В свете конкурентной борьбы между производителями регуляторов появилась тенденция к сравнению технических характеристик оборудования. Это делается при помощи всевозможных диаграмм, гистограмм, графиков. При этом показатели, отображаемые производителями в графиках, не всегда понятны для покупателя продукта. Попробуем разобраться, что к чему.
Начнем с доступного описания процесса дыхания. Итак, легкие условно будем считать сосудами не постоянного объема, которые наполняются воздухом через рот, гортань и бронхи. В результате работы межреберных мышц происходит расширение грудной клетки, при этом легкие очень быстро растягиваются и заполняются воздухом.
Но воздух в легких практически не разряжается главным образом потому, что между атмосферой и органом дыхания не существует преград в виде клапанов, как в автомате для дыхания. Представим, что вдох происходит с помощью идеального регулятора, тогда
1. В идеальном регуляторе давление воздуха во II ступени должно быть таким же, как давление в легких из-за того, что воздух поступает в легкие из автомата для дыхания, а не из атмосферы вокруг.
2. Идеальный регулятор призван поставлять ко вдоху такое количество воздуха, которое в состоянии вместить в себя легкие человека.
Таким образом, идеальный регулятор служит как бы имитацией атмосферы. Процесс дыхания под толщей воды моделируется для тестирования характеристик определенным способом. Камера для вдоха соединяется с сосудом непостоянного объема. При этом объем его изменяется на величину трех литров в ту или противоположную сторону. Таким образом происходит имитация дыхания человека. Эту систему помещают под такое же давление, как на глубине в 50 метров под водой.
Изменения давления фиксируются при помощи манометра (рис.1), который присоединяют к сосуду непостоянного объема. Тестирование происходит в режиме имитации множества дыхательных движений, а на диаграмме производитель делает отметки об изменениях давления во время одной фазы дыхания (рис.2). На графике по оси ОХ отмечается объем воздуха, который прошел с начала теста через регулятор. По оси ОУ откладывается величина разряжения, а вверх показывается избыточное давление в момент времени. Единицей измерения на оси ОУ служит 1 кПа равный 10 миллиметрам ртутного столба.
Чем больше растет объем сосуда, тем больше разрежается воздух в нем. При этом увеличение разрежения происходит до того момента, пока не откроется клапан автомата для дыхания. Когда достигается максимальное разрежение – значит, происходит подрыв клапана вдоха (А, 2ой рисунок). Тот регулятор, в котором это усилие минимально, очень близок к званию идеального. Затем в определенный момент потом воздуха увеличивается быстрее, чем объем сосуда. От этого снижается разрежение (В, 2-ой рисунок). Но в последней стадии вдоха поток воздуха опять ослабевает, разряжение увеличивается (кривая на графике стремится вниз, 2ой рисунок) до наступления выдоха.
При этом, объем сосуда на выдохе сокращается. По этой причине в камере регулятора возникает большое давление воздуха, потоком которого закрывается клапан для вдоха и открывается клапан для выдоха. Когда происходит выдох (С, 2ой рисунок), кривая на графике»ведет себя» спокойно. При дыхании вся работа подразделяется на 2 части — работа дыхания на выдохе и работа при вдохе. Поэтому в регуляторе за выдох и вдох отвечают различные механизмы. Таким образом, площадь, ограничивающаяся осью времени, графиком, описывающим давление, равна работе дыхания.
На вдохе (линия графика — красная, рис.3) происходит трата энергии лишь в начале и в конце цикла (видно на А-зоне, рис.3). Средняя часть кривой находится выше нуля, так как давление положительно и избыточно, именно поэтому легкие расширяются. По этой причине работа при вдохе происходит небольшая. Площадь под синим графиком на рисунке номер три показывает работу на фазе выдоха. Из графика видно, что эта работа более значительная, чем при вдохе. При выдыхании в толщу воды из-за плотности сред происходит сильное сопротивление выдыханию. Клапан выдоха обязан открываться с усилием — для успешной работы регулятора. Итак, со смыслом графиков, описывающих работу регуляторов, разобрались. Теперь необходимо ответить на вопрос — как при помощи этих тестов оценить работу регулятора.
В соответствии со стандартом EN250 работа дыхания должна быть менее 3 Джоуля на литр и сила вдоха 2500 Па. Ответ на вопрос о возможности сравнения результатов тестирования, а равно и графиков различных производителей не очевиден. Условия тестирования, по требованиям EN250 следующие:
— 50-метровая глубина;
— Объем дыхания более 60 литров в минуту;
— 20 градусов температура по Цельсию;
— 50 бар в баллоне давление.
При этом на точность конечного результата измерений и начертание кривой влияет ряд моментов:
— Насколько долго длится цикл дыхания;
— Каков объем воздуха вдыхается и емкость сосуда;
— Какой способ фиксирования давления используется, насколько далеко расположена точка, в которой измеряется результат, от дыхательного автомата.
При этом реальные условия, в которых происходит процесс дыхания порой сильно отличаются от предписанных стандартом. Несмотря на это, результаты тестов ценны для сравнения качества работы регуляторов. Графики для идеального регулятора должны выглядеть как на четвертом рисунке. Отсюда резюмируем, что внешний вид реальных графиков самых наилучших регуляторов на выдохе очень далеко от графика идеального. При вдохе же кривая ведет себя более плавно и понятно. Именно на исправление указанных недостатков направлены усилия инженеров по разработке регуляторов.
Под водой необходимо, чтобы дышать было комфортно, для этого нужно описывающий сопротивление вдоху график приблизить к графику идеального регулятора. Это приближение происходит по двум направлениям:
— Достижение плавного вдоха. Кривая гладкая, ближе к прямой линии;
— Минимальное усилие для подрыва клапан при вдохе.
Необходимо понять, какие характеристики конструкций обеих ступеней регуляторов можно увидеть на линиях графиков сопротивления.
Для примера сравним несколько моделей различных регуляторов от разных производителей. Нам не принципиальна марка регулятора, но важна его конструкция, поэтому разделим условно на несколько видов:
I ступень регулятора:
Для редуктора поршневого возьмем A-обозначение, затем редуктор мембранный обозначим буквой В, а редуктор сбалансированный мембранный литерой С;
Сбалансированный редуктор на мембране с системой Вентури для портов с низким давлением — D.
II ступени регуляторов:
Для автомата дыхательного примем обозначение АА, при этом автомат с системой инжектирования для дыхания на глубине обозначим как ВВ, и для автомата сбалансированного с системой для инжектирования воздуха (дыхание на глубине) возьмем сочетание СС. Рисунок 5 — регулятор типа А-АА. Конструктивно представляющий собой довольно непростой редуктор на поршне (А) + автомат для дыхания (АА). Во время осуществления вдоха газ в дыхательной камере разряжается до того момента, пока не откроется клапан вдоха. После этого количество воздуха соответствует тому, насколько увеличивается количество воздуха в испытательном сосуде.
В это время в шланге между ступенями регулятора, в камере низкого давления и под клапаном воздух находится под таким давлением, которое равно установочному в редукторе. При открытии клапана воздух поступает в камеру для вдоха автомата. Поэтому условно считаем источником воздуха камеру редуктора, в которой поддерживается низкое давление. Из-за увеличения трат воздуха давление падает в камере (рисунок 5, А).
По этой причине регулятором подается меньше воздуха и увеличивается сопротивление вдоху (рисунок 5, В). Дальнейшее разрежение воздуха ведет к полному открытию клапана вдоха I ступени, при этом объем воздуха, который выдает регулятор, становится постоянным на более низкой отметке, нежели при вдохе (первая фаза, С-зона, 5 рисунок). На вдохе регулятор этого типа работает с мощностью 0,87 джоуль на литр.
Рисунок 6 иллюстрирует сопротивление дыхания при тестировании регулятора типа А-ВВ. за счет применения инжектирования происходит уменьшение сопротивления вдоху на 1 фазе (зона А) при увеличении количества подаваемого воздуха. Но затраты сил на вдох растут пропорционально разряжению воздуха внутри камеры, где низкое давление. В результате окончание графика на рисунке номер 6 (В-зона, С-зона) становится подобным графику на пятом рисунке. Таким образом, благодаря эффекту Вентури работа при вдохе опустилась до уровня 0,67 джоуль на литр.
Очень сильное уменьшение давления внутри камеры поршневого редуктора происходит из-за особенностей конструкции (значительный вес поршня, его размер, наличие уплотнительных колец). Инженеры-конструкторы регуляторов прекрасно знают, что в мембранном редукторе величина давления в камере на вдохе вдвое меньше давления в самом лучшем поршневом редукторе. Понятно, что замена редуктора с поршнем на мембранный приведет к уменьшению сопротивления вдоху. График для регулятора типа В-ВВ показана на рисунке номер 7. Его работа 0,39 джоуль на литр, линия графика сопротивления вдоху не является гладкой.
I ступень регулятора типа С-ВВ создана с добавлением сбалансированной диафрагмы. Поэтому график, описывающий сопротивление дыханию на рисунке номер 8 уже более сглажен, нежели в предыдущем случае. Из-за некоторых принципиальных особенностей конструктора этого типа поток воздуха вначале вдоха стал более интенсивным. Из-за этого возникло избыточное давление в конструкции для теста. Здесь вначале вдоха кривая ведет себя практически как график идеального регулятора. Сопротивление же в конце вдоха портит всю картину. При этом работа во течение вдоха составила 0,26 джоуль на литр.
Увеличение подаваемого ко вдоху объема воздуха и уменьшение противодействия вдоху — результат инжектирования во II ступени регулятора типа ВВ. Подобное действие возникает при использовании эффекта Вентури на I ступени. Рассмотрим линию графика регулятора типа D-CC (рисунок 9). Во время вдоха, на начальной фазе, происходит снижение сопротивления дыханию из-за инжектирования. Затем подача воздуха становится практически постоянной, при этом в камере для вдоха регулятора на второй ступени избыточное давление приходит на смену разрежению.
Снижение давления становится ощутимым лишь при достижении середины цикла дыхания. Это происходит из-за действия эффекта Вентури. Именно в это время подача воздуха регулятором сокращается. В последней фазе вдоха внутри камеры регулятора излишнее давление сменяется на разреженние. Воздух уже не подается постоянно и наступает сопротивление при вдохе. Использование сбалансированного редуктора на мембране значительно ограничило сопротивление вдоху посередине дыхательного цикла. При этом использование эффекта Вентури во благо в обеих ступенях регулятора помогло справиться с уменьшением давления внутри камеры редуктора. И работа описываемого выше регулятора становится 0,1 джоуль на литр.
То, сбалансированы ли обе ступени регулятора, мало влияет на внешний вид линии графика. Этот факт важен для манипулирования различными характеристиками регулятора в самых разных условиях использования. На вид кривой, описывающей сопротивление дыханию, влияет глубина. С ростом глубины меняется плотность воздуха, с уменьшением плотности воздуха снижается скорость потока из-за приумножения силы трения потока воздуха и деталей регулятора. Именно поэтому стандарт оговаривает глубину тестирования регуляторов.
Так, например, если «поиграть» с заслоном Вентури — отрегулировать степень прилагаемой силы для открытия клапана, то на определенной глубине дышать станет легко. И чем глубина меньше, тем дыхание легче. При выходе на поверхность может оказаться, что регулятор пропускает воздух (в случае направленности загубника вверх или при работе системы дыхания в режиме free flow). Причина этого кроется в изменении плотности воздуха. Следовательно, привлекательная диаграмма, составленная из данных теста, в принятых по стандарту условиях не гарантирует отличной работы регулятора всегда. Но учитывать эти графики необходимо. Возможно, в скором будущем регулятор станет идеальным, но пока производителям есть к чему стремиться.
