CC BY
124
УДК 681.518.3:626.025.5
Н. Д. Куркурин Астраханский государственный технический университет
СТРУКТУРА СИСТЕМЫ И АЛГОРИТМЫ КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ В ВОДОЛАЗНЫХ БАРОКАМЕРАХ
Введение
В настоящее время в России и за рубежом ведутся интенсивные работы по созданию способов и технических средств для непосредственного проникновения человека на большие глубины [1]. Основными причинами интенсификации работ являются: промышленное освоение шельфов морей и океанов и связанные с этим подводно-технические работы водолазов; увеличившиеся в последнее время глубины погружения подводных лодок и связанные с этим задачи поисково-спасательных служб; бурное развитие дайвинга и подводных клубов и связанное с этим увеличение случаев декомпрессионных расстройств и заболеваний водолазов.
Для дыхания водолаза используются искусственные дыхательные газовые смеси. Состав газовой смеси отличается от глубины к глубине. Обычно это Nitrox (азот/кислород, применяется на глубине до 40 м), Heliox (гелий/кислород, применяется на глубине от 30 до 600 м) или Trimix (кислород-азот-гелий, применяется на глубине свыше 300 м) [2].
На организм водолаза действует комплекс факторов, связанных с изменением давления дыхательной газовой среды:
- перепады давления дыхательной газовой среды;
- повышенное парциальное давление кислорода и индифферентных газов;
- повышенная плотность дыхательной газовой среды.
Воздействие этих факторов в случаях превышения их допустимых значений может приводить к заболеваниям и баротравмам водолазов.
Кроме того, к опасным заболеваниям, травматизму и угрозе жизни водолазов приводят как превышение скорости спуска (повышение давления дыхательной газовой среды, или компрессия), так и превышение скорости подъема (снижение давления дыхательной газовой среды, или декомпрессия).
Экспериментальные медико-физиологические исследования по длительному пребыванию человека в условиях повышенного давления с использованием искусственных дыхательных смесей проводятся в гипербарических обитаемых системах, представляющих собой судовые глубоководные водолазные комплексы и наземные (береговые) гипербарические барокамеры-имитаторы [3]. Основные цели экспериментов - исследование предельных глубин погружения и получение безопасного состава и динамики дыхательных газовых смесей на различных глубинах погружения и подъема. Экспериментальные данные: избыточное давление, скорость изменения давления, состав дыхательной газовой среды, ее температура и влажность - составляют параметры микроклимата водолазной барокамеры, в которой производится имитация длительных погружений водолазов на глубину от 300 м и ниже при общей длительности эксперимента от 15 суток и более.
Требования к точности контроля давления и скорости его изменения
С увеличением глубины погружения и времени пребывания на заданной глубине повышаются требования к контролю давления газовой смеси для дыхания водолазов. Результаты исследований [4] показывают, что абсолютная погрешность контроля давления не должна превышать 10 кПа, что соответствует глубине погружения » 1 м. Скорость компрессии изменяется в диапазоне 0,05... 100 м/мин. Скорость декомпрессии изменяется в меньших пределах и составляет 0,083...27 м/мин. Таким образом, отношение максимально возможной скорости изменения давления к минимальной скорости превышает 12 000. Глубина погружения более 300 м сужает зоны допустимых концентраций составляющих газовой дыхательной среды, зоны комфорта водолаза, зоны парциальных давлений индифферентных газов. Чем больше глубина погружения водолаза и время его пребывания на заданной глубине, тем больше общее время декомпрессии.
Это означает, что скорость декомпрессии может быть слишком мала в сравнении со скоростью компрессии. Требования к точности контроля скорости изменения давления возрастают с уменьшением скорости. С увеличением предельной глубины погружения управление барокамерой человеком-оператором становится очень сложным. Наиболее сложным процессом управления является перевод системы жизнеобеспечения с одного режима на другой, т. е. ступенчатые изменения скорости компрессии и декомпрессии с соответствующими изменениями состава дыхательной газовой среды.
Обоснование разработки информационно-измерительной системы
Одной из задач управления водолазными работами и экспериментами по изучению динамики дыхательных газовых смесей является уменьшение продолжительности спусков за счет сокращения времени на компрессию и декомпрессию, т. е. за счет повышения скорости изменения давления при заданном составе смеси.
В настоящее время в абсолютном большинстве случаев используются таблицы компрессии и декомпрессии со ступенчатым спуском и подъемом (количество таблиц декомпрессии, как наиболее опасного и ответственного режима для здоровья и жизни человека, исчисляется несколькими тысячами). Исследования последних лет показывают, что существующие режимы ступенчатой декомпрессии оказываются более продолжительными, чем режимы с плавным экспоненциальным уменьшением давления (бесступенчатые режимы декомпрессии). Широкое применение бесступенчатых режимов компрессии и декомпрессии сдерживается, во-первых, отсутствием приборов для измерения скорости компрессии/декомпрессии, соответствующих указанным выше требованиям к точности; во-вторых, отсутствием интерфейса для подключения к персональному компьютеру.
Повышение эффективности научных исследований, задачи сбора и хранения уникальной экспериментальной информации за продолжительный период, а также обработка и оперативное отображение параметров микроклимата обусловливают создание средств непрерывного контроля давления и скорости его изменения. Оптимальное управление барокамерой возможно осуществить на базе средств управляющей вычислительной техники с использованием современных технологий, обеспечивающих возможность многомерного анализа данных (OLAP-технология) и интеллектуального анализа знаний (Data Mining - добыча данных).
Техническая реализация системы
Встроить современные средства контроля в эксплуатируемые барокамеры не представляется возможным по ряду причин. Основные из них: повышение риска разгерметизации барокамеры во время длительного эксперимента, а также пожаро- и взрывоопасности и в конечном итоге - снижение безопасности человека, пребывающего в экстремальных условиях [3]. Кроме того, барокамеры имеют различную конструкцию и условия эксплуатации. Для внедрения средств вычислительной техники необходима простая серийная портативная система контроля параметров гипербарической (повышенного давления) системы, которая легко подсоединялась бы к объекту исследования. Структурная схема технических средств системы измерения давления представлена на рис. 1. Основным элементом системы является измерительный блок, который представляет собой техническую модель барокамеры в виде металлического цилиндра высокого давления со встроенными в него преобразователями давления и разности давлений, а также электроклапанами для управления работой преобразователей разности давлений [5]. Измерительный блок соединяется с основной барокамерой трубопроводом через штатный отвод, а с компьютером верхнего уровня управления экспериментом (с информационноизмерительной системой) - посредством устройства сопряжения измерительного блока и компьютера. Роль устройства сопряжения выполняет модуль управления, который смонтирован снаружи цилиндра и имеет индикационную панель с микропроцессором и цифровыми индикаторами отображения значений избыточного давления и скорости компрессии/декомпрессии со световой и звуковой сигнализацией о предаварийном и (или) аварийном состоянии параметров (превышении скорости компрессии/декомпрессии заданных значений на текущем этапе эксперимента).
Рис. 1. Структурная схема технических средств системы измерения давления Способ контроля давления и скорости его изменения
С целью повышения точности измерений избыточного давления и скорости его изменения возможный диапазон изменения давления (например, соответствующий глубине погружения водолаза от 0 до 1 000 м) и диапазон изменения скорости компрессии/декомпрессии (обычно эта величина изменяется от 0,0083 до 100 м/мин) разбиваются на перекрываемые поддиапазоны. Для каждого поддиапазона измерения используются отдельные преобразователи избыточного давления и разности давлений. На рис. 2 представлен измерительный блок. Выходные сигналы
от преобразователей разности давлений П1, П2, ... П^ поступают на шину данных и затем в модуль управления измерительного блока. Управление преобразователем Пг- осуществляется по шине управления соответствующей парой электроклапанов К^и К^.
П/ П л/
Рис. 2. Измерительный блок
Код управления электроклапанами является оптимальным в текущем интервале измерений и определяется абсолютным значением давления, скоростью компрессии/декомпрессии и знаком производной. В соответствующем поддиапазоне измеряется разность давлений АР за фиксированный промежуток времени А/. Мгновенная скорость изменения давления рассчитывается по формуле
V = АР/ А = 3600 • (Р2 - Р1)/(^2 - /1), кПа/ч,
где Р1 и Р2 - значения давления, измеренные по показанию датчиков разности давлений в моменты ^ и /2 соответственно (/2 > /ь с), кПа; 3 600 - коэффициент перевода скорости, м/ч.
Требуемая точность измерения абсолютного давления и скорости его изменения в заданном диапазоне скорости компрессии и декомпрессии обеспечивается:
- применением преобразователей разности давлений, настроенных на разные поддиапазоны измерений;
- применением преобразователей избыточного давления с последовательным рядом значений максимального абсолютного давления;
- применением алгоритмов выбора оптимального поддиапазона измерения преобразователей избыточного давления и разности давлений;
- управлением работой электроклапанов.
Математическое обеспечение системы контроля включает в себя алгоритмы получения реальных статических и динамических характеристик как отдельных преобразователей, так и системы измерения в целом; алгоритмы статистической обработки результатов измерений; алгоритмы корректировки результатов измерений давления по показаниям преобразователей разности давлений.
Алгоритм управления электроклапанами
С целью повышения точности измерения избыточного давления и скорости его изменения используется алгоритм Брезенхема, разработанный в 1965 г. для цифровых графопостроителей [5]. Алгоритм Брезенхема после модификации условий и переопределения терминов предметной области в равной степени подходит и для применения в системе контроля скорости компрессии/декомпрессии. Модифицированный алгоритм Брезенхема использует ошибку измерения давления как разность между действительным избыточным давлением и верхним значением диапазона измерения преобразователя. Знак этой ошибки определяет оптимальное время переключения поддиапазонов измерения преобразователей разности давлений и преобразователей избыточного давления.
Алгоритм измерения скорости компрессии/декомпрессии представлен на рис. 3.
Рис. 3. Алгоритм измерения скорости компрессии/декомпрессии
В блоке 1 задаются начальные значения интервала измерения скорости Д!у, поддиапазона измерения ^ и кода управления электроклапанами КЭКЛ.
Блок 2 устанавливает электроклапаны в состояние, соответствующее коду управления КЭКЛ.
Через интервал Д^ в блоке 3 производится опрос преобразователей разности давлений и расчет разности давлений ДР.
В блоке 4 анализируется знак разности давлений ДР. Если ДР < 0, то в блоке 5 инвертируется код КЭКЛ, иначе в блоке 6 производится расчет скорости изменения давления Ур. В блоке 7 определяется знак скорости Ур, который информирует о текущем режиме: компрессия или де-
компрессия. В блоках 8 и 9 формируются коды соответствующих режимов. В блоке 10 проверяется условие оптимальности интервала измерения: равно ли Atv оптимальному значению Atopt? В случае невыполнения условия блока 10 в блоке 11 осуществляется изменение интервала измерения скорости Atv и переход на блок 2 для установки нового кода КЭКЛ.
В блоке 12 проверяется условие оптимальности используемого поддиапазона измерения: равен ли текущий поддиапазон di оптимальному значению dopt? В случае невыполнения условия блока 12 в блоке 13 производится выбор нового поддиапазона di, расчет нового кода управления электроклапанами КЭКЛ и затем осуществляется переход на блок 2.
Заключение
Основные режимы жизнеобеспечения водолазных барокамер характеризуются высокой степенью отношения максимальной скорости (100,0 м/мин) к минимальной (0,083 м/мин), что составляет приблизительно 12 000. Требования к точности контроля скорости изменения давления возрастают с уменьшением скорости, при этом абсолютная погрешность измерения давления не должна превышать величины, соответствующей глубине 1 м. С целью обеспечения требуемой точности измерения для глубин свыше 300 м разработана информационноизмерительная система, включающая в себя техническое, алгоритмическое и программное обеспечение. Тестовые испытания системы показали ее работоспособность и соответствие требованиям к точности контроля давления и скорости компрессии/декомпрессии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Смолин В. В., Соколов Г. М., Павлов Б. Н. Водолазные спуски и их медицинское обеспечение. - М.: Слово, 2001. - 696 с.
2. Жаров Г. Тримикс // ОКТОПУС. - 2000. - № 2 (8). - С. 114-116.
3. Барокамеры водолазные. Общие технические условия. ГОСТ Р 52264-2004. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2004. - IV, 36 с.
4. Wienke B. R. Decompression Theory // Nuclear Weapons Technology / Simulation And Computing. Los Alamos National Laboratory. - Los Alamos, N. M. 87945, 2000. - 182 p.
5. Куркурин Н. Д. Автономный измерительный блок системы управления микроклиматом обитаемых гипербарических объектов // Информационные технологии в образовании, технике и медицине: Материалы Междунар. конф. / ВолгГТУ. - Волгоград, 25-27 октября 2006 г. - С. 207-208.
Статья поступила в редакцию 11.10.2006
SYSTEM STRUCTURE AND CONTROL ALGORITHMS OF ATMOSPHERE PRESSURE IN DIVING PRESSURE CHAMBERS
N. D. Kurkurin
Requirements to the pressure control of a gas mixture necessary for divers' breath are rising with the increase in diving depth and duration of stay at a set depth. The block diagram of technical means of information-measuring system is presented in the paper. The basic element of the system is a measuring block; it is a technical model of a pressure chamber in the form of a metal cylinder of high pressure with built- in pressure converters and pressure differences, and also electrovalves to control the work of converters. Possible ranges of pressure changes and compression/decompression speeds are divided into blocked sub- ranges. Separate converters of overpressure and pressure differences are used for every sub-range of measurement. Bresenhem modified algorithm for controlling electrovalves is offered in order to increase the accuracy of overpressure measurement and its speed changes.
