CC BY
21
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ И КОМПЛЕКСОВ
УДК 621.362.1:796.525.022.7
СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОГО КОМБИНЕЗОНА АЛЬПИНИСТА
Н.С. Тархов, А.П. Володин
Предложен вариант комбинезона альпиниста со встроенной автоматической терморегуляцией, обеспечивающий комфортные условия при эксплуатации.
Ключевые слова: альпинист, комбинезон, автоматическая терморегуляция, датчики температуры и потоотделения, микроконтроллер, измерительная система.
Альпинизм - вид спорта и активного отдыха, целью которого является восхождение на вершины гор. Спортивная сущность альпинизма состоит в преодолении естественных препятствий, созданных природой (высоты, рельефа, погодных условий), на пути к вершине. В спортивных соревнованиях по альпинизму объектом состязания являются высота вершины, техническая сложность пройденного маршрута, его характер и протяжённость [1].
Неотъемлемой частью экипировки альпиниста является одежда. Для того чтобы эффективно противостоять погодным условиям, при этом обеспечив максимальный комфорт, необходимо тщательно подойти к решению этой проблемы.
Существуют несколько основных требований, которым должна соответствовать одежда для альпинистов: быть легкой и не сковывать движения, должна препятствовать уходу тепла от тела человека, должна не препятствовать выведению пота из пространства между телом и одеждой.
При восхождении основными этапами, с которыми сталкивается человек, являются этапы активного восхождения, отдыха, ночёвки. При длительном восхождении такие этапы сменяют друг друга не один раз. Для каждого из этих этапов форма одежды отличается.
226
В период активного восхождения чаще всего стараются одеть более легкую одежду, согреваясь за счет тепла выделяемого при физической нагрузке. Основной задачей на таком этапе не дать организму перегреться и избежать потоотделения. Для решения этой проблемы чаще всего применяют специальные теплоотводящие карманы в одежде, для самостоятельной терморегуляции. Правильный выбор одежды, последовательность чередования слоев из различных материалов, рекомендации по защите от холода изложены в [2].
На этапе отдыха, для сохранения тепла и минимизации обмена с окружающей средой наоборот надевают более теплую одежду.
На этапе ночевки чаще всего используют спальные мешки, позволяющие поддерживать температуру постоянной на необходимый период времени.
В настоящее время для решения этих задач существуют различные комплекты одежды, которые при комбинированном ношении позволяют достигнуть допустимого уровня комфорта [3]. Но явным недостатком такого подхода к формированию комфортных условий путём подбора различной одежды является увеличение массы переносимого груза тем самым истощение организма наряду с тяжелыми погодными условиями, происходит намного быстрее.
Поэтому целесообразно разработать универсальную одежду для всех видов условий, с которыми может столкнуться альпинист.
Основные требования, которые будут предъявляться к одежде: минимальный вес, удобство, простота изготовления, небольшая цена.
При разработке приборов и устройств, относящихся к спортивной и экстремальной медицине нужно руководствоваться основными принципами медицинского приборостроения. Любая измерительная медицинская система содержит некоторые из функциональных блоков [4], показанных на рис. 1.
Управление и обратная сшпь "
Сигнал калибровки
Дисплей
Заммсчншш«« 1 УСГР°ЙСТ"° Шфе/ВЧИ
Йшплнм (иухоыи) ыпвдщи
устройство
Иълучсмис, мекгрическн» ток ил н другой аил энергии
Рис. 1. Обобщенная измерительная система
227
Элементы и связи, показанные штриховыми линиями, не существенны. Главное отличие измерительной медицинской системы от других измерительных систем состоит в том, что в первом случае источником сигнала является живая биологическая ткань или же энергия, приложенная к ткани и преобразованная происходящими в ней процессами. Для проектирования системы необходимо определить, какие зоны на теле человека наиболее подвержены охлаждению. Знания об этом позволят правильно расположить датчики и термоэлементы на теле человека, а также определить режим их работы, тем самым достигнув максимальной эффективности. При больших физических нагрузках внутренняя температура тела заметно возрастает, а температура кожных покровов наоборот падает из-за естественной терморегуляции организма путем выделения пота, что приводит к постепенному обезвоживанию организма, при этом снижая его работоспособность. Для того чтобы решить данную задачу необходимо минимизировать выделения пота путем точного поддержания температурного баланса кожных покровов. На разных участках тела человека температура разная это в первую очередь зависит от температуры внутренних органов, находящихся рядом с этими областями, а также обилие кровеносных сосудов (рис. 2), поэтому одинаковый подогрев и охлаждение всех участков тела недопустим.
Рис. 2. Разница температуры человека на разных участках тела при нормальных условиях
Из рис. 2 видно, что разница температур даже при нормальных условиях доходит до 12,5 град. Части тела, которые наиболее часто подвергаются охлаждению, - это пальцы ног, пальцы рук, щеки, лицо, уши, нос. Следовательно, датчики температуры лучше всего устанавливать в этих частях тела для скорейшей сигнализации о понижении температуры. Температура внутренних областей тела человека при обычном охлаждении кожных покровов практически не меняется. Потоотделение в области подмышечных впадин происходит практически постоянно, поэтому необходимо выбрать область, для которой потоотделение при условиях нормаль-
228
ной температуры и приемлемой нагрузки не свойственно. Такой областью можно считать живот и спину. Исходя из этого, можно сделать вывод, что расположение датчиков потоотделения именно на этих участках поможет более объективно оценивать изменения в состоянии человека. На рис. 3 показано расположение датчиков температуры и потоотделения на теле человека. Каплями показаны места соприкосновения датчиков пота с кожными покровами человека, а снежинками места соприкосновения тела с датчиками температуры.
Наиболее подходящим средством измерения температуры является термистор. Для данной системы в качестве датчиков температуры выбираем термисторы марки NTC MF52-103 10к 3950. В качестве датчиков потоотделения выбраны емкостные датчики влажности марки DHT22. Они оснащены внутренним АЦП, что позволяет снимать с них цифровой сигнал и не подключать к аналоговым портам микроконтроллера, что уменьшает его загрузку.
Помимо правильного расположения датчиков на необходимых для контроля участках тела, существует проблема воздействия на датчики окружающей среды, тем самым ухудшая точность работы системы и увеличивая ошибку измерения. Основными факторами, которые влияют на работу датчиков, являются влажность и температура. Для того чтобы максимально уменьшить воздействие этих факторов, необходимо в области их работы организовать тепло- и влагоизоляцию. Для достижения поставленной задачи необходимо выбрать материалы и способ их комбинирования и способ внедрения в систему. Для осуществления максимальной водостойкости в области работы датчиков можно применить материал Poly Taffeta 210 R/S PU 3000. Ткань изготовлена из полиэфирных волокон, что делает ее более прочной и устойчивой к действию ультрафиолета. Ткань легкая и обладает водоотталкивающими и ветронепроницаемыми свойствами. Ис-
Вид спереди
Вид сзади
Рис. 3. Места соприкосновения датчиков температуры и потоотделения с телом человека
пользование дополнительного материала для осуществления изоляции датчика необходимо потому, что для комбинезона необходимо использовать материал, который может пропускать воздух, а вместе с потоком воздуха будет изменяться температура окружающего пространства под одеждой и влажность, что может повлиять на точность считываемых параметров. Поэтому использование материала изоляционной заплатки, отличного от материала комбинезона, оправдано.
В качестве дополнительной теплоизоляции можно использовать техническую теплоизоляцию марки K-FLEX ECO. На рис. 4, а, б изображен способ размещения и изоляции датчика температуры с использованием представленных материалов. В центральной области термоизоляции 5 устанавливается датчик температуры (датчик влажности) и фиксируется.
Основными требованиями, предъявляемыми к материалу комбинезона, являются: защита от влаги, защита от продувания, прочность, легкость, иметь дышащую структуру (выводить излишки пота наружу). На рынке существует достаточно большой выбор материалов, которые удовлетворяют поставленным задачам. Но в качестве материала, который будет применяться при пошиве комбинезона, предпочтительнее использовать мембранный материал американской компании W.L. Gore & Associates Inc, изготовленный по технологии GORE-TEX. Особенность технологии GORE-TEX состоит в использовании 2-компонентной мембраны политетрафторэтилена, содержащей более 9 миллиардов микроскопических пор на квадратном дюйме. Эти поры более чем в 20000 раз меньше капли воды и при этом в 700 раз больше, чем молекула пара. Поэтому вода в жидком состоянии не может проникнуть сквозь мембрану GORE-TEX, а газообразный водяной пар (испарения человеческого тела) легко проходит через неё.
а б
Рис. 4. Способ размещения и изоляции датчика температуры с использованием представленных материалов: а - расположение влагоизоляционного слоя 2 на ткани комбинезона 1 и закрепление клеем-герметиком по периметру 3 (вид сверху); б - закрепление термоизоляции 5 на ткани комбинезона 1 с отверстием для подвода провода к датчику температуры (влажности) 6 и кожухом для провода 4, место склейки материала заплатки и ткани комбинезона 7 (вид сбоку) 230
В настоящее время для управления различными системами чаще всего применяются микроконтроллеры. Они позволяю обрабатывать большие объемы информации и одновременно контролировать множество процессов, при этом имея небольшие габариты и сравнительно не большую стоимость.
Для управления системой терморегуляции использование микроконтроллера так же позволит облегчить процесс регулирования и уменьшить массу и объем управляющей аппаратуры. При выборе микроконтроллера особое внимание необходимо уделить простоте программирования, наличию встроенного АЦП, доступность подключения к периферийным устройствам. Наиболее подходящим микроконтроллером для решения является ATmega2560, который размещен на плате Arduino. Особенность такой компоновки такова, что на плате Arduino уже есть элементы обвязки для программирования и интеграции с другими схемами и линейный стабилизатор напряжения +5 В или +3,3 В. Также микроконтроллер предварительно прошивается загрузчик BootLoader, поэтому внешний программатор не нужен. Таким образом, в комбинезоне будет размещены 4 датчика температуры и 3 датчика влажности. Такое число датчиков обеспечит сбор необходимой информации и для их подключения будет использована только одна плата Arduino. Если бы таких датчиков было больше, то возникла бы необходимость совмещения плат. Это привело бы не только к усложнению конструкции, но и увеличению объема и массы. Предлагаемая структурная схема системы автоматической терморегуляции комбинезона представлена на рис. 5.
Принцип работы системы заключается в следующем. Практически по всему объему комбинезона будут расположены гибкие элементы Пель-тье, которые будут осуществлять терморегуляцию в определенных температурных пределах независимо от температуры окружающей среды. Для того чтобы определять температуру человека в комбинезон будут вшиты датчики, которые будут контактировать с теми участками тела, которые наиболее подвержены переохлаждению.
Рис.5. Структурная схема системы автоматической терморегуляции комбинезона: ДТ - датчики температуры; ДП - датчики потоотделения; МК - микроконтроллер; ТЭ - термоэлектрический элемент; ИП- источник питания
231
Для регулировки величины напряжения будет использоваться микроконтроллер, который позволит держать температуру в необходимом диапазоне. При повышении температуры тела и появлении потоотделения сигнал с датчиков подается на микроконтроллер, при этом напряжение, которое подается на элементы Пельтье, будет уменьшаться, тем самым уменьшая выделяемую ими теплоту. Если же датчики перестали фиксировать выделение пота и началось понижение температуры, напряжение, наоборот, повышается, тем самым увеличивая теплоту, производимую элементами.
Предлагаемая система с расширенными функциональными возможностями (при добавлении датчиков определения других физиологических параметров: артериального давления, частоты дыхания, ЭКГ и пр.) может быть успешно использована в спортивной медицине, которая изучает положительные и отрицательные влияния различных степеней физической нагрузки на организм с целью определения оптимальной степени физической активности для улучшения и укрепления здоровья, повышения уровня функционального состояния, роста спортивных достижений [5] для увеличения статистических данных, в частности, альпинистов и совершенствования методов врачебных наблюдений.
Список литературы
1. Википедия: свободная энциклопедия [Электронный ресурс] // [сайт]. [2000]. URL: http://ru.wikipedia.org (дата обращения: 12.03.2015).
2. Фефилова Л.К. Безопасность жизнедеятельности и медицина катастроф: учебник. М.: ОАО «Издательство «Медицина», 2005. 416с.
3. 33 модели комбинезонов для outdoor [Электронный ресурс] // [сайт]. [2000]. URL: http://risk.ru/blog/203658 (дата обращения: 1.08.2016).
4. Медицинские приборы: разработка и применение. М.: Медицинская книга, 2004. 720 с.
5. Спортивная медицина: учеб. пособие / под ред. В. А. Епифанова. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2006. 336 с.
Тархов Николай Сергеевич, канд. техн. наук, доц., t-ni@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Володин Антон Павлович, студент, volodinka8796@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE SYSTEM OF A UTOMA TIC THERMOREGULA TION FOR PROSPECTIVE JUMPSUIT CLIMBER
N.S. Tarhov, А .P. Volodin
The article suggests a version of the jumpsuit climber with built-in automatic temperature control, creating comfortable conditions during operation.
Key words: climber, overalls, automatic temperature control, temperature sensors and perspiration, microcontroller, measurement system.
232
Tarhov Nikolay Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, t-niarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Volodin Anton Pavlovich, student, volodinka8 796@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 615.47
ЛАЗЕРНЫЙ ДВУХВОЛНОВОЙ ХИРУРГИЧЕСКИЙ АППАРАТ
Н.С. Тархов, Е.А. Давыдова
Предложен вариант лазерного медицинского двухволнового аппарата.
Ключевые слова: лазерное излучение, хирургический аппарат, диодные лазеры, рассечение биотканей, коагуляция.
Использование мощных лазерных диодов при создании лазерных хирургических и терапевтических аппаратов позволило обеспечить существенные преимущества по сравнению с традиционными твердотельными лазерными излучателями. В настоящее время выпускается широкий спектр лазерных хирургических аппаратов на основе мощных лазерных диодов с непрерывным и импульсным режимами излучения с модуляцией и без мо-дуляции[1,2]. В этих аппаратах для лечения различных заболеваний используется, как правило, только одна фиксированная длина волны. В то же время хорошо известно, что оптические свойства биотканей в ближней ИК-области существенно отличаются для различных длин волн. Поэтому аппараты с фиксированной длиной волны имеют ограниченную область применения, оптимальную для конкретной длины волны. В связи с этим возникает задача объединить в одном аппарате преимущества излучения той или иной длины волны при воздействии на биоткань.
Создание такого прибора позволит за счёт комплексирования излучения различных длин волн подбирать оптимальные режимы излучения (длины волн, соотношение мощностей излучения различных длин волн, времени воздействия каждого лазерного пучка), обеспечивающие или режущие свойства аппарата на оперируемой биоткани или коагулирующие свойства или максимальное сочетание режуще-коагулирующих свойств.
В связи с появлением в последнее время новых лазерных диодов, позволяющих работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах излучения, представляет интерес разработка нового медицинского аппарата, в котором бы не только комплексировалось излучение нескольких длин волн, но и обеспечивалось два режима излучения этих лазерных диодов: непрерывный и импульсный. Это позволит улучшить эффект лечения за счет использования одного и того же лазерного аппарата при хирургиче-
233
