模擬400 m氫氧潛水動物試驗加壓艙系統的研制

于峰濤，顧秀良，翁永斌，繆巍巍，何 冰，王 凱，肖衛兵，李 峻，陸曉明，馬學剛

眾所周知，較大深度飽和潛水，一般采用氦氧混合氣作為潛水呼吸氣。由于氦氣資源少，成本高，導致較大深度飽和潛水作業成本較高，所以各國都在探索以氫氧混合氣替代氦氧混合氣的方法。法國模擬氫氧潛水人體實驗的深度已達701 m，我國海軍醫學研究所在20世紀90年代，開始了這類研究。氫氣的化學性質比較活潑，與氧氣混合達到一定的比例時，就會產生劇烈的爆炸。氫氧混合氣的這種特殊性，對加壓艙的要求更高、更特殊。研制本加壓艙系統的目的是控制艙內環境參數，確保模擬氫氧潛水動物試驗的順利進行，提高動物的存活率。經過認真研究國家、行業安全用氫規定，并經過反復進行安全性能論證后，本研究小組研制出了這套用于動物實驗的模擬400 m氫氧介質加壓艙系統。

1 系統組成

本加壓艙系統主要由艙體、加壓、減壓、環境參數控制、環境參數采集和監視等部分組成，見圖1。環境參數的控制部分主要用來控制艙內溫濕度、二氧化碳濃度等參數。環境參數采集部分的功能是實時采集、分析、顯示和記錄艙內壓力、溫度、氧濃度等參數。監視系統用來顯示加壓和減壓時，內艙和外艙之間的壓差狀態，以便于閥門控制，并顯示、記錄整個試驗過程的動物活動情況。

1.1 艙體 艙體由外艙和內艙構成。(1)外艙為一單門的耐壓殼體，殼體上安裝有通艙生物電接線柱、艙內用電器接線柱、氣路通艙管件、水路通艙管件和照明設備等。用于建立壓力。(2)內艙為一密閉的非耐壓有機玻璃艙體，用于隔離外艙和內艙，是試驗時動物活動區。內艙上裝有熱交換管道，在此管道中安裝有微型風扇和二氧化碳吸收裝置。內艙壁安裝生物電通艙接線柱。微型風扇的電磁輻射通過屏蔽裝置和通艙接線柱接地。見圖1。

圖1 系統結構圖

圖2 艙體結構圖

1.2 加壓和減壓系統 加減壓系統主要由以下幾部分組成:氮氣匯流排、混合氣匯流排、加減壓緩沖器、氣體采樣減壓器、采樣流量計、減壓管路隔離水池、氣源壓力表、艙壓壓力表、閥門、氮氣管路和混合氣管路等。氮氣管路或混合氣管路有耐壓管路(艙外部分)和非耐壓軟管路(艙內部分)之分。見圖2。加減壓原理如下:加壓時，同步打開氮氣加壓閥和混合氣加壓閥，并根據加減壓緩沖器的充盈程度調整閥門的開度。氮氣進入內艙以外的外艙空間，降低外艙空間氧濃度?；旌蠚膺M入內艙，供動物呼吸。氫氧混合氣與氮氧混合氣相互轉換前，更換混合氣氣瓶。轉換時，同步打開混合氣加壓閥和減壓閥，并根據加減壓緩沖器的充盈程度調整閥門開度。減壓時，同步打開氮氣減壓閥和混合氣減壓閥，并調節閥門開度。試驗過程中，外艙和內艙氣體組份的監測，通過采樣減壓器、采樣流量計和氣體分析儀實現。

1.3 環境控制系統 環境控制系統由溫控儀、空調器、電熱元件、熱水箱、冷水箱、水泵、熱交換器和控制電路等部分組成，見圖3。運行原理如下:將水箱注滿水，分別設定冷水箱、熱水箱和艙內溫度控制儀的控制溫度，啟動系統，使冷水箱溫度基本恒定在20℃，熱水箱溫度基本恒定在60℃。當艙內溫度低于預設值時，溫控儀發出信號，打開電磁閥A，關閉電磁閥B。當艙內溫度高于預設值時，溫控儀發出信號，使兩電磁閥的開關狀態進行轉換，實現艙內溫度的控制。電氣控制原理見圖4。溫度的控制精度:室溫在20～33℃，艙內預設溫度31℃時，控制精度為±0.5℃。內艙二氧化碳的吸收由二氧化碳吸收裝置完成。

圖3 環控系統管路圖

圖4 環控系統電氣控制圖

1.4 環境參數采集、記錄和顯示 本加壓艙系統采用智能化設備進行環境參數的采集、顯示和記錄。其主要目的是實時顯示和記錄艙內壓力、溫度、氧濃度等關鍵參數，供試驗人員監視、決策，以及為試驗結果的分析提供依據。其硬件主要由以下元件組成:傳感器、信號放大器、AD轉換卡、通信接口、計算機和信號線等，見圖5。

來自各傳感器的信號，經過信號放大器放大后，進行AD轉換，再經過通信接口送入計算機。采集的數據應用軟件調用，進行分析、儲存和輸出，顯示器便可顯示形象、直觀的參數變化曲線。

圖5 數據采集記錄原理圖

1.5 監視 監視部分由艙內攝像頭、監視器、視頻采集卡、計算機和視頻線等組成，主要用于監視內艙和外艙在加減壓時的壓差狀態，以及記錄動物在艙內的活動情況。

2 動物試驗結果

經過12次動物試驗使用，其中2次400 m，其余200 m，驗證了本動物試驗艙設備系統安全可靠、運行穩定。經加壓試驗的50只大、小白鼠出艙7 d后，成活率達100%。

艙內壓力、溫度、氫濃度、氧濃度等參數的實時檢測曲線見圖6。

圖6 動物實驗各參數實時監測曲線

3 討論

目前，氮氧混合氣與氫氧混合氣之間相互轉換和加壓、減壓都是通過手動控制加減壓閥門實現的，在操作上不夠方便，導致混合氣轉換時間和加壓、減壓速度都有一定誤差。所以在混合氣相互轉換和加壓、減壓的自動控制方面有待于進一步改進和完善。