен в виде микроконтроллера;
основной насос соединен с сервоприводом и с помощью блока управления может воспроизводить любую кривую дыхания, копируя дыхание реальных людей;
блок управления имеет интуитивно понятный интерфейс пользователя, позволяющий управлять стендом в «одно касание», обеспечивает единый центр управления и сбора информации и записи протокола испытаний полностью в автоматическом режиме и выполняет также функцию управления и использующий обратную связь от датчиков, размещенных в каждом блоке, может имитировать любой режим «дыхания» и оперативно менять режимы по задаче пользователя;
вспомогательный насос приводится в действие сервоприводом, и под управлением блока управления может гибко управлять имитацией потреблением кислорода, имитируя различные режимы дыхания;
На фиг. 1 изображен стенд имитации внешнего дыхания человека.
На фиг. 2 изображен основной насос.
На фиг. 3 вспомогательный насос.
На фиг. 4 изображен блок увлажнения и подогрева.
На фиг. 5 изображен блок охлаждения ГВС
На фиг. 6 изображен блок увлажнения и подогрева вид сбоку.
На фиг. 7 изображен вспомогательный насос, вид сбоку.
На фиг. 8 изображена панель питания.
На фиг. 9 изображен внешний вид манекена головы человека в комплекте
В состав стенда на фиг. 1 входят основной насос 1, бак 2 блока увлажнения и подогрева, линия 3 «выдоха», линия 4 «вдоха», тройник 5 для подключения СИЗОД, блок 6 охлаждения ГВС; вспомогательный насос 7 блока имитации потребления кислорода; датчик 15 расхода газа, расширительный бачок 8 блока увлажнения и подогрева, микроконтроллер 9, система контроля газового состава, выполненная в виде газоанализатора 10 с точками расположения датчиков, система контроля температуры, в виде устройства измерения температуры 11 с точками расположения термопар (на данной фигуре 14), датчиками 12 измерения влажности, датчиком 13 измерения сопротивления воздушного потока.
Основной насос 1 на фиг. 2 содержит сервопривод 16; обратный клапан 18 «выдоха»; обратный клапан 17 «вдоха»; сильфоны 20 основного насоса; штуцер 19 для подачи газа; датчик 21 верхнего положения винтовой гайки 22; винтовая гайка 22 основного насоса.
Вспомогательный насос 7 (см. фиг. 1) на фиг. 3 содержит: сервопривод 27  вспомогательного насоса; обратные клапаны 26 вспомогательного насоса; сильфон 23 вспомогательного насоса; датчик 24 верхнего положения винтовой гайки 25; винтовая гайка 25, датчик 15 (см. фиг. 1) расхода газа.
Блок увлажнения и подогрева на фиг. 4 содержит бак 2 (см. фиг. 1) блока увлажнения и подогрева в который поступает ГВС через соединение 31 с линией «выдоха» основного насоса, линия 3 «выдоха» (см. фиг. 1), патрубок 28 для присоединения датчика влажности, патрубок 29 для подлива воды из расширительного бачка 8 (см. фиг. 1), а также патрубок 33 слива конденсата из блока охлаждения ГВС соединенный с патрубком 32 термопары блока увлажнения и подогрева, патрубок 30 для отбора ГВС газовым анализатором, точку  14 (см. фиг. 1) расположения термопары, для контроля температуры ГВС на «выдохе».
Блок 6 (см. фиг. 1) охлаждения ГВС на фиг. 5 содержит линию 4 «вдоха»; охладитель 36; отвод 34 забора ГВС в блок имитации для газового анализа и контроля температуры; патрубок 33 слива конденсата; соединение 35 с линией «вдоха» основного насоса.
Блок (см. фиг. 1) увлажнения и подогрева на фиг. 6 содержит термоэлектрический нагреватель (ТЭН) 37; датчик 38 уровня воды; патрубок 32 термопары блока увлажнения и подогрева; дополнительный нагревательный элемент 39 ТЭН; точка 14 расположения термопары на линии «выдоха».
Панель питания на фиг. 7 содержит кнопка 41 подачи питания; предохранитель 42 на 10 А, 220 В; розетка питания (IEC С 14) 43; штекер 44 для подключения азота; штекер 45 для подключения углекислого газа.
Внешний вид манекена головы с патрубками на фиг. 8 содержит устойчивую основу 46 для манекена головы; манекен головы 47; патрубок 48 ротового отверстия; патрубок линии 50 «вдоха»; патрубок линии 49 «выдоха».
Манекен головы с патрубками, вид сбоку на фиг. 9, содержит устойчивую основу 46 для манекена головы (см. фиг. 8); основание 52 манекена головы; гибкий нагревательный элемент 51 манекена головы; эластичное покрытие 53 основания 52 манекена головы; патрубок 48 ротового отверстия, который объединяет патрубок 50 линии «вдоха» и патрубок 49 линии «выдоха»; датчик 57 сопротивления, расположенный в нижней части носа манекена 47 головы (см. фиг. 8); патрубок 58 для накачки манекена головы, расположенный в пространстве между основанием 52 для манекена головы, с расположенным на нем гибким нагревательным элементом 51 манекена головы и эластичным покрытием 53 основания манекена головы; нагнетатель 59 с обратным клапаном; датчик 54 измерения влажности ГВС, расположенный в патрубке 49 линии «выдоха»; термопара  55 контроля температуры ГВС на «выдохе».
Стенд имитации внешнего дыхания человека работает следующим образом:
°
2,
2
Основной насос 1, например сильфонного типа, (фиг. 1), осуществляет возвратно-поступательные движения и создает пульсирующий поток, который за счет системы клапанов разделяется на линии «вдоха» 4 и «выдоха» 3, что достигается установкой обратных клапанов в разных направлениях. На фазе «выдоха» насос 1 приводится в действие серводвигателем 16, при этом клапан 17 «выдоха» открыт, а клапан 18 «вдоха» остается в закрытом положении. Через обратный клапан 17 «выдоха», находящемся в открытом положении, газовоздушная смесь (ГВС) из насоса поступает в бак 2 блока увлажнителя. В блоке увлажнения и подогрева ГВС нагревается до температуры (например) 37С, при помощи находящегося внутри контура термоэлектронагревателя, увлажняется до относительной влажности 95%, и ГВС подается  по линии 3 «выдоха» в тройник 5 (являющийся съемным элементом, герметично устанавливаемым на линии 4 «вдоха» и 3 «выдоха»). Через тройник 5 ГВС поступает в испытуемый образец СИЗОД. На фазе «вдоха» из образца СИЗОД ГВС поступает через тройник 5 в линию 4 «вдоха» в блок 6 охлаждения ГВС. В блоке 6 ГВС охлаждается до комнатной температуры и возвращается назад в насос 1. Имитация потребления кислорода осуществляется через вспомогательный насос 7, например мембранного типа. Он осуществляет возвратно-поступательные движения с помощью собственного сервопривода 27, создавая пульсирующий поток газа, разделенный посредством обратных клапанов 26. В случае, если необходимо провести испытания образца в режиме с поглощением СО задаются данные о необходимом уровне поддержания СО на микроконтроллере 9. Работой всего стенда управляет, блок управления в виде микроконтроллера 9, собирая информацию с системы контроля газового состава, выполненной в виде газоанализатора 10 и устройства измерения температуры  11 (включающий датчики 14, 32, 55, 56) и датчиков 12 и 54 измерения влажности.
2
2
2
Основной насос 1 (фиг. 2) создает пульсирующий поток. Два соединенных между собой сильфона 20 основного насоса 1 приводятся в движение сервоприводом 16. Винтовая гайка 22 движется в вертикальной плоскости до датчика верхнего положения винтовой гайки 21. Обратные клапаны 17 «выдоха» и 18 «вдоха» открываются на фазах «выдоха» и «вдоха» соответственно. Программа движения для сервопривода 16 задается микроконтроллером 9 (фиг. 1). Контроль частоты и глубины дыхания осуществляется автоматически и поддерживается электронными системами стенда. Клапан 18 «вдоха» открывается на фазе «вдоха» и пропускает в сильфоны 20 ГВС в основной насос, к которому добавляются газы СО и азот (N2). Штуцер 19 предназначен для подачи газа СО и азот (N) в сильфон 20.
Вспомогательный насос 7 (фиг. 1) блока имитации потребления кислорода осуществляет отбор ГВС через клапан 26 из отвода 34 для присоединения блока имитации потребления кислорода по линии 4 «вдоха» на фазе «вдоха» и возвращает ее в атмосферу. Винтовая гайка 25 приводимая в действие приводом 27, движется в вертикальной плоскости, растягивая сильфон 23 вспомогательного насоса 7, до датчика 24 верхнего положения винтовой гайки 25, создавая тем самым пульсирующий поток. Отобранный объем ГВС контролируется датчиком 15 расхода (фиг. 1) на каждом шаге и при необходимости корректируется микроконтроллером 9 (фиг. 1), изменяя программу движения привода 27. Поток ГВС разделяется обратными клапанами 26, работающими в противоположном направлении.
°
В баке 2 блока увлажнения и подогрева (см. фиг. 1) ТЭН 37 нагревает воду (фиг. 6). Температура воды контролируется термопарой 32 блока увлажнения и подогрева. Поступающая от насоса ГВС нагревается в баке 2 до температуры (например) 37С и увлажняет до относительной влажности 95%, а так же подогреваясь дополнительным нагревательным элементом 39. Контроль и поддержание температуры и влажности осуществляется автоматически микроконтроллером 9 (фиг. 1). В линии 3 «выдоха» предусмотрен патрубок 28 для присоединения датчика влажности 12 (фиг. 1). А также патрубок 30 для отбора ГВС на газовый анализ. Уровень воды в баке 2 контролируется датчиком 38. При поступлении сигнала от датчика 30 уровня воды на микроконтроллер 14 (фиг. 1), вода доливается автоматически из расширительно бачка 13 (фиг. 1) блока увлажнения через патрубок 27. Расширительный бачок 13 (фиг. 1) оснащен датчиком уровня воды, при поступлении сигнала с которого микроконтроллер 14 (фиг. 1) выдает сообщение о необходимости пользователю стенда долить воды в расширительный бачок 13 (фиг. 1).
Блок 7 (фиг. 1) охлаждает ГВС, поступающий по линии 4 «вдоха». Блок 7 охлаждения ГВС представляет собой радиатор, например алюминиевый, снабженный вентиляторами, особой конструкции обеспечивающий охлаждение ГВС до комнатной температуры при любой легочной вентиляции. Для контроля газового состава и температуры, ГВС забирается через отвод 34 в блок имитации потребления кислорода и газоанализатором. Конденсат сливается по патрубку 33 блока охлаждения ГВС в бак 2 блока увлажнения и подогрева.
На боковине стенда находится панель питания. Панель питания служит для подведения питания к стенду. Розетка 43 (220 в 50 Гц, 10 А) имеет заземление. Кнопка 41 подает питание на весь стенд. Предохранитель 42 (220 В, 10 А) защищает весь стенд.
Штекер 44 для подключения азота, штекер 45 для подключения углекислого газа служат для подачи газов из баллонов в стенд до 2 атм.
При подключении головы манекена 47 к стенду, забор и движение ГВС производится  через патрубок линии 50 «вдоха» соединенный с линией 4 «вдоха» и патрубок 49 линии «выдоха» герметично соединенного с линией 3 «выдоха» соответственно при помощи переходника, выполненного в виде гибкого шланга. Герметичность присоединения линий с патрубками обеспечивается, например, при помощи хомутов. При подключении манекена головы к стенду тройник 5 не используется.
Подкачка манекена головы осуществляется следующим образом: от нагнетателя 59 с обратным клапаном, например груша тонометра с клапаном спуска, поступает избыточное давление чрез патрубок 58 для накачки и сброса давления манекена головы до необходимого значения, для обтюрации СИЗОД. Открывая обратный клапан (клапан спуска) нагнетателя 59, избыточное давление в пространстве между эластичным покрытием 53 основания манекена головы и гибким нагревательным элементом 51 манекена головы разряжается, направляя избыточное давление через патрубок 58 для накачки и сброса давления манекена головы в атмосферу.
°
Гибкий нагревательный элемент 51 манекена головы нагревает эластичное покрытие 53 основания манекена головы до температуры, например 37С, контролируемой при помощи датчика 56, расположенного в пространстве между эластичным покрытием 53 основания манекена головы и гибким нагревательным элементом 51 манекена головы, контролируется устройством 11 измерения температуры и микроконтроллером 9. Измерение сопротивления воздушному потоку датчиком 57 распложенным, в любой части под масочным пространством, например в нижней части носа манекена головы 47, осуществляется при «выдохе» через патрубок 49 и «вдохе» через патрубок 50, при этом контроль влажности ГВС на выдохе осуществляется датчиком 54 влажности и датчиком 55 температуры.
Использование стенда при проведении динамических испытаний образцов СИЗОД за счет увеличении уровня автоматизации, записи протокола испытаний в полностью автоматическом режиме и с учетом информации от датчиков, размещенных в каждом блоке, и фиксации всех параметров дыхания «вдоха» и «выдоха» позволяет стенду имитировать любой режим «дыхания» и оперативно менять режимы по задаче пользователя.
При использовании манекена головы, соединенного со стендом возможно проведение динамических испытаний СИЗОД с лицевыми частями, в том числе опасных для жизни и здоровья человека средах, а также путем размещения манекена головы, соединенного со стендом в камеру для испытаний.
Это повышает точность определения времени защитного действия любых видов СИЗОД и позволяет использовать стенд для проведения всех видов испытаний (приемо-сдаточных, сертификационных и т.д.), а так же для решения исследовательских задач и задач разработки новых видов СИЗОД.
Исключение дренажной системы слива конденсата блока охлаждения ГВС путем направления влаги в бак блока увлажнителя, избегая тем самым процесса слива и очистки дренажной системы представленной в ближайшем аналоге заявленной полезной модели оптимизировало процесс.
Улучшение эксплуатационных характеристик достигается за счет исключения процесса слива конденсата и очистки дренажной системы представленной в ближайшем аналоге заявленной полезной модели, что оптимизировало процесс эксплуатации устройства.
Техническое исполнение устройства позволяет более быстро и с применением меньшего количества операций достигать поставленного результата. Направление конденсата дренажной системы в бак блока увлажнения и подогрева, позволило исключить дренажную систему, а также количество проводимых операций с устройством.