Тренажер, имитирующий дыхание человека в средстве индивидуальной защиты органов дыхания

1. Область техники, к которой относится полезная модель.
Настоящая полезная модель относится к техническим средствам, предназначенным для обучения правилам использования средств индивидуальной защиты органов дыхания человека изолирующего типа и овладению навыками дыхания в них.
2. Уровень техники
Средства индивидуальной защиты органов дыхания изолирующего типа (далее - СИЗОД) – это средства индивидуальной защиты органов дыхания, изолирующее дыхательные пути от окружающей атмосферы и подающие пригодную для дыхания газовую дыхательную смесь (ГДС) из источника дыхательной смеси, являющегося составной частью, а именно из регенеративного патрона или баллона с кислородом или азотно-кислородной смесью.
СИЗОД используют только в рамках назначения и в соответствии с инструкцией. Изолирующие средства защиты дыхания используются преимущественно тогда, когда фильтрующие аппараты не способны справиться с опасностью.
Использование изолирующих СИЗОД также сопровождается влиянием на физиологические функции организма человека. Степень такого влияния зависит как от состояния здоровья и натренированности человека, так и от условий и характера работ.
Сопротивление дыханию, а как следствие возможное ухудшение самочувствия из-за скачков давления и сердечных сокращений, в аппаратах изолирующего типа значительно выше, поэтому использовать такие СИЗОД можно только при отсутствии медицинских противопоказаний. А сложность конструкции и особенности приведения устройства в действие делает невозможным его применение без предварительного обучения.
В состав СИЗОД должны входить:
- лицевая часть;
- регенеративный патрон или баллон с кислородом или азотно-кислородной смесью;
- поглотительный патрон (при необходимости);
- соединительные шланги (при необходимости);
- дыхательный мешок;
- подвесная (ременная) система;
- индивидуальная упаковка. (ГОСТ 12.4.272-2014 Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органов дыхания  изолирующие дыхательные аппараты с химически связанным или сжатым кислородом. Технические требования. Методы испытаний. Маркировка. Правила отбора образцов).
Известен тренажер дыхательного аппарата (заявка WO №2008/089407 А1, МПК A62B 9/00, публ. 2008 г.), предназначенный для ознакомления шахтеров и других работников шахт с ощущениями, испытываемыми при использовании самоспасателя SCSR со сжатым кислородом. Тренажер дыхательного аппарата состоит из используемых в самоспасателе SCSR лицевой части в виде загубника и носового зажима, к которому прикреплены два съемных картриджа, заполненных реакционным материалом, с фильтрами для сбора вредной пыли, клапанами и соединенных отверстиями с атмосферой. При дыхании пользователя в тренажере дыхательного аппарата выделение тепла имитируется за счет химической реакции материала, содержащегося в картриджах, и продуктов выдоха пользователя, сопротивление дыханию определяется природой химического материала. Таким образом, обучаемый пользователь знакомится с условиями дыхания в реальном самоспасателе SCSR со сжатым кислородом. Для заполнения картриджа может использоваться безопасный материал, например цеолит с номинальным размером пор 4А, а также другие материалы, например гидроксиды кальция, лития, натрия, которые служат для создания различных условий дыхания из-за отличий в величинах сопротивления дыханию и тепла, выделяемого используемыми материалами в ходе химической реакции. Недостатком тренажера дыхательного аппарата является его отличие от самоспасателя SCSR, в частности отсутствие дыхательного мешка, что не позволяет изучить конструкцию и отработать процедуру включения в самоспасатель SCSR. В случае использования для заполнения картриджей добавок опасных материалов, например гидроксидов лития или натрия, этот материал должен быть утилизирован соответствующим образом.
Известен рабочий тренажер шахтного самоспасателя РТ-ШС (далее тренажер РТ-ШС) (см Технические средства безопасности, применяемые в угольных шахтах Российской Федерации: Каталог справочник / под общей редакцией В.М. Щадова; сост. Ю.И. Донсков, А.А. Умрихин. - Кемерово: ГПКО «Кемеровский полиграф комбинат», 2007. с.316-317), который предназначен для обучения персонала шахт правилам и навыкам использования самоспасателей ШСС-Т с химически связанным кислородом в учебных классах и в условиях, приближенных к реальной обстановке. Тренажер РТ-ШС является переснаряжаемым вариантом самоспасателя ШСС-Т, но с меньшим временем действия, что обеспечивает при условии замены картриджа (регенеративного патрона) возможность многоразового его использования, а также позволяет отработать до автоматизма процедуру приведения самоспасателя ШСС-Т в действие. В тренажере РТ-ШС (см. сайт http://www.roshimzaschita.ru/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=21 оп. 2007 г.) за счет химической реакции взаимодействия продуктов выдоха пользователя, а именно диоксида углерода и воды, которые поступают в картридж через лицевую часть в виде загубника и носового зажима, и материала, содержащегося в картридже, создается повышенная температура дыхательной смеси, за счет вредного пространства увеличивается объемная доля диоксида углерода, за счет прохождения дыхательной смеси через слой материала, содержащегося в картридже увеличивается сопротивление дыханию. Эти особенности характерны для СИЗОД на химически связанном кислороде. Это позволяет сформировать у персонала представление об условиях дыхания в самоспасателе ШСС-Т, в частности получать сведения, что указанные условия (нагрев дыхательной смеси, сопротивление дыханию) означают нормальную работу самоспасателя ШСС-Т.
Недостатками данного тренажера РТ-ШС являются необходимость замены картриджа после каждой тренировки, обязательность соблюдения строгих правил хранения тренажеров РТ-ШС и сменных картриджей, меньшее время работы тренажера РТ-ШС по сравнению с временем работы реального самоспасателя ШСС-Т, необходимость утилизации использованных, признанных негодными или с истекшим гарантийным сроком картриджей, содержащих опасное вещество - надпероксид калия, а также не дает оценку состояния обучаемого.
Известен универсальный тренажер, моделирующий работу человека в изолирующих дыхательных аппаратах, состоящий из лицевой части, соединенной с гофрированной трубкой или картриджем с клапанами, в которой расположен нагревательный элемент, дыхательного мешка, картриджа, в котором расположено устройство моделирования сопротивления дыханию, моделирования состава дыхательной смеси, пневмотахограммы.
Недостатком данного прототипа является потребность сети электропитания, сложный состав комплекса, что вызывает необходимость привлечения персонала со специальными познаниями, для проведения тренировки, и отсутствие мобильности тренажера, что вызывает невозможность применения тренажера при прохождении реального маршрута с присущими неровностями, уклонами, подъемами, шириной прохода.
Прототипом настоящей полезной модели является учебный изолирующий самоспасатель (RU 202 090 U1) представляющий собой учебный изолирующий самоспасатель, содержащий футляр в виде корпуса и по крайней мере одной крышки с быстрораскрывающимся замком, загубник и носовой зажим, имитатор тепловлагообменника, гофрированную трубку, дыхательный мешок с клапаном избыточного давления, съемные патрон-имитатор массы и имитатор пускового устройства, который, согласно полезной модели, содержит по крайней мере один магнит, расположенный внутри корпуса.
Недостатками данного учебного изолирующего самоспасателя являются необходимость замены картриджа после каждой тренировки, обязательность соблюдения строгих правил хранения сменных картриджей, меньшее время работы по сравнению с временем работы реального самоспасателя, необходимость утилизации использованных, признанных негодными или с истекшим гарантийным сроком картриджей, содержащих опасное вещество - надпероксид калия, а также не дает оценку состояния обучаемого.
2
Техническая проблема, решение которой обеспечивается настоящей полезной моделью, состоит в расширении арсенала технических средств определенного назначения, выраженного в создании тренажера визуально схожего с СИЗОД, имитирующего сопротивление дыханию и концентрацию СО, выполняющего функцию подсчета потребленного объема воздуха, с возможностью передачи полученных данных на ЭВМ.
2
Настоящая полезная модель направлена на повышение качества обучения работе в изолирующем СИЗОД, повышение эффективности обучения за счет применения визуально идентичного СИЗОД устройства, обеспечивающего сопротивление и концентрацию СО аналогично применяемому СИЗОД, осуществлять регистрацию легочной вентиляции и иных параметров пользователя, а также осуществляющего их запись, передачу на другие устройства и ЭВМ (компьютер) информации о тренировке, что также позволит оценивать состояние пользователя в ходе тренировки.
2
Технический результат, на получение которого направлено настоящая полезная модель, заключается в создании устройства, визуально схожего с СИЗОД, имитирующее сопротивление дыханию и концентрацию СО идентичные условиям дыхания в СИЗОД, позволяющего измерять, записывать, хранить и передавать информацию о регистрируемых параметрах включая, но не ограничиваясь, объем потребленного воздуха.
3. Раскрытие сущности полезной модели.
2
Полезная модель представляет собой устройство визуально идентичное СИЗОД, содержащее лицевую часть, воздуховодные шланги, дыхательный мешок с клапаном избыточного давления, подвесную систему, имитирующий корпус, блок имитации  СО, сопло, для имитации сопротивления, обратный клапан вдоха, обратный клапан выдоха, расходомер и блок измерения, включающий микроконтроллер, выполняющий функцию сбора и передачи данных полученных от датчика расходомера, с возможностью регистрации данных посредством радиоволнового передатчика, блок питания, блок передачи информации, блок синхронизации данных, балластный вес, тумблер включения.
Также тренажер может быть оснащен футляром в виде корпуса СИЗОД и по крайней мере одной крышки с быстрораскрывающимся замком, или индивидуальной упаковкой, идентичной модели имитируемого СИЗОД.
2
В своем принципиальном представлении устройство содержит блок имитации  СО, соединенный с соплом, для имитации сопротивления, оснащенный обратным клапаном выдоха и выдоха, расходомером и блоком измерения, включающего микроконтроллер, выполняющий функцию сбора и передачи данных полученных от датчика расходомера, с возможностью регистрации данных посредством радиоволнового передатчика, блок питания, блок передачи информации, блок синхронизации данных размещаются в корпусе, имитирующим регенеративный патрон, поглотительный патрон, либо баллон СИЗОД, в зависимости от типа СИЗОД – имитирующий корпус.
Пользователь включается в устройство посредством лицевой части.  Лицевой частью СИЗОД может быть представлена различными вариантами: маска, шлем-маска, полумаска, четвертьмаска, загубник с носовым зажимом, капюшон, шлем.
Легочная вентиляция – объем газовой дыхательной смеси, прошедший через легкие человека за определенный промежуток времени.
4. Краткое описание чертежей.
2
На фиг. №1 изображена принципиальная схема полезной модели одного из воплощений в общем виде, где 1 – блок имитации СО; 2 – присоединение к лицевой части СИЗОД; 3 -  сопло; 4 – расходомер; 5 – клапан вдоха; 6 – клапан выдоха; 7 – блок измерения.
5. Осуществление изобретения.
Тренажер, имитирующий дыхание человека в средстве индивидуальной защиты органов дыхания, работает следующим образом: тренажер размещают с помощью подвесной системы на теле, одним движением пользователь открывает быстрораскрывающийся замок, отбрасывает крышку футляра, одевает лицевую часть и включает устройство нажатием на тумблер, расположенный на имитирующем корпусе СИЗОД.
2
2
При вдохе газовая смесь поступает из атмосферы через патрубок в котором расположен расходомер 4 и клапан 5 вдоха, в блок 1 имитации СО, где смешивается с образовавшимся СО при выдохе, через сопло 3, создающее сопротивление идентичное СИЗОД, и присоединение 2 к лицевой части СИЗОД.  Микроконтроллер измерительного блока 7 осуществляет расчет объема поступившего при вдохе воздуха, осуществляя запись данной информации, с возможностью дальнейшей передачи.
2
2
2
2
2
При выдохе образовавшаяся газовая воздушная смесь (далее - ГВС) через присоединение 2 к лицевой части СИЗОД и сопло 3, создающее сопротивление идентичное СИЗОД, поступает в блок 1 имитации СО, где от избыточного давления открывается клапан 6 выдоха, при этом при достижении нормального значения давления клапан 6 выдоха закрывается, оставляя в блоке 1 имитации СО определенный объем СО, который составляет концентрацию СО,поступающую на следующей фазе дыхания на вдох. Значение концентрации СОна вдохе при работе в тренажере идентично значению концентрации поступающей на вдох при работе в реальном СИЗОД. Клапан 6 выдоха направляет газовую воздушную смесь в дыхательный мешок СИЗОД, оснащенного клапаном избыточного давления.
Микроконтроллер блока измерения 7 представляет собой вычислительный блок, отвечающий за сбор, хранение и обработку входной информации, поступающей от расходомера и иных совместимых датчиков и блоков, осуществляет сбор, обработку и передачу данных. Информация, получаемая от расходомера, преобразуется в цифровой код.
С помощью встроенного датчика беспроводной передачи информации полученные и обработанные данные микроконтроллером могут передаваться, для целей отображения, анализа и обработки информации в любой форме, в том числе, но не ограничиваясь, на смартфон, умные часы, ЭВМ (компьютер или иное устройство).
Питание микроконтроллера, расходомера, блока синхронизации данных и блока беспроводной передачи информации блока 7 измерения осуществляется блоком питания, включение и выключение которого осуществляется тумблером, расположенным на имитирующем корпусе.
2
Блок 1 имитации СО, сопло 3 присоединенное к лицевой части СИЗОД, обратный клапан 6 выдоха, обратный клапан 5 вдоха, соединенный в трубопроводе с расходомером 4 герметично соединены.
2
Имитирующий корпус, в котором размещается блок имитации СОтренажера может быть дополнительно оснащен балластом (балластный вес), который в свою очередь создаст имитацию веса идентичного СИЗОД.
2
На линии вдоха/выдоха в лицевой части СИЗОД, либо иного его воплощения (например гофротрубка с загубником), герметично присоединяется блок 1 имитации СО через сопло 3, присоединение 2 к лицевой части СИЗОД. Клапан 6 выдоха установленный таким образом, чтобы открываться при избыточном давлении выпускает ГВС, в частном исполнении клапан 6 выдоха выпускает ГВС в дыхательный мешок, снабженный клапаном избыточного давления. Клапан 5 вдоха установленный таким образом, чтобы открываться при вакуумметрическом давлении, спровоцированным вдохом пользователя, осуществляет забор воздуха из окружающей среды, при этом расходомером 4 осуществляется измерение объема поступившего из окружающей среды воздуха.
Измерительный блок включает в себя микроконтроллер, блок беспроводной передачи информации, блок питания, блок синхронизации данных.
Сопло 3 создает имитацию сопротивления идентичного СИЗОД за счет калибровки проходного сечения отверстия.
В ходе тренировки микроконтроллер принимает и обрабатывает сигналы, полученные от датчиков, включая но не ограничиваясь, расходомер и иные датчики, например пульсометр, датчик артериального давления, шагомер и иные вариации, совместимые с возможностями приема информации блока 7 измерения, и отправляет их посредством блока беспроводной передачи информации, который оснащен специальным модулем приема и передачи информации. На случай потери радиосвязи микроконтроллер оснащен электронным буфером памяти, способным сохранить данные автономной работы.
Блок беспроводной передачи информации блока 7 измерения, может представлять собой, например: WLAN/Wi-Fi модуль, Bluetooth модуль, BLE модуль, NFC модуль, IrDa, RFID модуль и т.п. С помощью блока беспроводной передачи информации, функционально сопрягаемого с соответствующими устройствами тренажера и например, но не ограничиваясь компьютера, смартфона, умных часов, обеспечивается организация обмена данными по беспроводному каналу передачи данных, например, WAN, PAN, ЛВС (LAN), WLAN, WMAN.
На основании полученных и обработанных данных микроконтроллер формирует и передает посредством блока связи с компьютером информацию, например, но не ограничиваясь на компьютер с установленным ПО, где возможно провести анализ полученных данных, а также осуществить хранение и дальнейшую передачу полученной информации.
2
Таким образом, вышеописанным устройством подтверждается возможность имитации сопротивления дыханию при помощи сопла, и концентрации СО при помощи расчетного остаточного объема,  условиям дыхания в СИЗОД, а также позволяющее измерять, записывать, хранить и передавать информацию о физиологических параметрах пользователя, полученных в ходе тренировки, при помощи расходомера и блока измерения, а также наличия возможности измерения иных параметров.