Техніка та енергетика

АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ТИСКОМ ПОВІТРЯ У МОТОРИЗОВАНОМУ ДИХАЛЬНОМУ АПАРАТІ

Дмитро Славінський, Тамара Білько, Юрій Чеберячко, Сергій Чеберячко, Олег Дерюгін
Завантажити статтю
Анотація

Актуальність дослідження полягає в розробці ефективної системи керування тиском в подачі повітря у моторизованих дихальних апаратах для забезпечення ефективного захисту працівників від небезпечних аерозолів та покращення їхнього здоров’я. Метою було створення автоматизованої системи управління тиском повітря в моторизованому дихальному апараті, використовуючи пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор. Для цього було використано метод імітаційного моделювання. Щоб унеможливити непередбачені ситуації з погіршення рівня захисту, розроблено структуру системи керування тиском моторизованого респіратора з обранням відповідного регулятора на основі отриманих залежностей впливу параметрів режиму дихання та величину тиску у підмасковому просторі респіратора, що дозволяє забезпечити відповідний комфортний режим роботи. Це дозволило, розробити імітаційну модель з ПІД-регулятором, яка забезпечить відповідні величини тиску в допустимих межах (50-370 Па). Доведено, що пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор забезпечує підтримку тиску в масці респіратора у визначених межах як при збільшенні так і при зменшенні сигналу керування, запобігаючи зайвим коливанням керуючої величини, що призводить до подовження ресурсу фільтрувальних елементів та зменшення витрат електроенергії на роботу двигуна вентилятора. Показано на основі моделювання роботи системи керування тиском  при різних режимах роботи, що при використанні ПІД-регулятора з визначеними параметрами, система забезпечує компенсацію змін тиску повітря в підмасковому просторі респіратора при різних режимах дихання користувача. Отримані результати можуть знайти практичне застосування в сфері безпеки та охорони здоров’я, в промислових умовах, де працівники піддаються ризику вдихання небезпечних аерозолів, таких як токсичні частки, гази чи інші шкідливі речовини

Ключові слова

ідентифікація, імітаційна модель, моторизований респіратор, регулятор, уставка, тиск

ЦИТУВАТИ
Slavinskyi, D., Bilko, T., Cheberyachko, Yu., Cheberyachko, S., & Deryugin, O. (2024). Automated air pressure control system in a motorised breathing apparatus. Machinery & Energetics, 15(1), 9-22. https://doi.org/10.31548/machinery/1.2024.09
Використані джерела

[1] Al-Naggar, N. (2015). Modelling and simulation of pressure controlled mechanical ventilation system. Journal of Biomedical Science and Engineering, 8, 707-716. doi: 10.4236/jbise.2015.810068.

[2] Bergman, M., Basu, R., Lei, Z., Niezgoda, G., & Zhuang, Z. (2017). Development of a manikin-based performance evaluation method for loose-fitting powered air-purifying respirators. Journal of the International Society for Respiratory Protection, 34(1), 40-57.

[3] Brook, R.D., Newby, D.E., & Rajagopalan, S. (2017). The global threat of outdoor ambient air pollution to cardiovascular health: Time for intervention. JAMA Cardiology, 2(4), 353-354 doi: 10.1001/jamacardio.2017.0032.

[4] Cheberyachko, S., Cheberyachko, Y., Deryugin, O., Slavinskyi, D., & Klimov, D. (2020). Filtering respirator with forced air supply. Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical Sciences, 41, 155-171. doi: 10.31498/2225-6733.41.2020.226205.

[5] Cheberyachko, S., Cheberyachko, Y., Naumov, M., & Deryugin, O. (2022). Development of an algorithm for effective design of respirator half-masks and encapsulated particle filters. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics, 28(2), 1145-1159. doi: 10.10 80/10803548.2020.1869429.

[6] Damiani, L., Revetria, R., & Giribone, P. (2023). Dynamic simulation of a pneumatic transport plant powered by PV panels and equipped with electro-chemical storage. Electrochem, 4(2), 239-254. doi: 10.3390/electrochem4020016.

[7] Dediv, I. (2012). Computer simulation model of respiratory signal noise. Bulletin of Sumy State University. Series: Technical Sciences, 3, 160-164.

[8] Diekman, C.O., Thomas, P.J., & Wilson, C.G. (2017). Eupnea, tachypnea, and autoresuscitation in a closed-loop respiratory control model. Journal of Neurophysiology, 118, 2194-2215. doi: 10.1152/jn.00170.2017.

[9] Gheorghe, G., Ilie, M., Bungau, S., Stoian, A.M.P., Bacalbasa, N., & Diaconu, C.C. (2021). Is there a relationship between COVID-19 and hyponatremia? Medicina (Kaunas), 57(1), article number 55. doi: 10.3390/medicina57010055.

[10] Kamaluddin, N.A., Kassim, M., & Shahbudin, S. (2022). A review on 3D augmented reality design technique and inward leakage testing on protective face mask. Pertanika Journal of Science & Technology, 30(4), 2639-2658. doi: 10.47836/pjst.30.4.19.

[11] Lee, K. (2024). A new test statistic to assess the goodness of fit of location-scale distribution based on progressive censored data. Symmetry, 16(2), article number 202. doi: 10.3390/sym16020202.

[12] Licina, A., & Silvers, A. (2021). Use of powered air-purifying respirator (PAPR) as part of protective equipment against SARS-CoV-2-a narrative review and critical appraisal of evidence. American Journal of Infection Control, 49(4), 492-499. doi: 10.1016/j.ajic.2020.11.009.

[13] Lima, C.A., Campos, S.L., Bandeira, M.P., Leite, W.S., Brandão, D.C., Fernandes, J., Fink, J.B. & Dornelas de Andrade A. (2023). Influence of mechanical ventilation modes on the efficacy of nebulized bronchodilators in the treatment of intubated adult patients with obstructive pulmonary disease. Pharmaceutics, 15(5), article number 1466. doi: 10.3390/pharmaceutics15051466.

[14] Lutska, N.M., Ladanyuk, A.P., & Savchenko, T.V. (2019). Identification of the mathematical models of the technological objects for robust control systems. Radio Electronics, Computer Science, Control, (3), 163-172. doi: 10.15588/1607-3274-2019-3-18.

[15] Makaveckas, T., Bliūdžius, R., Alavočienė, S., Paukštys, V., & Brazionienė, I. (2023). Investigation of microclimate parameter assurance in schools with natural ventilation systems. Buildings, 13(7), article number 1807. doi: 10.3390/buildings13071807.

[16] Miles, L.F., Makar, T., Oughton, C.W., & Peyton, P.J. (2021). Ventilatory parameters measured during a physiological study of simulated powered air-purifying respirator failure in healthy volunteers. Anaesthesia and Intensive Care, 49(3), 206-213. doi: 10.1177/0310057X20978982.

[17] O’Toole, C., McGrath, J.A., Joyce, M., Bennett, G., Byrne, M.A., & MacLoughlin, R. (2020). Fugitive aerosol therapy emissions during mechanical ventilation: In vitro assessment of the effect of tidal volume and use of protective filters. Aerosol and Air Quality Research, 20(12), 2604-2613. doi: 10.4209/aaqr.2020.04.0176.

[18] Otrisal, P., Bungau, C., Obsel, V., Melicharik, Z., & Tont, G. (2021). Selected respiratory protective devices: Respirators and significance of some markings. Sustainability, 13(9), article number 4988. doi: 10.3390/su13094988.

[19] Otrisal, P., Friess, K., Urban, M., Bungau, S., Tit, D.M., Mosteanu, D.E., Melicharik, Z., Bungau, C., & Aleya, L. (2020). Barrier properties of anti-gas military garments, considering exposure to gas organic compounds. Science of the Total Environment, 714, article number 136819. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.136819.

[20] Pintavirooj, C., Maneerat, A., & Visitsattapongse, S. (2022). Emergency blower-based ventilator with novel-designed ventilation sensor and actuator. Electronics, 11(5), article number 753. doi: 10.3390/electronics11050753.

[21] Schumacher, J., Arlidge, J., Dudley, D., Sicinski, M., & Ahmad, I. (2020). The impact of respiratory protective equipment on difficult airway management: a randomised, crossover, simulation study. Anaesthesia, 75, 1301-1306. doi: 10.1111/anae.15102.

[22] State Sanitary Standards 3.3.6.042-99. (1999). Sanitary standards for the microclimate of industrial premises. Retrieved from https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=14283.

[23] Teng, G., Shi, G., Zhu, J., & Zhao, C. (2023). Research on the air supply adjustment technology of breath-following powered air-purifying respirators. Scientific Reports, 13, article number 12219. doi: 10.1038/s41598-023-39411-z.

[24] Vitazkova, D., Foltan, E., Kosnacova, H., Micjan, M., Donoval, M., Kuzma, A., Kopani, M., & Vavrinsky, E. (2024). Advances in respiratory monitoring: A comprehensive review of wearable and remote technologies. Biosensors, 14(2), article number 90. doi: 10.3390/bios14020090.

[25] Weiss, R., Guchlerner, L., Weissgerber, T., Filmann, N., Haake, B., Zacharowski, K., Wolf, T., Wicker, S., Kempf, V.A.J., Ciesek, S., Stöver, T., & Diensthuber, M. (2021). Powered air-purifying respirators used during the SARS-CoV-2 pandemic significantly reduce speech perception. Journal of Occupational Medicine and Toxicology, 16, article number 43. doi: 10.1186/s12995-021-00334-y.

[26] Xu, S.S., Lei, Z., Zhuang, Z., & Bergman, M. (2019). Numerical simulations of exhaled particles from wearers of powered air purifying respirators. Journal of the International Society for Respiratory Protection, 36(2), 66-76.

[27] Zhao, X., Guan, J., Wang, T., Liu, X., Xu, Q., & Zhou, J. (2024). Optimization of impeller structure parameters of a centrifugal fan in a powered air-purifying respirator power system. Processes, 12(2), article number 353. doi: 10.3390/pr12020353.

[28] Zhou, S.S., Lukula, S., Chiossone, C., Nims, R.W., Suchmann, D.B., & Ijaz, M.K. (2018). Assessment of a respiratory face mask for capturing air pollutants and pathogens including human influenza and rhinoviruses. Journal of Thoracic Disease, 10(3), 2059-2069. doi: 10.21037/jtd.201.