模拟400 m氢氧潜水动物试验加压舱系统的研制

于峰涛，顾秀良，翁永斌，缪巍巍，何 冰，王 凯，肖卫兵，李 峻，陆晓明，马学刚

众所周知，较大深度饱和潜水，一般采用氦氧混合气作为潜水呼吸气。由于氦气资源少，成本高，导致较大深度饱和潜水作业成本较高，所以各国都在探索以氢氧混合气替代氦氧混合气的方法。法国模拟氢氧潜水人体实验的深度已达701 m，我国海军医学研究所在20世纪90年代，开始了这类研究。氢气的化学性质比较活泼，与氧气混合达到一定的比例时，就会产生剧烈的爆炸。氢氧混合气的这种特殊性，对加压舱的要求更高、更特殊。研制本加压舱系统的目的是控制舱内环境参数，确保模拟氢氧潜水动物试验的顺利进行，提高动物的存活率。经过认真研究国家、行业安全用氢规定，并经过反复进行安全性能论证后，本研究小组研制出了这套用于动物实验的模拟400 m氢氧介质加压舱系统。

1 系统组成

本加压舱系统主要由舱体、加压、减压、环境参数控制、环境参数采集和监视等部分组成，见图1。环境参数的控制部分主要用来控制舱内温湿度、二氧化碳浓度等参数。环境参数采集部分的功能是实时采集、分析、显示和记录舱内压力、温度、氧浓度等参数。监视系统用来显示加压和减压时，内舱和外舱之间的压差状态，以便于阀门控制，并显示、记录整个试验过程的动物活动情况。

1.1 舱体 舱体由外舱和内舱构成。(1)外舱为一单门的耐压壳体，壳体上安装有通舱生物电接线柱、舱内用电器接线柱、气路通舱管件、水路通舱管件和照明设备等。用于建立压力。(2)内舱为一密闭的非耐压有机玻璃舱体，用于隔离外舱和内舱，是试验时动物活动区。内舱上装有热交换管道，在此管道中安装有微型风扇和二氧化碳吸收装置。内舱壁安装生物电通舱接线柱。微型风扇的电磁辐射通过屏蔽装置和通舱接线柱接地。见图1。

图1 系统结构图

图2 舱体结构图

1.2 加压和减压系统 加减压系统主要由以下几部分组成:氮气汇流排、混合气汇流排、加减压缓冲器、气体采样减压器、采样流量计、减压管路隔离水池、气源压力表、舱压压力表、阀门、氮气管路和混合气管路等。氮气管路或混合气管路有耐压管路(舱外部分)和非耐压软管路(舱内部分)之分。见图2。加减压原理如下:加压时，同步打开氮气加压阀和混合气加压阀，并根据加减压缓冲器的充盈程度调整阀门的开度。氮气进入内舱以外的外舱空间，降低外舱空间氧浓度。混合气进入内舱，供动物呼吸。氢氧混合气与氮氧混合气相互转换前，更换混合气气瓶。转换时，同步打开混合气加压阀和减压阀，并根据加减压缓冲器的充盈程度调整阀门开度。减压时，同步打开氮气减压阀和混合气减压阀，并调节阀门开度。试验过程中，外舱和内舱气体组份的监测，通过采样减压器、采样流量计和气体分析仪实现。

1.3 环境控制系统 环境控制系统由温控仪、空调器、电热元件、热水箱、冷水箱、水泵、热交换器和控制电路等部分组成，见图3。运行原理如下:将水箱注满水，分别设定冷水箱、热水箱和舱内温度控制仪的控制温度，启动系统，使冷水箱温度基本恒定在20℃，热水箱温度基本恒定在60℃。当舱内温度低于预设值时，温控仪发出信号，打开电磁阀A，关闭电磁阀B。当舱内温度高于预设值时，温控仪发出信号，使两电磁阀的开关状态进行转换，实现舱内温度的控制。电气控制原理见图4。温度的控制精度:室温在20～33℃，舱内预设温度31℃时，控制精度为±0.5℃。内舱二氧化碳的吸收由二氧化碳吸收装置完成。

图3 环控系统管路图

图4 环控系统电气控制图

1.4 环境参数采集、记录和显示 本加压舱系统采用智能化设备进行环境参数的采集、显示和记录。其主要目的是实时显示和记录舱内压力、温度、氧浓度等关键参数，供试验人员监视、决策，以及为试验结果的分析提供依据。其硬件主要由以下元件组成:传感器、信号放大器、AD转换卡、通信接口、计算机和信号线等，见图5。

来自各传感器的信号，经过信号放大器放大后，进行AD转换，再经过通信接口送入计算机。采集的数据应用软件调用，进行分析、储存和输出，显示器便可显示形象、直观的参数变化曲线。

图5 数据采集记录原理图

1.5 监视 监视部分由舱内摄像头、监视器、视频采集卡、计算机和视频线等组成，主要用于监视内舱和外舱在加减压时的压差状态，以及记录动物在舱内的活动情况。

2 动物试验结果

经过12次动物试验使用，其中2次400 m，其余200 m，验证了本动物试验舱设备系统安全可靠、运行稳定。经加压试验的50只大、小白鼠出舱7 d后，成活率达100%。

舱内压力、温度、氢浓度、氧浓度等参数的实时检测曲线见图6。

图6 动物实验各参数实时监测曲线

3 讨论

目前，氮氧混合气与氢氧混合气之间相互转换和加压、减压都是通过手动控制加减压阀门实现的，在操作上不够方便，导致混合气转换时间和加压、减压速度都有一定误差。所以在混合气相互转换和加压、减压的自动控制方面有待于进一步改进和完善。