Особенности применения акустического спирометра в составе горноспасательной аппаратуры

Особенности применения акустического спирометра в составе горноспасательной аппаратуры защиты дыхания

Применение акустического способа измерения расхода к дыхательным процессам позволяет создавать новые средства контроля расхода пульсирующих потоков в дыхательной аппаратуре и средствах для её испытания и отладки. Отсутствие вращающихся частей, бесконтактное осуществление измерений – все это позволяет преобразователям производить измерения, не нарушая контролируемый поток [1].

Во время проведения горноспасательных мероприятий рабочими и спасателями активно используются средства индивидуальной защиты органов дыхания. Состав воздуха во время конкретной чрезвычайной ситуации может быть абсолютно любым, а так же может быть существенно повышена его температура.

В зависимости от принципа работы, средства индивидуальной защиты органов дыхания подразделяются на два основных класса: фильтрующие и изолирующие.

В фильтрующих средствах защиты органов дыхания наружный воздух, содержащий вредные вещества, очищается от них, а затем поступает к органам дыхания. Выдыхаемый воздух удаляется наружу.

Фильтрующие средства защиты органов дыхания наиболее просты, надежны и не ограничивают работающего в свободе передвижения. Но условия их применения ограничены.

Изолирующие средства защиты полностью изолируют органы дыхания от окружающего воздуха и, следовательно, обеспечивают нормальное дыхание практически независимо от содержания в окружающей атмосфере кислорода и вредных веществ [2].

В табл. 1 приведены модели основных изолирующих респираторов.

Таблица 1.

Модели изолирующих респираторов

№	Принцип действия	Модели
1	На сжатом кислороде	Р-12, Р-12М, Р-30, Р-33
2	На химически связанном кислороде	ШРС-2

Схема работы каждого из респираторов, представленных в табл. 1 подробно описана в [2]. В зависимости от интенсивности производимых горнорабочим (спасателем) нагрузок время работы респиратора может быть различным. В табл. 2 представлена техническая характеристика ШРС-2 [2].

Таблица 2.

Техническая характеристика ШРС-2

№	Характеристика	Значение
1	Время защитного действия, мин, не менее: -    при выполнении работы средней тяжести; -    при выходе из аварийного участка на свежий вентиляционный поток	120 90
2	Габаритные размеры, мм:	286 х 216 х 130
3	Масса, кг:	5,5

Наличие зависимости времени работы респиратора от нагрузок горнорабочего (спасателя) обуславливает необходимость контроля над параметрами дыхания последнего. Точная информация о частоте дыхания, об объеме вдыхаемого (выдыхаемого) воздуха позволит оперативно отслеживать оставшееся время работы респиратора в текущих условиях при существующей нагрузке на органы дыхания и тем самым повысит эффективность и безопасность использования респираторов.

Из вышесказанного можно сделать вывод о целесообразности применения акустического спирометра в составе аппаратов защиты дыхания изолирующего типа.

При этом необходимо учесть, что автором не ставится задача разработки нового схемотехнического решения на базе уже имеющихся стандартных моделей респираторов (таблица 1), а лишь исследуется сама возможность использования акустического спирометра в составе аппаратов защиты дыхания изолирующего типа с точки зрения безопасности.

Нужно понимать, что для использования спирометра в составе респираторов он должен быть видоизменен. Независимо от того как именно он будет выглядеть, его структурно можно представить в виде нескольких функциональных блоков:

• 1)    Спирометрический канал с пьезокерамическими электроакустическими преобразователями (рис. 1).

• 2)    Блок микроэлектроники.

• 3)    Внутренний источник питания.

Рис. 1. Спирометрический канал.

Совокупность блоков 1-3 будем называть спирометрическим модулем для респираторов.

Для того чтобы спирометрический модуль можно было использовать в составе аппаратов защиты дыхания, он должен соответствовать требованиям, предъявляемым к рудничному оборудования группы I.

Рудничное оборудование группы I - рудничное взрывозащищенное электрооборудование, предназначенное для применения в подземных выработках шахт, рудников и в их наземных строениях, опасных по рудничному газу и/или горючей пыли [3].

Рассмотрим возможность использования спирометрического модуля по двум критериям безопасности [4]:

• -    статическая электризация;

• -    искробезопасность пьезокерамических колец.

Статическая электризация

При взаимодействии поверхностей различных объектов происходит обмен зарядами, и электроны с одного объекта перемещаются на другой. При этом на одном из объектов образуется избыток зарядов одного знака, а на другом – недостаток, и между ними образуется электрическое поле. Если хотя бы один из этих объектов обладает большим сопротивлением (т.е. является диэлектриком), то при разделении этих поверхностей может произойти разряд. Объясняется это тем, что при быстром удалении объектов друг от друга носители зарядов не успевают вернуться назад. Заметим, что такое наблюдается только лишь у материалов с большим удельным сопротивлением, т.к. у проводников, имеющих большое количество свободных электронов, обмен зарядами происходит практически мгновенно и статической электризации не происходит [5].

Явления, связанные с электризацией, ставят много различных производственных и технологических проблем. Разряды, вызванные статической электризацией, могут приводить к серьезным нарушениям. Условия, приводящие к взрыву, схематически показаны на рис. 2, а их последствия – в табл. 3.

Рис. 2. Условия, приводящие к взрыву.

Таблица 3.

Последствия электростатических явлений и их конкретные формы [3]

Последствия электростатических явлений	Конкретные формы
Нарушения, вызываемые искрой	Порча электронных элементов и повреждение чувствительных материалов
Опасность,   вызываемая   электризацией твердых и жидких материалов	Пожар или взрыв

При контакте человека с прибором, на котором образуются электростатические заряды, может возникнуть разряд, который помимо неприятного воздействия на человека может воспламенить окружающую его атмосферу.

На данный момент требования, предъявляемые к статической электроискробезопасности, зафиксированы в ГОСТ Р 52274-2004 и ГОСТ Р 51330.0-99. Последний из них, разработанный в России негосударственным фондом «Межотраслевой орган сертификации «Сертиум» является и международным (МЭК 60079-0-98). Основным требованием для рудничного оборудования группы I, согласно пункту 7.3 «Электростатические заряды на оболочках из пластических материалов и их частях», является непревышение удельным сопротивлением оборудования величины 109 Ом [1].

Это требование должно удовлетворяться путем выбора материала с сопротивлением изоляции, измеренным в соответствии с методом, приведенным в этом же документе, не более 109 Ом при температуре (23 ± 2) °С и относительной влажности (50 ± 5) %.

Если в качестве оболочки для спирометрического модуля выбрать металл, удельное сопротивление которого много меньше величины 109 Ом, то на ней, согласно п. 7.3 ГОСТ Р 51330.0-99, накопление статических зарядов в опасном количестве невозможно. Однако в спирометрическом канале присутствуют два неметаллических объекта – пьезокерамические кольца (рис. 3), которые при взаимодействии с газовоздушным потоком (трение о воздух) могут накапливать статические заряды.

Рис. 3. Пьезокерамический цилиндр ЦТС-19, Ag.

Рассмотрим конструкцию колец более подробно. Для увеличения проводимости их поверхность покрыта тонким слоем серебра. Т.е. та часть кольца, которая может входить в контакт с газовоздушным потоком, и накапливать электростатические заряды, покрывается проводником с удельным сопротивлением 16∙10-9 (Ом∙м) [5]. Это обстоятельство предотвращает возможность возникновения электростатических разрядов.

Следовательно, образование опасных электростатических разрядов на спирометрическом модуле невозможно потому что:

• -    корпус прибора выполнен из металла, низкое сопротивление которого препятствует возникновению разряда при разделении двух поверхностей (рука человека – корпус);

• -    пьезокерамические кольца спирометрического канала покрыты слоем проводника с низким удельным сопротивлением - серебра, что исключает возможность образования статических разрядов при взаимодействии с воздушным потоком;

Искробезопасность пьезокерамических колец

Другой вид опасности связан с самим принципом действия пьезокерамического кольца.

Как известно, при механическом давлении на пьезокерамику на её гранях образуется разность напряжений, пропорциональная механическому воздействию (прямой пьезоэффект). Из-за этой особенности использование приборов на основе пьезоэлементов в шахтах и горных выработках теоретически может привести к возникновению искры, возгоранию или взрыву вследствие падения такого прибора или удара его о твердую поверхность.

Испытание электрооборудования, содержащего пьезоэлектрические устройства производят согласно ГОСТ Р 51330.10-99, часть 2, п. 10.11.

Измеряют емкость устройства и напряжение, возникающее в нем, когда доступную при эксплуатации часть оборудования испытывают ударом, характеризующимися параметрами, приведенными в графе «Высокая» таблицы 2 ГОСТ Р 51330 при нормальных условиях с использованием испытательного оборудования (приложение D ГОСТ Р 51330.0). Принимается более высокое значение напряжений из двух испытаний на одном образце [6].

Энергия, накопленная емкостью кристалла при максимальном измеренном напряжении, не должна превышать в мкДж, для электрооборудования:

- группы I …

• -    подгруппы IIA … 950

• -    подгруппы IIB … 250

• -    подгруппы IIC … 50.

Энергия, выделяющаяся при ударе E , рассчитывается по формуле: cU ²

^E          , где (1)

c – электрическая ёмкость пьезоэлектрического устройства,

U – напряжение, выделившееся при ударе на пьезоэлектрическом устройстве.

Результаты испытаний на ударную прочность приведены в табл. 4.

Эксперимент проводился в испытательной лаборатории взрывозащищенного и рудничного оборудования НФ «Межотраслевой орган по сертификации» Сертиум» расположенной в пос. Быково, Московская область, совместно с заведующим этой лабораторией Беловым Сергеем Александровичем.

Измеренная ёмкость одного пьезокерамического кольца с помощь R-L-C метра составила – 4 мкФ.

Испытуемый образец ставится под ударную установку (рис. 5) и зажимается фиксатором, чтобы при ударе бойка не сдвинуться с места (рис. 6).

Провода подсоединяются к цифровому осциллографу, находящемуся в режиме записи (рис. 7), боек поднимается до отметки, соответствующей энергии удара 20 Дж. После этого по показаниям осциллографа выбирается максимальное напряжение, которое соответствует пику кривой осциллографа при ударе бойком.

Таблица 4.

Испытания на ударную прочность

Вид электрооборудования	Группа электрооборудования
	I		II
	Опасность механических повреждений
	Высокая	Низкая	Высокая	Низкая
	Энергия удара, Е , Дж
а) Решетки защитные, крышки защитные, кожухи вентиляторов, кабельные вводы	20	7	7	4
b) Пластиковые оболочки
c) Оболочки из легких металлов и литого металла
d)   Оболочки   из   материала,   не оговоренного в перечислении с) с толщиной стенки: -    менее 3 мм -    менее 1 мм	20 -	7 -	- 7	- 4
e)   Светопропуксающие   части   без защитной решетки	7	4	4	2
f) Светопропускающие части с защитной решеткой (испытания без решетки)	4	2	2	1

Испытуемый образец изображен на рис. 4.

Рис. 4. Спирометрический канал с проводами, подсоединенными к пьезокерамическим кольцам.

Рис. 5. Ударная установка.

Рис. 6. Испытуемый образец, подсоединенный к осциллографу, под ударной установкой.

Рис. 7. Используемый в эксперименте электрический цифровой осциллограф.

Результаты этого испытания приведены в табл. 5.

Таблица 5.

Итоговая таблица эксперимента.

№ Напряжение, В.	Энергия, выделенная при ударе, 2 Ёмкость, мкФ.                    c U мкДж ( E       ).
1              187 2            169	69,94 4                          57,12

Из двух опытов, согласно требованиям ГОСТа, выбираем большее значение напряжения – 187 В. Как видно, полученное значение энергии, выделившейся при ударе, много меньше 1500 мкДж, предусмотренных п. 10.11 ГОСТ Р 51330.10-99 «Часть 2». Следовательно, энергии, которая может выделиться от пьезокерамических колец при ударе, недостаточно для воспламенения агрессивной среды шахты, и по этому критерию спирометрический модуль тоже является безопасным.

Выводы

В результате работы было установлено:

• 1.    Использование    спирометрического    модуля    повышает

• 2.    Использование металлических материалов при конструировании спирометрического канала препятствует возникновению разряда при разделении двух поверхностей.

• 3.    Пьезокерамические       электроакустические       цилиндры

• 4.    Энергия искры, выделяющаяся при механическом воздействии на спирометрический канал (давление), меньше предельно допустимой по ГОСТ Р 51330.10-99 часть 2.

эффективность и безопасность применения аппаратов защиты дыхания.

спирометрического канала акустического спирометра покрыты слоем металла с низким удельным сопротивлением - серебра, что исключает возможность образования статических разрядов при взаимодействии с воздушным потоком;

На основании полученных экспериментальных данных можно утверждать о возможности использования спирометрического модуля в составе аппаратуры защиты дыхания изолирующего типа.