Ребризерная система
REBREATHER SYSTEM

Настоящее изобретение имеет отношение к ребризерной системе полузамкнутого цикла.
Ребризер с полузамкнутым циклом представляет собой устройство, которое позволяет повторно использовать газ, выдыхаемый дайвером, с отфильтровыванием содержащейся в нем двуокиси углерода и возмещением кислорода, метаболизированного во время дыхания.
Воздух вокруг нас состоит из приблизительно 21% кислорода, 78% азота и 1% других газов, таких как гелий, аргон и другие. Чтобы выжить, люди должны дышать газом с наименьшим возможным содержанием кислорода. Не весь вдыхаемый кислород метаболизируется и, следовательно, потребляется во время дыхания, но это не означает, что вы можете просто дышать газом, содержащим такое количество кислорода, которое фактически метаболизируется.
В нормальных условиях, например, содержание кислорода во вдыхаемом нами воздухе составляет 21%, а в выдыхаемом - около 17% (поэтому, например, дыхание "рот в рот" может обеспечить то количество кислорода, которое необходимо для поддержания или восстановления базального уровня кислорода в организме человека, подвергаемого сердечно-легочной реанимации), а именно, мы метаболизируем, и, следовательно, потребляем только 4% из 21% кислорода, содержавшегося во вдыхаемом воздухе. Но если содержание кислорода во вдыхаемом газе падает ниже 18%, начинают возникать такие симптомы, как головные боли и другие дискомфортные состояния, а при содержании кислорода ниже 16% возникает еще больше проблем. Дальнейшее снижение содержания кислорода приводит, наряду с прочим, к сонливости, за которой следует смерть без осознания этого человеком.
В нормальных условиях давление на поверхности моря близко к 1 бар (0,1 МПа), поэтому мы можем рассматривать содержание кислорода в процентах. Но с физиологической точки зрения правильнее говорить о парциальном давлении кислорода. Количество кислорода в подобном выражении позволяет нам рассматривать также гипобарические среды (высокие горы, где давление, например, может составлять 0,7 бар (0,07 МПа) на высоте 3000 м) и гипербарические среды (под водой, где на каждые 10 м глубины давление увеличивается на примерно 1 бар (0,1 МПа)). Парциальное давление газа определяется как объемная доля газа в смеси, умноженная на давление самой смеси. Таким образом, 21% кислорода при атмосферном давлении соответствует приблизительно 0,21 бар (0,021 МПа), где погрешность обусловлена колебаниями атмосферного давления не только из-за климатических воздействий, но и из-за высоты.
Человек в нормальных условиях (но не в стрессовых условиях, когда потребление увеличивается) потребляет 0,04-0,05 бар (0,004-0,005 МПа) кислорода на один дыхательный цикл и нуждается в по меньшей мере 0,18 бар (0,018 МПа) парциального давления кислорода в дыхательной газовой смеси, чтобы метаболизировать кислород без наличия таких симптомов, как головная боль или более тяжелые симптомы.
Когда парциальное давление кислорода падает ниже 0,16-0,18 бар (0,016-0,018 МПа), это считается ГИПОКСИЕЙ, или дефицитом кислорода. Аналогично говорят о ГИПЕРОКСИИ, когда присутствует слишком много кислорода. Гипоксия, очевидно, может быть смертельной, но и гипероксия может привести к очень серьезным последствиям. В зависимости от продолжительности воздействия кислорода под повышенным давлением, допустимый предел для людей составляет 1,4-1,6 бар (0,14-0,16 МПа), тогда как значение 1,3 бар (0,13 МПа) переносится даже при воздействиях в течение длительного периода времени и поэтому считается безопасным пределом.
При традиционном погружении дайвер несет баллон сжатого воздуха, который подается в организм дайвера под давлением окружающей среды с помощью редукционных клапанов и клапанов, срабатьюающих по требованию (так называемых регуляторов первой и второй ступеней).
Поскольку давление окружающей среды увеличивается на 1 бар (0,1 МПа) каждые 10 м глубины, при Юм мы имеем 2 бар (0,2 МПа), при 20 м - 3 бар (0,3 МПа) и т.д. Принимая во внимание определение парциального давления, при 30 м дайвер вдыхает 4 бар × 0,21=0,84 бар (0,4 МПа × 0,21=0,084 МПа) кислорода, но потребляет всего 0,04 бар (0,004 МПа), как на поверхности моря, что приводит к еще большему количеству неиспользованного кислорода в газе, выдыхаемом в виде пузырьков, выходящих со второй ступени и поднимающихся к поверхности моря.
2
2
Идея состоит в том, чтобы не выдыхать газ в окружающую воду и не рассеивать его в окружающей среде, тем самым удаляя его из дыхательной системы, но чтобы сохранить этот газ в контуре дыхательной системы и сделать его доступным для того, чтобы дышать им снова, тем самым используя высокое содержание кислорода в нем. Потребляемый кислород, т.е. метаболизируемый в соответствии с правильной медицинской терминологией, превращается в СО, двуокись углерода. СО представляет собой газ, который даже при очень низких уровнях может иметь очень негативные последствия для человека, поэтому дыхание выдыхаемым газом, который все еще имеет высокое содержание кислорода, является приемлемым при условии удаления двуокиси углерода. Кроме того, поскольку содержание, эквивалентное парциальному давлению 0,8 бар (0,08 МПа) кислорода, сохраняется недолго, необходимо также предусмотреть систему возмещения потребленного кислорода.
2
2
Вышеупомянутая концепция является базовой концепцией ребризера, который бывает двух типов. В случае ребризера так называемого замкнутого цикла дайвер использует контур, включающий в себя систему фильтрации СО, и два отдельных газовых баллона: один с чистым кислородом, а второй с разбавителем (обычно воздухом). В случае ребризера полузамкнутого цикла система фильтрации концептуально идентична системе фильтрации замкнутого цикла, но имеется только один баллон, содержащий смесь обогащенного кислородом воздуха. В обоих случаях объем контура должен соответствовать максимальному объему, ожидаемому при выдыхании, который составляет приблизительно 5 л, и этот контур, который называют "противолегким", часто, но не обязательно, разделен на две части: одну до и одну после системы фильтрации СО.
В замкнутом контуре метаболизированный во время дыхания кислород возмещается из баллона с чистым кислородом, поток которого может регулироваться вручную или электронным путем, чтобы всегда иметь точно такой же объем газа. Эта система обеспечивает наивысшую эффективность использования газа и позволяет проводить даже очень длительные погружения при использовании баллонов очень малого объема. В обсуждаемом замкнутом контуре, с целью предотвращения вышеупомянутой гипероксии, абсолютно необходим баллон с разбавителем. Например, если дайвер находится на глубине 30 м при парциальном давлении кислорода 1,3 бар (0,13 МПа), то для погружения до 40 м он должен "разбавлять" этот кислород, потому что в противном случае парциальное давление кислорода возрастает до более чем 1,6 бар (0,16 МПа) из-за дополнительного увеличения давления окружающей среды на 1 бар (0,1 МПа), вызванного переходом с глубины 30 м на глубину 40 м.
В полузамкнутом контуре кислород пополняется из баллона, содержащего воздух, обогащенный кислородом, например, 40% кислорода и 60% азота (на жаргоне дайверов обычно называемый Nitrox 40). Этот метод приводит к крайнему упрощению системы по разным причинам, не являющимся объектом этого изобретения, но имеет один недостаток: если необходимо компенсировать 4 единицы кислорода, метаболизированного в дыхательном цикле, то при этом в обязательном порядке также добавляются 6 единиц азота. Этот избыточный объем газа должен быть удален в окружающую среду, поскольку в противном случае объем "противолегкого" чрезмерно увеличивается, тем самым выталкивая дайвера к поверхности моря.
Следовательно, "противолегкое" должно иметь определенную, более или менее непрерывную, утечку газа, которая и обусловила возникновение названия "полузамкнутого" цикла. Эта утечка привносит два очевидных недостатка: потерянный газ также содержит кислород, поэтому эффективность этой системы ниже, чем у замкнутого контура, и, кроме того, вследствие использования смеси кислорода и азота для пополнения кислорода, доля кислорода, по отношению к газовой смеси в баллоне, будет всегда получаться ниже начальной.
Этот недостаток в значительной степени компенсируется преимуществом, заключающемся в простоте открытой системы по сравнению с закрытой. Фактически при изготовлении полузамкнутой системы может обеспечиваться полностью механическая система с отверстием, делающим возможным постоянный выход газа без какого-либо конкретного клапана, если поток достаточен для покрытия потребности в кислороде даже в состоянии максимального напряжения.
Однако для того, чтобы покрыть потребность в кислороде в аварийных условиях, поток пополняющего газа по-прежнему должен быть очень высоким, и, как следствие, эффективность системы оказывается низкой с точки зрения потребления дыхательной газовой смеси.
Увеличивая сложность, которая, несмотря на это, всегда меньше, чем сложность замкнутой системы, можно ввести в конструкцию электронную систему управления в сочетании с сенсорными системами, а также электромагнитным клапаном. Система управления, снабженная датчиками и электромагнитным клапаном, контролирует парциальное давление и, следовательно, долю кислорода в газе, и, соответственно, открывает электромагнитный клапан, который регулирует поток пополняющего газа только тогда, когда в нем возникает потребность. Поскольку минимальное количество кислорода всегда метаболизируется и, следовательно, должно постоянно пополняться, наряду с электромагнитным клапаном может быть предусмотрен регулятор расхода пополняющего газа, например, проходное отверстие, просвет которого является постоянным или может быть регулируемым. Этот регулятор расхода пополняющего газа должен настраиваться не на аварийный поток, т.е. поток, обеспечивающий пополнение количества метаболизированного кислорода, которое превышает нормальное среднее значение, а на минимальный поток, обеспечивающий только пополнение при условии нормального или среднего потребления или метаболизирования кислорода. В этой системе электромагнитный клапан выполняет функцию компенсации колебаний парциального давления из-за любых пиков потребления кислорода.
Системы такого типа известны в современном уровне техники, но они сконструированы таким образом, что при отсутствии энергии (электроэнергия в виде аккумуляторных батарей, питающих различные цепи и клапаны) система управления останавливается, и потребленный кислород больше не возмещается. В результате парциальное давление кислорода падает до такой степени, что дайвер умирает, поскольку, если он этого не замечает, то он засыпает и больше не просыпается.
В базовой конфигурации системы ребризера, в частности, системы с полузамкнутым контуром, содержат по меньшей мере:
- один мундштук,
- один первый дыхательный мешок для выдыхаемой дыхательной газовой смеси, сообщающийся с упомянутым мундштуком через шланг, в частности, гофрированный шланг;
- один второй дыхательный мешок для дыхательной газовой смеси, из которой была удалена двуокись углерода, также сообщающийся с упомянутым мундштуком через шланг, в частности, гофрированный шланг;
- один фильтр для удаления двуокиси углерода из выдыхаемой дыхательной газовой смеси, который размещен перед или после одного из дыхательных мешков, либо объединяет упомянутые первый и второй дыхательные мешки, либо размещен между упомянутыми первым и вторым дыхательными мешками;
- один резервуар для заданного количества газовой смеси, пополняющей уровень кислорода в дыхательной газовой смеси, при этом упомянутая пополняющая газовая смесь находится под давлением в баллоне со сжатым газом;
- одну трубку, подающую пополняющую газовую смесь из резервуара в контур, и управляемый давлением блок подачи, подающий в упомянутую трубку заданное количество пополняющей газовой смеси, причем упомянутый блок подачи относится к типу сервоуправляемых, например, представляет собой электромагнитный клапан;
- один или несколько датчиков, выбранных из числа следующих датчиков или комбинаций следующих датчиков: датчик давления, датчик уровня кислорода, датчик уровня двуокиси углерода, датчик истощения фильтра для удаления двуокиси углерода, датчик уровня заполнения для резервуара с пополняющей газовой смесью;
- один электронный блок управления, который принимает сигналы измерения от упомянутых датчиков и который, в зависимости от назначения сигналов управления, управляющих упомянутым сервоуправляемым блоком подачи, вырабатывает сигнал управления, управляющий упомянутым сервоуправляемым блоком подачи.
Как замкнутые, так и полузамкнутые ребризеры, безусловно, предпочтительны по сравнению с открытыми системами, поскольку они еще и позволяют экономить дыхательную газовую смесь, тем самым предоставляя возможность значительного увеличения продолжительности погружений при одной и той же загрузке дыхательной газовой смесью.
По сравнению с открытыми дыхательными системами, в которых дыхательная газовая смесь, подаваемая из баллона, известна и постоянна на протяжении всего погружения и соответствует газу, наполняющему баллон, в ребризерных системах состав газа в контуре постоянно изменяется и нуждается в точном контроле на протяжении всего погружения. Как следствие, может быть предусмотрено электронное измерение содержания кислорода, обеспечиваемое либо только ручным вмешательством дайвера, либо только электронным вмешательством электромагнитного клапана, управляемого подводным компьютером, или комбинацией механического и электронного действий. Однако для осуществления измерения содержания кислорода и работы электромагнитного клапана, если таковой имеется, всегда требуется источник энергии.
Следует отметить, что в полузакрытом ребризере можно было бы теоретически исключить осуществление измерений и механических вмешательств путем подачи газа нитрокса через отверстие, которое определяет довольно высокий расход с постоянной скоростью потока, но этот метод очень неэффективен при использовании газа, и, более того, для расчета декомпрессии желательно знать состав дыхательной газовой смеси, так что полузакрытые системы с динамическим регулированием пополняющего потока являются более предпочтительными. Однако в этих системах в случае отсутствия энергии и/или выхода из строя электроники, электрические системы ребризера прекращают подачу пополняющего газа и, таким образом, создают ситуацию, опасную для пользователя.
Таким образом, для применения ребризеров, особенно для спортивных и рекреационных целей, работу полузакрытых ребризеров необходимо дополнительно оптимизировать с точки зрения безопасности.
Поэтому основной целью настоящего изобретения является совершенствование известных ребризеров путем создания системы так называемого ребризерного типа, в которой, в случае неисправности управляющей электроники и/или отсутствия электрической энергии, система автоматически переходит в режим безопасности, при котором гарантируются условия подачи дыхательной газовой смеси, совместимые с условиями выживания пользователя, и которые делают возможным также выполнение различных декомпрессионных процессов для безопасного всплытия.
В частности, автоматическое переключение в режим безопасности должно происходить без необходимости активного вмешательства человека в работу элемента контура ребризера и с применением исполнительных механизмов, не требующих источника электрической или электромагнитной энергии.
Предметом настоящего изобретения является полузамкнутый ребризер, в котором использован электромагнитный клапан нормально открытого типа для управления потоком пополняющего газа, подаваемого в контур ребризера по меньшей мере одним баллоном пополняющего газа, т.е. такой клапан, который при отсутствии подачи энергии переходит в открытое состояние, что обеспечивает прохождение потока пополняющего газа с максимальной скоростью потока, заданной во время начальной стадии проектирования или регулировки.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения полузамкнутый ребризер содержит контур рециркуляции и фильтрации выдыхаемой газовой смеси и контур для возмещения количества потребленного кислорода, включающий в себя сервоуправляемый клапан, который управляется схемой управления и находится в закрытом состоянии, если имеется электрический сигнал управления, и который переходит в полностью открытое состояние при отсутствии упомянутого электрического сигнала управления.
Настоящее изобретение достигает вышеуказанных целей созданием системы ребризерного типа, включающей в себя:
- мундштук,
- первый дыхательный мешок для выдыхаемой дыхательной газовой смеси, сообщающийся с упомянутым мундштуком через шланг, в частности, через гофрированный шланг;
- второй дыхательный мешок для дыхательной газовой смеси, из которой была удалена двуокись углерода, и который также сообщается с мундштуком через шланг, в частности, через гофрированный шланг;
- фильтр для удаления двуокиси углерода из выдыхаемой дыхательной газовой смеси, который размещен перед или после одного из дыхательных мешков, либо объединяет упомянутые первый и второй дыхательные мешки, либо размещен между упомянутыми первым и вторым дыхательными мешками, если последние являются раздельными устройствами;
- резервуар для заданного количества газовой смеси, пополняющей уровень кислорода в дыхательной газовой смеси, при этом упомянутая пополняющая газовая смесь хранится под высоким давлением, т.е. находится в баллоне со сжатым газом;
- трубку, подающую пополняющую газовую смесь из резервуара высокого давления в контур, и управляемый давлением блок подачи, подающий в упомянутую трубку заданное количество пополняющей газовой смеси, причем упомянутый блок подачи относится к типу сервоуправляемых;
- один или несколько датчиков, выбранных из числа следующих датчиков или комбинаций следующих датчиков: датчик давления, датчик уровня кислорода, датчик уровня двуокиси углерода, датчик истощения фильтра для удаления двуокиси углерода, датчик уровня заполнения для резервуара с пополняющей газовой смесью;
- электронный блок управления, который принимает сигналы измерения от упомянутых датчиков и который вырабатывает сигнал, управляющий сервоуправляемым блоком подачи, при этом упомянутый сигнал устанавливается в зависимости от назначения этих сигналов управления упомянутым сервоуправляемым блоком подачи и при этом:
- упомянутый блок подачи включает в себя сервоуправляемый клапан подачи нормально открытого типа, т.е. клапан, который при отсутствии управляющего сигнала приведения в действие и/или подачи, автоматически и надежно переходит в состояние, обеспечивающее возможность подачи пополняющей газовой смеси.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения электронный блок управления выполняет программу управления, с использованием которой упомянутые электронный блок управления и датчики настраивают для диагностирования по меньшей мере одного или нескольких из следующих параметров или комбинаций следующих параметров: давление дыхательной газовой смеси, уровень кислорода в первом дыхательном мешке и/или втором дыхательном мешке, уровень двуокиси углерода в первом дыхательном мешке и/или втором дыхательном мешке, уровень истощения фильтра для удаления двуокиси углерода, давление пополняющего газа в резервуаре, и при этом упомянутая программа управления приводит в действие блок управления для определения необходимого количества пополняющего газа, которое должно быть подано в контур для восстановления заданного уровня кислорода в дыхательной газовой смеси, и для генерирования управляющих сигналов для блока подачи, необходимых для приведения в действие упомянутого блока подачи для подачи упомянутого необходимого количества пополняющего газа в контур для восстановления заданного уровня кислорода в дыхательной газовой смеси.
При необходимости в комбинации с блоком управления может быть предусмотрен дисплейный интерфейс, отображающий данные одного или нескольких измерения(-й) и/или другие величины, определенные одним или несколькими датчиком(-ами), или в зависимости от значений, измеренных упомянутым(-и) одним или несколькими датчиком(-ами), и/или буквенно-цифровые или графические сообщения или информацию.
Упомянутый интерфейс может включать в себя один дисплейный монитор, управляемый блоком обработки графики, который непосредственно выполняет программу отображения графики или выполняет управляющие команды блока управления, чтобы перенастроиться для графического представления, отображающего данные одного или нескольких измерения(-й) и/или другие величины, определенные одним или несколькими датчиком(-ами), или в зависимости от значений, измеренных упомянутым(-и) одним или несколькими датчиком(-ами), и/или буквенно-цифровые или графические сообщения или информацию.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, который может быть предоставлен как альтернатива или в сочетании с предыдущими вариантами осуществления, упомянутый электронный блок управления может быть снабжен интерфейсом для соединения со средством для ввода команд и/или данных, которое может быть подключено к упомянутому интерфейсу либо кабелем, либо через беспроводное соединение.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения блок обработки данных может быть снабжен портом для соединения с периферийными устройствами для хранения и/или передачи программ или баз данных.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения электронный блок управления, выполняющий программу управления, представляет собой систему для управления подачей обогащенной кислородом пополняющей газовой смеси в контур ребризера, включающую в себя:
2
2
2
MIN
- по меньшей мере одно средство ввода данных для установки по меньшей мере одного рабочего режима, или заданного значения SO, соответствующего целевой концентрации О в газе, который пользователь может вдыхать в этом контуре, причем упомянутое по меньшей мере одно заданное значение (SO) превышает по меньшей мере одно минимальное безопасное значение (S);
2
- по меньшей мере одно измерительное средство для измерения фактической концентрации О в газе, который может вдыхаться в этом контуре;
- по меньшей мере одно подающее средство для подачи этой обогащенной кислородом пополняющей смеси; а также
- по меньшей мере одно средство управления упомянутым подающим средством;
2
2
упомянутое средство управления упомянутым подающим средством выполнено так, чтобы его можно было регулировать в зависимости от объема пополняющей газовой смеси, необходимого для добавления кислорода в дыхательную газовую смесь, чтобы довести уровень кислорода в дыхательной газовой смеси до значения фактической концентрации О, соответствующей по меньшей мере упомянутому заданному значению SO, установленному средством ввода данных.
2max
2max
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрена максимальная величина заданного значения SO, причем подающее средство для подачи пополняющего газа управляется таким образом, чтобы уровень кислорода в дыхательной газовой смеси не превышал упомянутой максимальной величины заданного значения SO.
Таким образом, поскольку может быть предусмотрен порог максимальной величины заданного значения, система управления ребризером позволяет регулировать долю кислорода в дыхательной газовой смеси путем регулирования расхода пополняющего газа и времени открытия подающего средства, например, электромагнитного клапана нормально открытого типа. В зависимости от доли кислорода в пополняющем газе в баллоне и расхода пополняющего газа, система может быть сконфигурирована таким образом, чтобы устанавливать значение доли кислорода в дыхательной газовой смеси и изменять долю кислорода в упомянутой смеси на протяжении погружения с целью дальнейшей оптимизации использования газа. Например, если пополняющий газ в баллоне представляет собой Nitrox 40, то долю кислорода, например, 25% кислорода, в дыхательной газовой смеси в контуре можно получить, устанавливая очень низкий расход пополняющего газа. Другими словами, если начинать с пополняющего газа с долей кислорода, составляющей 40%, как в случае с Nitrox 40, то долю кислорода в контуре можно уменьшить до 25%, чтобы иметь дополнительную эффективность при использовании газа.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения может быть предложена ребризерная система в соответствии с одним или несколькими из вышеописанных вариантов осуществления настоящего изобретения, в которой предусмотрен второй баллон для декомпрессии. Подобным образом ребризерная система может быть оптимизирована для условий с очень продолжительными периодами декомпрессии.
В этом случае первый баллон, содержащий пополняющий газ, предпочтительно может быть отсоединен от контура (например, баллон с 40% кислорода), а к контуру может быть подсоединен второй баллон с 80-100% кислорода, так что процесс декомпрессии может эффективно осуществляться газами с высокой концентрацией кислорода.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения обогащенная кислородом пополняющая смесь представляет собой смесь кислорода и по меньшей мере еще одного физиологически инертного газа, такого как азот или другие газы либо их смеси, причем процентное содержание кислорода в обогащенной смеси превышает содержание кислорода в атмосферном воздухе.
Согласно иллюстративному примеру осуществления настоящего изобретения содержание кислорода в пополняющей смеси может составлять от 22% до 60%, предпочтительно - от 28% до 60%.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения содержание кислорода в пополняющей смеси может составлять 40-50% от не предназначенного для дыхания газового компонента, такого как азот, другие газы или их смеси.
Таким образом, благодаря клапану нормально открытого типа, в случае нарушения работы электронных компонентов ребризерной системы и, в частности, отсутствия электроэнергии, пополняющая смесь свободно попадает в контур с расходом, достаточным для удовлетворения потребности в пополняющем газе, вызванной аварийной ситуацией.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения электронный блок управления имеет автоматическую подсистему функциональной диагностики, которая в случае обнаружения одного или нескольких ненадлежащего(-их) рабочего(-их) режима(-ов) электронного блока и/или одного или нескольких периферийного(-ых) устройства(-ств), подключенного(-ых) к упомянутому электронному блоку, устанавливает клапан подачи в открытое состояние, автоматически необратимо, или в жизненно важном режиме, прекращая передачу на клапан подачи управляющего сигнала, который поддерживает его в закрытом состоянии.
Эти и другие цели настоящего изобретения будут ясны из нижеследующего описания некоторых иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, изображенных на прилагаемых фигурах, на которых:
На Фиг. 1 показан схематический вид контура дыхательной системы ребризера полузамкнутого цикла.
На Фиг. 2 показана схема последовательности операций варианта исполнения устройства, соответствующего настоящему изобретению, в котором аварийный функциональный режим активируется блоком управления, который по меньшей мере частично работает на основе диагностического анализа.
На фигуре схематически показана ребризерная система полузамкнутого цикла. Пользователь вдыхает и выдыхает через мундштук 10 дыхательную газовую смесь, содержащуюся в контуре. Мундштук 10 имеет соединительное ответвление к первому дыхательному мешку 20, в который нагнетают выдыхаемый воздух. Обратный клапан 21 во время вдыхания предотвращает попадание ранее выдохнутой дыхательной газовой смеси из первого дыхательного мешка до ее обработки в блоке 30 для удаления двуокиси углерода и до восстановления содержания кислорода, потребленного во время предшествующего вдоха/выдоха.
Выход первого дыхательного мешка 20 сообщен с фильтром для удаления диоксида углерода, а газовая смесь, из которой был удален диоксид углерода, подается во второй дыхательный мешок 40.
Трубка 60 для подачи газовой смеси, пополняющей уровень кислорода в дыхательной газовой смеси, соединяет второй дыхательный мешок 40 с баллоном 50, содержащим заданное количество упомянутой пополняющей смеси при заданном давлении.
В трубке 60 для подачи пополняющей газовой смеси установлен редуктор 70 давления для регулирования давления пополняющего газа, подаваемого в дыхательный мешок 40, тогда как подача пополняющей газовой смеси во второй дыхательный мешок регулируется с помощью электромагнитного клапана 80.
Второй дыхательный мешок 40 сообщен с мундштуком 10 с помощью обратного клапана 41, который предотвращает подачу потока выдыхаемой газовой смеси во второй дыхательный мешок 40.
Системой управляет блок управления, обозначенный позицией 90. Блок 90 управления генерирует сигналы управления электромагнитным клапаном 80 подачи на основе сигналов измерения различных датчиков, которые содержит система и которые не изображены отдельно один от другого, но в совокупности обозначены позициями 100, чтобы не усложнять фигуру.
Для измерения различных величин могут быть использованы различные комбинации датчиков.
В минимальной конфигурации система содержит по меньшей мере один датчик концентрации кислорода в дыхательной газовой смеси, который может быть использован для контроля уровня кислорода в дыхательной газовой смеси и для определения количества пополняющей смеси, необходимой для компенсации потребления кислорода в течение дыхательного цикла.
Для измерения концентрации кислорода предпочтительно предусмотрены два датчика:
- датчик для измерения давления окружающей среды;
- датчик для измерения парциального давления кислорода;
и из этих двух измерений может быть получена доля кислорода, необходимая для ребризера полузамкнутого цикла.
Согласно одному из усовершенствований дополнительно могут быть установлены по меньшей мере один датчик концентрации диоксида углерода в дыхательной газовой смеси, по меньшей мере один детектор уровня насыщения фильтра для удаления диоксида углерода, по меньшей мере один датчик давления и/или уровня заряда баллона с пополняющим газом.
Этот/эти датчик(-и) является(-ются) факультативным(-и) датчиком(-ами), так как производительность фильтра более чем удовлетворительно регулируют путем замены натровой извести с надлежащей частотой. Напротив, измерение давления в баллоне предназначено для предупреждения дайвера, когда газ почти исчерпан.
Поэтому улучшение, достигаемое посредством проверки как уровня двуокиси углерода в дыхательной газовой смеси, так и продолжительности использования фильтра для удаления двуокиси углерода из дыхательной газовой смеси для контроля остаточного срока службы фильтра и, следовательно, временных пределов погружения, выходит за пределы функционирования системы управления в базовой конфигурации.
Аналогично, количество пополняющей смеси и время погружения могут проверяться с учетом возможности компенсации потребления кислорода в дыхательной газовой смеси.
Также могут быть применены измерения дополнительных параметров, которые являются избыточными по отношению к минимальной конфигурации и могут помочь повысить уровень надежности системного контроля с помощью перекрестной проверки величины измерений. Например, уровень кислорода может быть измерен как в ответвлении для выдыхаемого газа, соединяющем мундштук 10 с первым дыхательным мешком 20, так и в ответвлении для вдыхаемого газа, соединяющем второй дыхательный мешок с мундштуком 10, или же в первом и втором дыхательных мешках, соответственно.
Блок 90 управления может состоять из аналоговых или цифровых аппаратных средств.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения алгоритм для вычисления количества пополняющей смеси, которое должно быть подано в контур для компенсации физиологического потребления кислорода из дыхательной газовой смеси, может быть реализован в виде аппаратных средств, в которых, как результат, также постоянно содержатся сигналы управления электромагнитным клапаном 80 в зависимости от сигналов измерения, обнаруженных одним или несколькими датчиком(-ами) в соответствии с любой из конфигураций датчиков, описанных выше.
С другой стороны, в предпочтительном варианте осуществления аппаратные средства включают в себя блок обработки данных, снабженный процессором, по меньшей мере один блок памяти, по меньшей мере одно рабочее запоминающее устройство и по меньшей мере один порт загрузки программы, в котором алгоритм вычисления кодируется в виде инструкций, исполняемых процессором, для определения количества пополняющей смеси, подаваемого в контур, для компенсации физиологического потребления кислорода из дыхательной газовой смеси, и для задавания, как результат, сигналов управления электромагнитным клапаном 80 в зависимости от сигналов измерения, обнаруженных одним или несколькими датчиком(-ами) в соответствии с любой из описанных выше конфигураций.
Согласно другому усовершенствованию система управления содержит по меньшей мере один порт связи для связи с интерфейсом(-ами) одного или нескольких различных типа(-ов) для ввода данных и/или команд, в целом обозначенный позицией 91.
Через эти интерфейсы возможно задать условия работы системы, например, параметры для настройки алгоритма расчета, и/или пороговые значения уровня содержания кислорода в дыхательной газовой смеси, и/или параметры для задания функций фильтра, и задать параметры для настройки дополнительных периферийных устройств, которые также могут быть подключены к блоку 90 управления, таких как средства графического взаимодействия, в которых внешний вид самого интерфейса, в части, касающейся доступных инструментов и меню или информации, и/или внешний вид представления информации о рабочем состоянии и ожидаемом сроке службы фильтра и/или пополняющей газовой смеси, а также внешний вид интерфейса в части, касающейся планирования времени погружения и декомпрессии, могут быть изменены, чтобы облегчить понимание пользователем.
Согласно еще одной отличительной особенности, блок 90 управления может содержать дисплейный монитор 92, подключенный к порту самого блока управления. Упомянутый дисплей также может быть сенсорным экраном.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения блок 90 управления может быть снабжен одним или несколькими портом(-ами) 93 беспроводной связи для связи с устройством или периферийным устройством любого типа, а также может быть интегрирован со средствами, передающими идентификационные и/или коммуникационные сигналы на другие блоки управления для связи с удаленным диспетчерским пунктом и/или другими устройствами других пользователей.
2
2
Благодаря интерфейсу 91 ввода данных и/или команд может быть сохранена по меньшей мере один рабочий режим, или заданное значение (SO), что соответствует достижению заданной концентрации О при использовании в дыхательной газовой смеси, например, во втором дыхательном мешке 40 или в ответвлении, соединяющем последний с мундштуком 10.
2
Датчики 100, измеряющие концентрацию О, фактически присутствующую в газовой дыхательной газовой смеси, могут быть установлены как в первом, так и во втором дыхательных мешках или в связанных с ними ответвлениях, ведущих к мундштуку, а значения, определяемые этими датчиками, используются для определения количества пополняющей газовой смеси, которая должна быть введена во второй дыхательный мешок 40, чтобы довести концентрацию кислорода в дыхательной газовой смеси до величины, соответствующей предварительно заданному значению.
Данные, вычисленные блоком обработки данных, входящим в состав блока 90 управления, преобразуются в команду для клапана 80 самим блоком управления.
Клапан 80 представляет собой клапан нормально открытого типа, т.е. сервоуправляемый клапан, который, при отсутствии управляющего сигнала, переходит в полностью открытое состояние, требуя сигнала управления для перехода в закрытое состояние. Это означает, следовательно, что упомянутый выше управляющий сигнал также содержит условие прекращения сигнала. Когда электронный блок 90 управления обнаруживает необходимость подачи предварительно заданного количества пополняющей смеси в дыхательный мешок 40, он блокирует входной сигнал на клапан 80, чтобы заставить этот клапан открыться в течение заранее заданного промежутка времени, который определяется количеством пополняющей газовой смеси, проходящей через отверстие клапана 80 за единицу времени, и концентрацией кислорода в пополняющей газовой смеси.
Если концентрация кислорода в дыхательной газовой смеси находится на заданном уровне, клапан 80 остается закрытым, и на него блоком управления подается соответствующий управляющий сигнал.
Преимущество этой конфигурации заключается в том, что при отсутствии энергии или в условиях, когда доступная энергия недостаточна, клапан 80 переходит в открытое состояние и, следовательно, позволяет пополняющей смеси свободно проходить в дыхательный мешок 40.
Механический редуктор 70 давления обеспечивает, что величина давления является регулируемой и задается самим редуктором. Кроме того, в контуре имеется клапан избыточного давления, который стравливает некоторое количество дыхательной газовой смеси в случае, когда давление превышает определенное максимальное заданное значение.
На Фиг. 1 этот клапан обозначен позицией 110.
Наряду с этим, клапан 110 избыточного давления представляет собой систему, предусмотренную в ребризерах полузамкнутого цикла для того, чтобы сбрасывать из контура часть выдыхаемой дыхательной газовой смеси, соответствующую количеству пополняющей газовой смеси, подаваемому в дыхательный мешок 40.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения поток пополняющей газовой смеси в открытом состоянии сервоуправляемого клапана 80 подачи можно регулировать. В этом случае может быть предусмотрен блок 120 регулирования потока, который может регулироваться фиксированным или регулируемым проходным отверстием, и который может быть размещен последовательно с проходным отверстием клапана.
Блок регулирования потока для регулирования потока газовой смеси, пополняющей уровень кислорода, может состоять либо из блока, отделенного от клапана, как показано на фигуре, либо может быть выполнен за одно целое с ним.
Регулировка может выполняться только один раз во время изготовления и может быть изменена во время проведения работ по техническому обслуживанию, или ее можно выполнять с помощью исполнительных механизмов, также управляемых блоком 90 управления.
Преимущественно, если для изменения регулировки проходного отверстия регулятора 120 потока будут использованы приводные механизмы, то в случае отсутствия подачи энергии на упомянутые приводные механизмы настройка предпочтительно останется неизменной, так что для изменения упомянутой настройки потребуется активное действие для приведения в действие упомянутых приводных механизмов.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения регуляторы 120 потока настроены на подачу постоянного потока пополняющей смеси с предпочтительно относительно высокой скоростью потока, по выбору в пределах между 15 л/мин и 25 л/мин.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрен блок управления, имеющий загруженную в него программу диагностического анализа, причем упомянутый блок управления самостоятельно выполняет упомянутую программу, например, циклически и активно, управляя открытым состоянием по меньшей мере клапана 80 при обнаружении состояния потенциального отказа или частичной неисправности, способной поставить под угрозу надлежащее пополнение дыхательной газовой смеси, не подавая управляющего сигнала, который поддерживает клапан в закрытом состоянии. Таким образом, благодаря активному вмешательству блока управления в систему может быть предотвращено попадание пользователя, не осознающего этого, в опасную ситуацию из-за неисправностей, которые постепенно изменяют концентрацию кислорода относительно одного из заданных значений, или выполнения пользователем нерекомендованных операций.
На схеме последовательности операций, представленной на Фиг. 2, показан диагностический цикл, описанный выше.
Программа диагностики активируется на этапе 200. Это выполняется как общая настройка блока 90 управления.
Диагностический цикл активируется путем повторения циклов диагностики на этапе 210.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения диагностическая программа выполняет проверочный тест различных функциональных возможностей. По сравнению с приведенной схемой последовательности операций, могут быть использованы только некоторые из функций, показанных на Фиг. 2.
В частности, в этом примере, показывающем самую полную диагностическую систему на этапе 220, выполняется функциональная проверка процессора. Работа памяти проверяется на этапе 230. Функциональные возможности датчиков проверяются на этапе 240. На этапе 250 программа диагностики вычисляет отклонение между установленным уровнем кислорода и фактически измеренным уровнем кислорода в контуре ребризера. Этот этап также может содержать сравнение значений отклонения с предыдущими циклами и, следовательно, возможность проверки изменения со временем фактического значения концентрации кислорода, которое может быть вызвано постепенной потерей функциональных возможностей блоком управления и/или датчиками.
Как показано на этапе 260, возможно также выполнение функциональных тестов фильтра для удаления двуокиси углерода, которые могут заключаться как в выявлении состояния фильтра, так и в определении концентрации двуокиси углерода в дыхательной газовой смеси.
На этапе 270 анализируются данные, касающиеся проверок, и, основываясь на сравнении либо с таблицей определения риска, либо с алгоритмом вычисления индекса риска, в зависимости от результатов теста, выраженных численными оценками, определяется, достаточна ли системная функциональность для гарантирования продолжения погружения в нормальных условиях или система находится в неисправности и необходимо переключиться в аварийный режим работы.
В первом случае следующий цикл выполняется после временного интервала, предусмотренного в последовательности циклов диагностической проверки. Во втором случае этап 280 сообщает о переходе в аварийное состояние, а этап 290 по существу активирует это состояние, прекращая ввод на клапан подачи пополняющей смеси сигнала, который поддерживает сам клапан в закрытом состоянии, и, тем самым, навсегда переводя последний в фиксированное открытое положение.
Другие этапы могут быть выполнены в соответствии с одним или несколькими вариантом(-ами) осуществления, описанными выше.
На этапе 291, когда работают электронный блок 90 управления и по меньшей мере некоторые периферийные устройства 91, 92, 93 и по меньшей мере некоторые из датчиков 100, электронный блок управления может продолжать работать, выполняя только те функции, которые он надлежащим образом выполняет в соответствии с ранее проведенными проверками.
Предпочтительно, подача сигнала управления на закрытие клапана подачи пополняющей газовой смеси блокируется таким образом, что одно и то же условие блокировки оказывается автоматически необратимым, т.е. блокировка происходит в жизненно важном режиме.
В этом случае, например, в электрической линии, соединяющей исполнительный механизм клапана подачи с блоком 90 управления, может быть предусмотрено реле с нормально разомкнутыми контактами, и, при отсутствии сигнала, это реле может переходить в неизменяемое и необратимое открытое положение. Следовательно, управляющий сигнал, который поддерживает клапан подачи в закрытом состоянии, может быть подан на упомянутый клапан только в том случае, когда персонал обслуживания ребризера будет выполнять ручную перенастройку после выполнения тестов функциональности системы.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения результаты различных циклов самодиагностики, выполняемых блоком управления, т.е. подсистемой самодиагностики блока управления, предпочтительно могут храниться в памяти или в выделенной области памяти и могут быть доступны для загрузки и/или могут загружаться сервисным персоналом для дистанционного анализа с целью определения причин, которые привели к активации аварийного режима. Таким образом, причина затем может быть идентифицирована и устранена, а жизненно важное реле или переключатель 140 могут быть возвращены вручную в закрытое состояние в линии, соединяющей с исполнительным механизмом клапана 80 подачи.
Согласно еще одной отличительной особенности можно быть установлен аварийный дыхательный контур, содержащий регулятор 130 для дайвинга, который непосредственно соединен через ручной клапан с баллоном с пополняющей смесью за регулятором давления и, таким образом, образует открытую дыхательную систему традиционного типа, которая может быть использована как альтернатива ребризерного контура. Это предоставляет дополнительную безопасность, особенно тогда, когда, например, функция фильтрации двуокиси углерода больше не доступна из-за неисправности фильтра 30.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения установлен альтернативный регулятор 130 для дайвинга, соединенный с баллоном 50 через редуктор 70.