Дыхательная производительность регуляторов
Дыхательные характеристики регуляторов являются мерой способности регулятора дыхательного газа соответствовать требованиям, предъявляемым к нему при различных давлениях и температурах окружающей среды, а также при различных дыхательных нагрузках для диапазона дыхательных газов, которые он может подавать. Производительность является важным фактором при проектировании и выборе регуляторов дыхания для любого применения, но особенно для подводного плавания , поскольку в этом применении диапазон рабочих давлений и температур окружающей среды, а также разнообразие дыхательных газов шире. Регулятор для дайвинга - это устройство, которое снижает высокое давление в водолазном баллоне или шланге подачи на поверхности до того же давления, что и в окружающей среде дайвера. Желательно, чтобы дыхание с помощью регулятора требовало небольших усилий даже при подаче большого количества дыхательного газа , поскольку это обычно является ограничивающим фактором при подводной нагрузке и может иметь решающее значение во время чрезвычайных ситуаций при дайвинге. Также предпочтительно, чтобы газ подавался плавно, без каких-либо резких изменений сопротивления при вдохе или выдохе, и чтобы регулятор не блокировался и не переставал подавать газ или не обеспечивал свободный поток. Хотя эти факторы можно оценивать субъективно, удобно иметь стандарты , с помощью которых можно объективно сравнивать регуляторы различных типов и производителей.
Для оценки работы дыхательных аппаратов были разработаны и используются различные дыхательные аппараты. [1] Компания Ansti Test Systems разработала готовую систему , измеряющую усилие вдоха и выдоха при помощи регулятора и формирующую графики, отражающие работу дыхания при заданной глубине давления и минутном объеме дыхания для используемой газовой смеси. [2] Публикация результатов работы регуляторов на испытательной машине ANSTI привела к улучшению производительности. [3]
Актуальность [ править ]
Характеристики дыхания регулятора важны во всех обстоятельствах, когда регулятор используется для управления потоком дыхательного газа в системе подачи по требованию. В некоторых из этих приложений достаточно простого регулятора. В других приложениях производительность регулятора может ограничивать производительность пользователя. Высокопроизводительный регулятор для заданной комбинации газовой смеси и давления окружающей среды определяется как регулятор, обеспечивающий низкую работу дыхания при высокой скорости вращения, при этом подавая поток газа только при срабатывании вдоха и допуская отток выдыхаемого газа. с минимальным сопротивлением.
Другим аспектом эффективности дыхания является работа регулятора потребности в холодной воде, где высокая скорость потока может вызвать охлаждение, достаточное для блокировки механизма льдом , что обычно вызывает сильный свободный поток с последующей потерей дыхательного газа, которую можно только остановить. перекрыв вентиль баллона.
Здоровый человек, находящийся в состоянии покоя при приземном атмосферном давлении, затрачивает на дыхание лишь небольшое количество доступных усилий. Ситуация может значительно измениться по мере увеличения плотности дыхательного газа при более высоком давлении окружающей среды. Когда энергия, затраченная на удаление углекислого газа, производит больше углекислого газа, чем удаляет, человек будет страдать от гиперкапнии в цикле положительной обратной связи, заканчивающемся потерей сознания и, в конечном итоге, смертью. [4] На работу дыхания влияют частота дыхания, характер дыхания, плотность газа, физиологические факторы и детали динамики жидкости дыхательного аппарата, к которым относятся сопротивление трения потоку и разница давлений, необходимая для открытия клапанов и удержания их открытыми для потока. [5]
Плотность дыхательного газа можно уменьшить, используя гелий в качестве основного компонента с добавлением достаточного количества кислорода в зависимости от обстоятельств и сохраняя парциальное давление, достаточное для поддержания сознания, но не настолько, чтобы вызвать проблемы с кислородным отравлением . На сопротивление трению потоку влияют форма и размер газовых каналов, а также давление, плотность, вязкость и скорость газа. [5] Давление открытия клапана является фактором конструкции и настройки клапанных механизмов. Дыхательные характеристики регуляторов предполагают, что плотность газа указана, и измеряют сопротивление потоку в течение всего дыхательного цикла с заданной объемной скоростью потока как перепад давления между мундштуком и внешней средой.
Измерение [ править ]
Работа дыхания [ править ]
Работа дыхания (WOB) — это энергия, затрачиваемая на вдох и выдох газа дыхательного . Обычно его выражают в работе на единицу объема, например, в джоулях на литр, или в виде рабочей скорости (мощности), например в джоулях в минуту или эквивалентных единицах, поскольку без привязки к объему или времени это бесполезно. Его можно рассчитать как легочное давление, умноженное на изменение легочного объема, или как потребление кислорода, связанное с дыханием. [6] [7]
Общая работа дыхания при использовании дыхательного аппарата представляет собой сумму физиологической работы дыхания и механической работы дыхания аппарата.В нормальном состоянии покоя физиологическая работа дыхания составляет около 5% от общего потребления кислорода организмом. Оно может значительно увеличиться из-за болезни. [8] или ограничения на поток газа, налагаемые дыхательным аппаратом, давлением окружающей среды или составом дыхательного газа.
Работа регулятора относится к механической работе дыхания регулятора и исключает физиологическую работу дыхания. На механическую работу дыхания сильное влияние оказывает частота дыхания, указанная в стандартах.
Для данного объема за заданное время работа дыхания за полный цикл дыхания и за часть цикла вдоха рассчитывается по мгновенным давлениям, измеренным между внутренней и внешней частью корпуса регулятора. Изменения объема известны из характеристик симулятора дыхательного цикла объемного вытеснения. Пиковые давления и скачки переходного давления также измеряются и регистрируются для анализа, поскольку в стандартах указаны пределы для этих значений. Работа дыхания — это мгновенное давление x изменение объема, интегрированное за цикл, а работа дыхания на вдохе — это работа дыхания для ингаляционной части цикла.
Дыхательный цикл испытательной машины может неточно отражать поток при каждом дыхании человека. Испытательная машина ANSTI использует синусоидальное изменение объема, которое легко проанализировать. Дыхание человека может быть очень изменчивым.
Проверка работоспособности холодной воды [ править ]
Процедуры беспилотных испытаний в холодной воде Экспериментального водолазного подразделения ВМС США (1994 г.) использовались в качестве неофициального стандарта для испытаний в холодной воде различными военными пользователями и крупными производителями оборудования. [9]
Европейский стандарт CE по открытому контуру EN 250 от 1993 года установил более высокий уровень для испытаний подводного плавания с открытым контуром для проверки дыхательных характеристик, испытаний в холодной воде, испытаний на устойчивость, давление, механические температуры, температуры хранения и CO 2 испытания на вымывание . Стандарт также устанавливает требования к анализу видов и последствий отказов , а также другим вопросам, связанным с производством, обеспечением качества и документацией. Этот стандарт привлек внимание к проблемам большого количества существующего оборудования и привел к значительному улучшению характеристик регулятора разомкнутой цепи. [9]
Первые испытания, проведенные ВМС США, положили начало имитационным испытаниям подводных дыхательных аппаратов в конце 1970-х годов. Системы симулятора дыхания, созданные Стивеном Реймерсом, были куплены Министерством обороны Великобритании и некоторыми частными производителями оборудования, такими как Kirby Morgan Diving Systems , и помогли разработать европейские стандарты в начале 1990-х годов, но внедрение полной системы симулятора дыхания Компания ANSTI Test Systems Ltd в Великобритании сделала возможным проведение точных испытаний на симуляторе дыхания, что является современной практикой. Компьютеризированные системы имитации дыхания ANSTI сделали тестирование более быстрым, простым и точным и предназначены для тестирования при любых реальных температурах воды. [9]
Система включает в себя точный контроль влажности и температуры выдоха, а также контроль температуры воды в окружающей среде от 0 до 50 °C (от 32 до 122 °F), средства для CO 2 анализа заданного значения ребризера замкнутого контура при каждом вдохе, контроль и испытания на долговечность скруббера . [9] Ни стандарт EN250, ни процедуры беспилотных испытаний ВМС США не используют какой-либо реальный сценарий погружения человека в качестве основы для испытаний, включая испытания в холодной воде. Процедура ВМС США заключалась в проверке регуляторов в первую очередь на глубине 190 футов (58 метров в минуту) в воде с температурой от 28 до 29 °F (от -2 до -2 °C) при очень высокой скорости дыхания 62,5 л/мин в течение как минимум 30 минут, с давлением на входе в первую ступень 1500 фунтов на квадратный дюйм (100 бар), в результате чего средняя температура на входе второй ступени составляет около 7 ° F (-14 ° C) по сравнению со средним значением -13 ° F. (-25 ° C), если будет использоваться давление 3000 фунтов на квадратный дюйм (210 бар). [9] Критерии испытаний ВМС США в холодной воде и критерии испытаний EN250 ЕС основаны на том, соответствует ли регулятор минимальным требованиям к производительности дыхания и начинается ли свободный поток. Очень немногие регуляторы могут пройти это испытание, поскольку все регуляторы образуют лед на второй стадии в экстремальных условиях испытаний, хотя это не может привести к свободному потоку регулятора или выходу за пределы критериев производительности. [9]
При испытаниях в холодной воде, указанных в EN250:2000, регуляторы для подводного плавания тестируются в воде с температурой 4 °C (39 °F) или ниже. Регуляторы испытываются как в положении «лицом вперед», так и «лицом вниз». Испытание начинается при (50 мс) 165 fsw и регулятор дышит со скоростью 62,5 л/мин в течение пяти минут. Для прохождения регулятор должен оставаться в пределах рабочего диапазона дыхания и не должен иметь свободного потока. Образование льда не учитывается до тех пор, пока лед не ухудшит качество дыхания сверх минимальных требований и не будет свободно течь. [9]
В тесте CE используется подача воздуха, начиная с самого высокого давления, на которое рассчитан регулятор, и дыхание в течение пяти минут со скоростью 62,5 л/мин при температуре выдоха 28 ±2°C (82,4 ±3,6°F) и относительной влажности выдоха не более менее 90%. [9]
АНСТИ [ править] Машина
Симулятор дыхания ANSTI рассчитан на максимальное рабочее давление 100 мс. Он использует поршневой механизм для обеспечения точного и повторяемого перемещения объема с помощью механизма синусоидального привода. Он имеет регулируемые настройки дыхательного объема и частоты дыхания , которые могут обеспечить скорость вентиляции от 10 до 180 литров в минуту. [10]
регуляторов Применение газа дыхательного
- Подводное плавание с аквалангом . Весь дыхательный газ дайвер переносит в баллонах высокого давления. Снижение первичного давления на первой ступени от давления хранения до промежуточного давления вызывает охлаждение, пропорциональное падению давления. [11]
- Рекреационное подводное плавание – Воздух и найтрокс при атмосферном давлении примерно до 40 м.кв.
- Технический дайвинг . Давление окружающей среды может значительно превышать 30 м.кв. [12]
- Газовая смесь - дыхательные газы, содержащие гелий, для ограничения наркоза и работы дыхания. [11]
- Декомпрессионный газ - дыхательные газы с высоким парциальным давлением кислорода, обычно не очень высоким давлением окружающей среды. [11]
- Подводное плавание с поверхности - дыхательный газ подается с поверхности на широком диапазоне глубин. [11]
- Открытый контур – газ выбрасывается в окружающую среду и теряется при выдохе. [11]
- Системы регенерации дыхательного газа – дыхательный газ на основе гелия возвращается на поверхность для переработки через регулятор выхлопа для экономии дорогостоящего газа. [13]
- Встроенные системы дыхания в гипербарических средах. Газ с высоким содержанием кислорода выводится наружу через регулятор выхлопа, чтобы избежать высокого риска возгорания. Высокая производительность обычно не требуется, поскольку пользователь обычно отдыхает. [11]
- Подача кислорода для оказания первой помощи при несчастных случаях при дайвинге. Высокая доля кислорода при поверхностном давлении, довольно низкая скорость потока, но пользователь может получить травму и испытывать затруднения с дыханием.
- Дыхательный аппарат для работы в непригодной для дыхания атмосфере. Обычно при давлении окружающей среды, близком к нормальному атмосферному давлению, воздух для дыхания. Скорость работы может быть высокой, но не должна быть экстремальной. Дыхание с положительным давлением можно использовать в токсичных атмосферах, чтобы снизить риск загрязнения из-за утечек. [14]
- Автономный дыхательный аппарат (SCBA) для спасения и пожаротушения. Пользователям, возможно, придется тяжело работать в сложных условиях, но диапазон давления обычно близок к нормальному атмосферному давлению. В чрезвычайных ситуациях скорость работы может быть чрезвычайно высокой. Можно использовать маски с положительным давлением, которые компенсируют график давления, но не обязательно увеличивают чистую работу дыхания. [14]
- Аварийное газоснабжение подводных лодок (Submarine BIBS) — условия выживания при непредсказуемых давлениях, но выше нормального атмосферного. Выдыхаемый газ задерживается в подводной лодке, поэтому давление будет постепенно нарастать. [15] [16]
- Дыхательный аппарат летного экипажа – Подача кислорода для негерметичных самолетов – Низкое давление окружающей среды из-за большой высоты. Подача воздуха, обогащенного дополнительным кислородом. Ожидается, что скорость потока не будет очень высокой [17]
Стандарты [ править ]
Европейский Союз [ править ]
В Европейском Союзе стандарт EN250:2000 Респираторное оборудование. Автономный водолазный аппарат открытого типа, работающий на сжатом воздухе. Требования, испытания, маркировка определяют минимальные стандарты производительности для «автономных водолазных аппаратов на сжатом воздухе открытого цикла». [18] а BS 8547:2016 определяет требования к регуляторам спроса, которые будут использоваться на глубинах более 50 м. [19] EN 13949: 2003 — Дыхательное оборудование — Автономный водолазный аппарат с открытым контуром для использования со сжатым найтроксом и кислородом — Требования, испытания, маркировка определяет требования к регуляторам, которые будут использоваться с повышенными уровнями кислорода. [20]
Стандарт содержит ограничения на давление вдоха и выдоха, а также общую работу дыхания. Он определяет следующее в условиях испытаний при частоте дыхания 62,5 литра (2,2 куб. фута) в минуту и давлении окружающей среды 6 бар (600 кПа): [18]
- Работа дыхания: <3,0 джоулей на литр.
- Пиковое дыхательное давление: ±25 мбар (±2,5 кПа) (вдох или выдох)
- Ингаляционная работа дыхания: <0,3 джоуля на литр.
- Скачки давления без измеримой положительной работы дыхания: <10 мбар (1 кПа)
- Скачки давления при измеримой положительной работе дыхания: <5 мбар (0,5 кПа)
Хотя регулятор, соответствующий вышеуказанным ограничениям, будет подавать достаточно воздуха там, где первая ступень питает одну вторую ступень, он не обязательно способен подавать достаточное количество воздуха при всех обстоятельствах, когда одна первая ступень питает две вторые ступени одновременно. [21]
Сопутствующие стандарты [ править ]
В Европе стандарт EN 250: 2014 — Дыхательное оборудование — Автономные водолазные аппараты с открытым контуром на сжатом воздухе — Требования, испытания и маркировка определяет минимальные требования к дыхательным характеристикам регуляторов. [20] а BS 8547:2016 определяет требования к регуляторам спроса, которые будут использоваться на глубинах более 50 м. [19] EN 13949: 2003 – Дыхательное оборудование – Автономный водолазный аппарат с открытым контуром для использования со сжатым найтроксом и кислородом – Требования, испытания, маркировка . определяет требования к регуляторам, которые будут использоваться при повышенном уровне кислорода. [20]
EN 15333 – 1: 2008 COR 2009 – Дыхательное оборудование – Водолазные аппараты со сжатым газом с открытым контуром и подачей сжатого газа – Часть 1: Аппараты по требованию . и EN 15333-2: 2009 – Дыхательное оборудование – Водолазные аппараты со сжатым газом с открытым контуром и подачей сжатого газа – Часть 2: Аппараты со свободным потоком . [20]
IS EN 14143: 2013 — Дыхательное оборудование — автономные дыхательные аппараты для дайвинга определяет минимальные требования к ребризерам. [20]
Военные США [ править ]
В вооруженных силах США стандартом одношланговых регуляторов для подводного плавания был Mil-R-24169B, который сейчас снят с производства. [22] [23] [24] [25]
См. также [ править ]
- Регулятор дыхательного газа - Механизм контроля давления дыхательного газа.
- Человеческий фактор при проектировании снаряжения для дайвинга . Влияние взаимодействия между пользователем и оборудованием на конструкцию.
- Гиперкапния – аномально высокий уровень углекислого газа в тканях.
- Механизм регуляторов подводного плавания . Устройство и функционирование компонентов регуляторов подводного плавания.
- Работа дыхания - энергия, затрачиваемая на вдох и выдох дыхательного газа.
Ссылки [ править ]
- ^ Реймерс, С.Д. (1973). Эксплуатационные характеристики и основные конструктивные особенности дыхательного аппарата для использования на глубине до 3000 футов морской воды. Технический отчет (отчет) экспериментального водолазного подразделения ВМС США . Том. НЕДУ-20-73.
- ^ «Испытательная станция регулятора спроса» . Ansti Test Systems Ltd. 19 июня 2003 г. Архивировано из оригинала 7 февраля 2010 г. Проверено 14 сентября 2009 г.
- ^ «Машина ANSTI: оценка характеристик дыхания регулятора - журнал Scuba Diving» . Архивировано из оригинала 9 февраля 2010 г.
- ^ Митчелл, Саймон Дж.; Кронье, Франс Дж.; Мейнджес, Вашингтон Джек; Бритц, Герми К. (2007). «Смертельная дыхательная недостаточность во время «технического» погружения с ребризером при экстремальном давлении» . Авиационная, космическая и экологическая медицина . 78 (2): 81–86. ПМИД 17310877 . Архивировано из оригинала 1 июля 2022 года . Проверено 21 ноября 2019 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Энтони, Гэвин; Митчелл, Саймон Дж. (2016). Поллок, Северо-Запад; Селлерс, Ш.; Годфри, Дж. М. (ред.). Респираторная физиология дайвинга с ребризером (PDF) . Ребризеры и научный дайвинг. Материалы семинара NPS/NOAA/DAN/AAUS 16–19 июня 2015 г. Центр морских наук Ригли, остров Каталина, Калифорния. стр. 66–79. Архивировано (PDF) из оригинала 11 августа 2023 г. Проверено 20 марта 2024 г.
- ^ Медицинский словарь для профессий здравоохранения и сестринского дела. Св «работа дыхания». Получено 8 сентября 2015 г. с сайта http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing. Архивировано 29 июля 2023 г. в Wayback Machine.
- ^ Медицинский словарь. Св «работа дыхания». Получено 8 сентября 2015 г. с сайта http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing. Архивировано 29 июля 2023 г. в Wayback Machine.
- ^ Медицинский словарь Мосби, 8-е издание. Св «работа дыхания». Получено 8 сентября 2015 г. с сайта http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/work+of+breathing. Архивировано 29 июля 2023 г. в Wayback Machine.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час Уорд, Майк (9 апреля 2014 г.). Замерзание регулятора акваланга: пугающие факты и риски, связанные с погружениями в холодной воде (отчет). Панама-Бич, Флорида: Dive Lab, Inc.
- ^ персонал. «Центр испытаний оборудования жизнеобеспечения» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 18 ноября 2016 года . Проверено 18 ноября 2016 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж ВМС США (2006). Руководство по водолазному делу ВМС США, 6-я редакция . Вашингтон, округ Колумбия: Командование морских систем ВМС США.
- ^ Митчелл, SJ (1 мая 2004 г.). В: Луна, RE; Пиантадоси, Калифорния; Кампорези, Э.М. (ред.). Технический дайвинг. Материалы симпозиума доктора Питера Беннета. (Отчет). Дарем, Северная Каролина: Сеть оповещения дайверов.
- ^ Беван, Джон, изд. (2005). «Раздел 5». Справочник профессиональных дайверов (второе изд.). Госпорт, Хэмпшир: ISBN Submex Ltd. 978-0950824260 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Значение автономного дыхательного аппарата: что такое дыхательный аппарат?» . www.osha.com . 11 ноября 2022 года. Архивировано из оригинала 12 марта 2024 года . Проверено 20 марта 2024 г.
- ^ «Встроенная дыхательная система подводной лодки (BIBS)» . Апекс дайвинг . Проверено 25 сентября 2018 г.
- ^ «Встроенная дыхательная система» . Бремен: Georg Schünemann GmbH . Проверено 25 сентября 2018 г.
- ^ «14 CFR § 25.1439 — Защитное дыхательное оборудование» . www.law.cornell.edu . Проверено 2 августа 2023 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б ISBN 0-580-35713-9 Британский институт стандартов
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Комитет PH/4/7 (31 марта 2016 г.). BS 8547:2016 - Дыхательное оборудование. Регулятор потребности в дыхательном газе, используемый при погружениях на глубину более 50 метров. Требования и методы испытаний . Лондон: Британский институт стандартов. ISBN 978-0-580-89213-4 . Архивировано из оригинала 16 ноября 2016 года . Проверено 18 ноября 2016 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Персонал (август 2014 г.). «Дыхательный аппарат для дайвинга» (PDF) . Стандарты дайвинга . Дублин: Управление здравоохранения и безопасности. Архивировано из оригинала (PDF) 18 ноября 2016 г. Проверено 18 ноября 2016 г.
- ^ Энтони, Т.Г.; Фишер, А.С.; Гулд, Р.Дж. (2005). ВШЭ публикует исследование эффективности регуляторов-осьминогов для подводного плавания (PDF) . Отчет об исследовании 341 (Отчет). Норидж, Великобритания: HMSO. ISBN 0-7176-6101-6 . Архивировано (PDF) из оригинала 23 ноября 2016 г. Проверено 18 ноября 2016 г.
- ^ Миддлтон, младший (1980). Оценка коммерчески доступных регуляторов для подводного плавания с открытым контуром. Технический отчет (отчет) экспериментального водолазного подразделения ВМС США . Том. НЕДУ-2-80.
- ^ Морсон, П.Д. (1987). Оценка коммерчески доступных регуляторов для подводного плавания с открытым контуром. Технический отчет (отчет) экспериментального водолазного подразделения ВМС США . Том. НЕДУ-8-87.
- ^ Варкандер, Делавэр (2007). Комплексные ограничения производительности подводных дыхательных аппаратов дайверов: последствия принятия ограничений, ориентированных на дайверов. Технический отчет (отчет) экспериментального водолазного подразделения ВМС США . Том. НЕДУ-ТР-07-02.
- ^ Персонал (22 февраля 1982 г.). «MIL-R-24169 › Регулятор расхода воздуха, одинарный шланг, Diver S» . Министерство обороны США. Архивировано из оригинала 28 ноября 2016 года . Проверено 27 ноября 2016 г.
