氧舱压力调节系统压力质量检测研究

　　摘要：氧舱压力调节系统为舱内加压及舱内人员呼吸提供工作介质，该压力介质的品质质量即关系氧舱设备安全，又影响舱内呼吸气体环境。本文研究探讨了一种对氧舱压力介质质量的检测理论及方法，可供相关人员参考。

　　关键词：氧舱；压力介质；研究

　　1概述

　　氧舱是进行高压氧治疗的物质基础，氧舱的发展与高压氧医学的发展密切相关。高压氧医学是从潜水医学发展而来的，在我国的发展十分迅速。经过50余年的实践，业已成为现代医学中一门重要的学科，其应用范围涉及临床各科缺血、缺氧性疾病的抢救和治疗，尤其是在治疗减压病、肺气压伤、气栓症、一氧化碳中毒、厌氧菌感染等疾病中具有独特疗效。目前，我国大多数医疗机构均设有高压氧相关科室，我国的氧舱设备也已遍及全国各省（区市）县级以上医院，全国氧舱数量也已超过世界各国氧舱数量之总和。从“十一五”以来，国家对医疗器械的发展作出规划，“十二五”国家将把医疗器械纳入战略发展内，在“十三五”开始之初，国家就先后制定了《国家创新驱动发展战略纲要》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》、《“十三五”国家科技创新规划》、《“健康中国2030”规划纲要》、《中国制造2025》以及《关于促进医药产业健康发展的指导意见》等纲领性文件，极大地促进与推动了氧舱的应用。氧舱作为一种专门用于人员在其内部高气压环境中开展相关作业、科研或进行疾病治疗的载人压力容器，人员进入封闭舱内并呼吸舱内空间气体，氧舱压力介质质量就应符合生命保障系统所需具备的要求。氧舱压力介质来源于压力调节系统，而该系统空压机吸入气体质量不佳、供气管路及其附件不洁净等都会污染压力介质，污染物程度超过一定范围，就可能会对人体产生不良影响。因此在2016年实施的TSG24-2015《氧舱安全技术监察规程》中对氧舱压力调节系统压力介质的碳氢化合物、水、颗粒物和气味的质量要求做出了明确规定，且规定了压力介质质量由使用单位对其开展日常检查，由检验机构在定期检验时对其进行查验。目前对压力介质质量的检测是分别检测单一指标参数值，然后进行分析判断，特别是对碳氢化合物的检测，基本上是通过对气体采样后，进行实验室检测，流程较为复杂，不便于在现场操作，而且不同品种的气体质量检测设备使用方法各不相同，设备接口也不具备通用性。目前国内氧舱近7000余台，全国各地用户及检验机构对压力介质质量检测需求极大。本文结合《氧舱规程》及相关压缩空气成分检测标准中的相关要求探讨氧舱压力调节系统压力介质质量检测所需要研究的要点。

　　2研究重点

　　2.1检测方法的研究

　　氧舱压力调节系统压力介质质量检测的一项研究重点是设计出能测定氧舱压力调节系统压力介质所含碳氢化合物、水及颗粒物含量的检测方法。针对该项研究重点，其主要研究内容主要包括检测元件的设计、电控部分的设计、软件设计三个方面：（1）检测元件的设计根据研制目标，检测元件需按照相关国标中的要求，选择采用光离子传感器加检油盒联合检测碳氢化合物含量、颗粒物激光分选测试法检测颗粒物含量及露点传感器检测含水量并将其集成。通过对采样气进行压力、流量及采样时间的调节满足所采用的监测传感元器件的需求，保障测量的准确性及精确度。（2）电控部分的设计整体电控设计包括露点采集处理模块，碳氢化合物采集处理模块，粒子计数器采集处理模块。主控芯片完成对各模块的整体控制。各个模块主要通过通讯模块与主控芯片通讯，协同完成数据的采集、处理、上传、运算、反馈计收稿日期：2021­4­28算等功能，实现完整的数据处理流程。（3）软件设计软件设计主要包括界面层、逻辑层、驱动层三个部分，其中界面层主要是为用户提供人机交互界面，响应用户操作，逻辑层主要为中间业务层，对界面层操作进行响应并做出相应动作，对设备层中采集回来的数据进行整理，并利用关键算法对其进行分析计算，保存文件的读写及输入输出。驱动层模块需直接控件设备。

　　2.2检测方式的研究

　　氧舱压力调节系统压力介质质量检测的另一项研究重点是设计出能针对国内现有氧舱现状的检测方式，在保证测量数据的准确性和精确度的基础上，实现在氧舱使用现场实时进行操作测量，用户只需将氧舱压力介质接至氧舱上，按照流程指南分步进行相应指标检测，其主要研究内容主要包括采样点的设置、采样气体的处理这两个方面。

　　3研究内容

　　3.1检测方法

　　TSG24-2015《氧舱安全技术监察规程中》中规定压力调节系统的压力介质质量应当满足表1的规定。为满足表1中检测项目的要求，检测方法采取的研究技术路线如下：（1）碳氢化合物含量的检测方法氧舱压力介质的来源为配置的空压机，其碳氢化合物的来源主要是空压机制出的压缩气体中所含的油。空压机制出的压缩气体经过过滤后进入氧舱配套储气罐，压缩气体在储气罐内储存的同时也完成了稳压降温，压力介质中所含油的形态主要为悬浮油加上油蒸气，因此碳氢化合物的检测是针对悬浮油+油蒸气的总量检测。GB/T13277.2-2015《压缩空气第2部分：悬浮油含量测量方法》规定了对压缩空气中悬浮油的检测方法。该标准中首选检测方法A通过取样过滤器测定单位时间内收集到的油液量，从而确定压缩空气中的含油量，适用于全流量且油污染等级严重，通常有管壁流出现情况下的压缩空气，不适用于稳定流动状态且系统压力不能保持稳定的压缩空气的测量，而通常氧舱压力介质的油污染程度较低，且氧舱储气罐内压力会随着气体使用而降低。方法B通过将采用膜片或膜片夹持座内收集到的油溶解在选好的优级纯溶剂中，用红外光谱测定法测定，虽能对油污染程度较低的压缩空气进行检测，但无法实现现场便捷使用。经综合对比分析，可采用与GB/T13277.2中附录C《非首选含油量测量方法》中的C.5“检油管法”相近的“检油盒法”。该方法原理是压缩空气通过20个小孔导入油检测盒垂直至刻花玻璃传感平台，进入检测盒后空气90度改变方向在玻璃界面上根据高度惯性分离空气中的有雾物质，玻璃中的凹进处填满了油导致玻璃摩擦的光线分散被补偿。该方法属于一种半定量的测量方法，测量结果分成四个等级：0mg/m3、0.1mg/m3、0.5mg/m3及1.0mg/m3。GB/T13277.5-2019《压缩空气第5部分：油蒸气及有机溶剂测量方法》规定了检测压缩空气中油蒸气含量的气相光谱法和化学指示管法，其中化学指示管法只用于定性检查是否存在油蒸气，确认存在后还需采用气相光谱法。气相光谱法需采用不锈钢采样管采集并用二硫化碳萃取，用气相色谱-质朴联合技术在全扫描模式下分析萃取样品，同样存在检测要求高，无法实现现场便捷使用的问题。经综合对比分析，可采用GB/T13277.2中附录C“非首选含油量测量方法”中的C.6“光化电离探测器法”。光离子检测传感器使用一只10.6eV光子能量的紫外灯作为光源，使被测气体中的碳氢化合物电离，原来稳定的分子结构被电离后产生带正电的离子与带负电的电子，在正负电场的作用下形成微弱电流，通过检测产生的电流大小进而判断碳氢化合物在气体中的含量。综上所述，采取“检油盒+PID联合检测法”作为检测氧舱压力介质碳氢化合物含量的检测方法。（2）水含量的检测方法氧舱压力介质中的水主要以水蒸气状态存在，因此水含量的检测是针对湿度的测量。GB/T13277.3-2015《压缩空气第3部分：湿度测量方法》规定了对压缩空气湿度的测量方法，各种湿度测量方法的适用范围见表2.被测氧舱压力介质的压力一般在0~1.6MPa范围内，温度一般为常温，且可能同时含有油及固体颗粒等污染物。为满足便携式要求，实现现场在线检测，经综合对比分析，可采用电子法进行湿度测量。该方法选取露点阻抗式变送器，通过该变送器测量输出的露点温度值，按照GB/T11605-2016《湿度测量方法》附录C“湿度换算”中的表C.2“露点温度与其他主要湿度单位换算表”进行“露点温度（单位：℃）”与“绝对湿度（单位：mg/N.m3）”的换算。（3）颗粒物含量的检测方法按照表1中颗粒物的质量指标要求，本项目颗粒物的质量等级是按照GB/T13277.1-2008《压缩空气第1部分：污染物净化等级》中固体颗粒等级2级，具体内容见表3。通过表3可以看出需要对氧舱压力介质中固体颗粒物的浓度进行检测。GB/T13277.4-2015《压缩空气第4部分：固体颗粒测量方法》规定了对压缩空气中固体颗粒的计数测量方法，各种测量方法的选择见表4。因表3中规定的颗粒浓度为0~105/m3，颗粒直径在0.1~5.0m范围内，经综合对比分析，采用激光粒子计数器法进行颗粒计数测量。该方法选取的激光颗粒物传感器可输出单位体积内各浓度颗粒物的个数（个/0.1L），再进行标态下的换算。

　　3.2检测方式

　　《质检总局特种设备局关于〈氧舱安全技术监察规程〉（TSG24-2015）的实施意见》（质检特函〔2016〕24号）中规定压力介质质量的测定在气体供应源出口处和气体终端组件处进行。因此，检测方式的研究技术路线如下：（1）气体供应源出口处检测方式根据国内现有氧舱的实际管路布置情况，该采样点设置在氧舱储气罐之后，以对应《实施意见》中规定的气体供应源出口处。因国内在用绝大多数氧舱未在此处设有采样接口，而少数设有采样接口的氧舱的接口形式也各不相同。为统一采样接口要求，采取以氧舱控制台上气源压力表接口处为采样点进行采样，一方面压力表接口规格统一为M20*1.5的螺纹接头，另一方面压力表需定期检定，本身就方便拆装。因氧舱气源压力表测量的是储气罐出口管道内的气体压力，压力值一般在0.4~1.6MPa之间且流量较大，而测量传感元件各有不同的压力适用条件，因此需对该采样点的气体进行预处理。采样气体先要进行减压及流量调节处理，预处理后的指标见表5。气体预处理后通过相应接口分别进入相应检测气室，检测气室内设有压力传感器及温度传感器，用于测量检测过程中气室内的压力值及温度值，以对PID等检测传感元件的测量结果进行修正并进行标态下的换算，输出符合表1中各项质量指标单位的测量结果。其原理见图1。（2）气体终端组件处检测方式氧舱压力调节系统最末端部件为设在舱内的进气消声器。氧舱储气罐内的气体经过控制台上进气阀门的开关调节，经过管路进入氧舱内并最终通过进气消声器扩散入舱内，因此以进气消声器对应《实施意见》中规定的气体终端组件处。氧舱压力介质经过进气消声器后排入舱内，在消声器外部周边与舱内原有气体混合为常压气体，为了保证气体能顺利进入检测气室，需额外通过泵将该处气源增压后再进行检测。对于油盒，选取额定流量为15L/min的真空泵。对于其他检测元件，选取一台2.83L/min的真空泵。气体经增压限流（按表5）后，通过相应接口分别进入相应检测气室进行各项指标的检测，其原理见图2。但该检测方式存在以下问题：舱内进气消声器的作用是降低进舱气流噪声，其内部一般是带吸声材料的微孔结构，可将进气气流打散后排放至舱内，并与舱内原有气体进行混合。对舱内进气消声器的出气进行测量是出在一种开放环境下，舱内原有气体不可避免会混入采样气体，直接影响压力介质测量的真实性，存在着《实施意见》中的“在气体终端组件处进行测量”的规定无法有效执行的问题。若在与舱内进气消声器相连接的进舱气体管路上采取与“气体供应源出口处”相同的检测方式，虽然可以排除舱内原有气体的影响，实现对管道内的压力介质的有效测量，但却将进气消声器屏蔽在外，也与《实施意见》的要求有一定的矛盾。

　　4结语

　　以往因相关标准规范要求的缺失及技术手段的不足，氧舱的制造单位、使用单位包括检验检测机构无法对氧舱压力调节系统压力介质质量进行精确的测控。本文从与现行标准规范的合规性角度出发，在压力介质质量检测方法和检测方式等方面提供了一种研究思路，实现多参数、便携式的氧舱压力介质质量在线检测多项指标检测，即可以使用户及检验机构的检测工作更加方便快捷，也能进一步保障氧舱安全有效运行。笔者水平有限，文中难免有错漏之处。相信随着我国检测技术水平与检测设备的不断提升，检验检测机构对《氧舱规程》理解的深入及贯标执行程度的不断强化，氧舱能更好地服务于广大人民群众。

　　参考文献

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　　[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.压缩空气第4部分：固体颗粒测量方法：GB/T13277.4­2015[S]，北京：中国标准出版社，2016:4.

　　[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局特种设备局.质检总局特种设备局关于《氧舱安全技术监察规程》（TSG24­2015）的实施意见[Z].质检特函〔2016〕24号，2016:6.

　　作者：袁邱浚 宋南