Ребризер для дайвинга - это подводный дыхательный аппарат , который поглощает углекислый газ из выдыхаемого дайвером воздуха , обеспечивая повторное дыхание (рециркуляцию) практически неиспользованного содержания кислорода и неиспользованного инертного содержимого, если оно присутствует, при каждом вдохе. Кислород добавляется для восполнения количества, усваиваемого дайвером. В этом его отличие от дыхательных аппаратов открытого типа, в которых выдыхаемый газ выбрасывается непосредственно в окружающую среду. Цель состоит в том, чтобы увеличить продолжительность дыхания при ограниченном запасе газа, а также для скрытого военного использования водолазами или наблюдения за подводной жизнью, чтобы устранить пузырьки, образующиеся в системе с открытым контуром. Под ребризером для дайвинга обычно понимают портативное устройство, переносимое пользователем, и, следовательно, это тип автономного подводного дыхательного аппарата (акваланга). Полузакрытый ребризер, который носит с собой дайвер, также может быть известен как расширитель газа . Одну и ту же технологию на погружной или надводной установке скорее можно назвать системой жизнеобеспечения .
Технология ребризера для дайвинга может использоваться там, где подача дыхательного газа ограничена или когда дыхательный газ специально обогащен или содержит дорогие компоненты, такие как гелиевый разбавитель. Ребризеры для дайвинга применяются для первичной и аварийной подачи газа. Аналогичная технология используется в системах жизнеобеспечения на подводных лодках, подводных аппаратах, в подводных и надводных средах обитания, а также в системах утилизации газа, используемых для восстановления больших объемов гелия, используемого при насыщенных погружениях .
Переработка дыхательного газа происходит за счет технологической сложности и дополнительных опасностей, которые зависят от конкретного применения и типа используемого ребризера. Масса и объем могут быть больше или меньше, чем у эквивалентного акваланга с открытым контуром, в зависимости от обстоятельств. Ребризеры для дайвинга с электронным управлением могут автоматически поддерживать парциальное давление кислорода между программируемыми верхним и нижним пределами или заданными точками и быть интегрированы с декомпрессионными компьютерами для мониторинга состояния декомпрессии дайвера и записи профиля погружения .
Ребризеры для дайвинга обычно используются для подводного плавания с аквалангом , где количество дыхательного газа, переносимого дайвером, ограничено, но также иногда используются в качестве расширителей газа для подводного плавания с надводным подводом и в качестве аварийных систем для подводного плавания с аквалангом или с надводного подводного плавания. [1] В системах рециркуляции газа , используемых при глубоких погружениях с гелиоксом, используется технология, аналогичная ребризерам, как и в системах жизнеобеспечения для дайвинга с насыщением , но в этих случаях дайвер не носит с собой оборудование для рециркуляции газа. [2] Атмосферные водолазные костюмы также оснащены ребризерной технологией для рециркуляции дыхательного газа в рамках системы жизнеобеспечения. [3]
Ребризеры обычно более сложны в использовании, чем акваланги с открытым контуром, и имеют больше потенциальных точек отказа , поэтому приемлемо безопасное использование требует более высокого уровня навыков, внимания и ситуационной осведомленности, что обычно достигается за счет понимания систем, тщательного обслуживания и изучения ситуации. практические навыки эксплуатации и устранения неисправностей . Отказоустойчивая конструкция может снизить вероятность выхода из строя ребризера, что сразу же подвергает опасности пользователя, и снижает нагрузку на дайвера, что, в свою очередь, может снизить риск ошибки оператора. [4] [5]
Технология полузакрытого ребризера также используется в газовых расширителях, переносимых дайверами на поверхность, главным образом для уменьшения использования гелия. Некоторые устройства также функционируют в качестве аварийного источника газа с использованием бортовых аварийных баллонов: ребризер MK29 ВМС США может продлить продолжительность водолазных операций с системой смешанного газа Flyaway в пять раз, сохраняя при этом первоначальную площадь хранилища газовой смеси на корабле поддержки. [6] Советский полузакрытый ребризер ИДА-72 имеет срок службы скруббера 4 часа на надводном питании и запас хода на высоте 200 м 40 минут на бортовом газе . [7] Гелиоксовый газовый шлем ВМС США Mark V Mod 1 имеет баллон со скруббером, установленный на задней части шлема, и систему впускного впрыска газа, которая рециркулирует дыхательный газ через скруббер для удаления углекислого газа и, таким образом, сохранения гелия. [8] Форсунка продувает через скруббер в 11 раз больший объем впрыскиваемого газа. [9]
Первыми попытками создания практических ребризеров были простые кислородные ребризеры, когда достижения в промышленной металлообработке сделали возможным создание баллонов для хранения газа под высоким давлением. С 1878 года их использовали для работы в непригодных для дыхания атмосферах, в промышленности и при пожаротушении, на большой высоте, для спасения от подводных лодок; а иногда и для плавания под водой; но обычным способом работы под водой было использование стандартной водолазной одежды и дыхание открытым воздухом, подаваемым с поверхности.
(Дрегер и гелиевый шлем Mark V)
Итальянский Decima Flottiglia MAS , первое подразделение боевых пловцов, было основано в 1938 году и вступило в бой в 1940 году. Во время Второй мировой войны значительно расширилось использование ребризерного дайвинга в военных целях. Во время и после Второй мировой войны в вооруженных силах возникла необходимость погружаться глубже, чем позволяет чистый кислород. Это побудило, по крайней мере, в Британии, к разработке простых вариантов «смесевых ребризеров» с постоянным потоком некоторых из их кислородных ребризеров для дайвинга (= того, что сейчас называется « найтрокс »): SCMBA от SCBA ( дыхательный аппарат для пловца-каноэиста ) и CDMBA. от Siebe Gorman CDBA , добавив дополнительный баллон подачи газа. Перед погружением с таким набором дайвер должен был знать максимальную или рабочую глубину своего погружения, а также то, как быстро его организм использует запас кислорода, и исходя из этого рассчитать, на какой уровень установить скорость потока газа в ребризере. [ нужна цитата ]
В течение этого долгого периода, до появления современных автоматических спортивных ребризеров найтрокса, существовало несколько клубов спортивного кислородного дайвинга, в основном в США. [ нужны разъяснения ] [ нужна ссылка ]
В конце концов, холодная война закончилась, и в 1989 году коммунистический блок распался , и в результате предполагаемый риск диверсионных атак со стороны боевых водолазов уменьшился, и у западных вооруженных сил было меньше причин реквизировать патенты на гражданские ребризеры , а также автоматические и полуавтоматические ребризеры для любительского дайвинга. с датчиками ppO2 начали появляться. [ нужна цитата ]
Когда человек дышит, организм потребляет кислород и вырабатывает углекислый газ . Для основного метаболизма требуется около 0,25 л/мин кислорода при частоте дыхания около 6 л/мин, а здоровый человек, усердно работающий, может дышать со скоростью 95 л/мин, но метаболизирует только около 4 л/мин кислорода [10]. ] Метаболизированный кислород обычно составляет от 4% до 5% вдыхаемого объема при нормальном атмосферном давлении или около 20% доступного кислорода в воздухе на уровне моря . Выдыхаемый воздух на уровне моря содержит примерно от 13,5% до 16% кислорода. [11]
Ситуация с расточительством кислорода становится еще более расточительной, когда доля кислорода в дыхательном газе выше, а при подводном плавании сжатие дыхательного газа из-за глубины делает рециркуляцию выдыхаемого газа еще более желательной, так как еще большая доля разомкнутого контура газ тратится впустую. Продолжение повторного вдыхания того же газа приведет к истощению кислорода до уровня, который больше не будет поддерживать сознание и, в конечном итоге, жизнь, поэтому газ, содержащий кислород, необходимо добавлять к рециркулируемому дыхательному газу для поддержания необходимой концентрации кислорода. [12] [13]
Однако, если это сделать без удаления углекислого газа, он будет быстро накапливаться в переработанном газе, что почти сразу же приведет к легкому респираторному расстройству и быстрому развитию дальнейших стадий гиперкапнии или токсичности углекислого газа. Высокая скорость вентиляции обычно необходима для удаления углекислого газа (CO 2 ), продукта метаболизма. Дыхательный рефлекс вызывается концентрацией углекислого газа в крови, а не концентрацией кислорода, поэтому даже небольшое накопление углекислого газа во вдыхаемом газе быстро становится непереносимым; Если человек попытается напрямую повторно вдохнуть выдыхаемый газ, он вскоре почувствует острое чувство удушья , поэтому ребризеры должны химически удалять углекислый газ с помощью компонента, известного как скруббер углекислого газа . [12] [13]
Добавляя достаточное количество кислорода для компенсации метаболического использования, удаляя углекислый газ и повторно вдыхая газ, большая часть объема сохраняется. По-прежнему будут небольшие потери, когда газ необходимо будет выпускать по мере его расширения во время подъема, и потребуется дополнительный газ для восполнения объема, поскольку газ сжимается во время спуска. [12]
В дайвинге используется самое широкое разнообразие типов ребризеров, поскольку физические и физиологические последствия дыхания под давлением усложняют требования, и доступен большой спектр технических возможностей в зависимости от конкретного применения и имеющегося бюджета. Ребризер для дайвинга — это критически важное для безопасности оборудование жизнеобеспечения : некоторые виды отказа могут привести к гибели дайвера без предупреждения, другие могут потребовать немедленной соответствующей реакции для выживания.
Общие эксплуатационные требования включают в себя:
Специальные приложения также могут потребовать:
Поскольку чистый кислород токсичен при вдыхании под давлением, агентства по сертификации дайверов-любителей ограничивают кислородную декомпрессию максимальной глубиной 6 метров (20 футов), и это ограничение было распространено на кислородные ребризеры; [ нужна цитата ] В прошлом они использовались глубже (до 20 метров (66 футов)) [ нужна цитата ] , но такие погружения были более рискованными, чем то, что сейчас считается приемлемым. Кислородные ребризеры также иногда используются при декомпрессии после глубокого погружения с открытым контуром, поскольку дыхание чистым кислородом помогает азоту быстрее диффундировать из тканей тела, а использование ребризера может быть более удобным для длительных декомпрессионных остановок . .
Ограничения ВМС США на использование кислородных ребризеров: [15]
Кислородные ребризеры больше не используются в любительском дайвинге из-за ограничения глубины, налагаемого токсичностью кислорода, но широко используются для военных боевых пловцов, где не требуется большая глубина, из-за их простоты, легкого веса и компактных размеров.
Ребризеры полузамкнутого контура (SCR), используемые для дайвинга, могут использовать активную или пассивную подачу газа, а системы подачи газа могут иметь компенсацию по глубине. В них используется смешанный подаваемый газ с более высоким содержанием кислорода, чем в стационарной газовой смеси контура. Обычно используется только одна газовая смесь, но во время погружения можно переключать газовые смеси, чтобы расширить доступный диапазон глубин некоторых SCR. [13]
Область применения и ограничения SCR:
Ребризеры для дайвинга с замкнутым контуром могут иметь ручное или электронное управление и использовать как чистый кислород, так и пригодный для дыхания газовый разбавитель. [16]
Область применения и ограничения CCR: Ребризеры замкнутого контура в основном ограничены физиологическими ограничениями дайвера, такими как максимальная рабочая глубина смеси разбавителей при сохранении пригодности для дыхания до поверхности, хотя это можно обойти, переключив разбавитель. Работа дыхания на глубине может быть ограничением, так как наступает момент, когда дыхательное усилие, необходимое для противодействия метаболическому производству углекислого газа, превышает работоспособность дайвера, после чего гиперкапния возрастает и дистресс с последующей потерей сознания и смертью неизбежен. . На работу дыхания влияет плотность газа, поэтому использование разбавителя низкой плотности, богатого гелием, может увеличить диапазон глубины при приемлемой работе дыхания для данной конфигурации. WoB также увеличивается из-за турбулентного потока , на который влияет скорость потока ( число Рейнольдса ). В некоторой степени работа дыхания может быть уменьшена или ограничена конструкцией дыхательного контура, но существуют и физиологические ограничения, и работа по циркуляции газа через дыхательный контур и скруббер может составлять значительную часть общей работы дыхания. [17] [18]
Некоторые агентства по сертификации дайверов-любителей выделяют класс ребризеров, который, по их мнению, подходит для любительского дайвинга. Эти ребризеры непригодны для декомпрессионного погружения, а при электронном управлении не позволяют дайверу совершать погружения с обязательной декомпрессией, тем самым позволяя немедленное всплытие в любой точке запланированного погружения без неоправданного риска развития симптоматической декомпрессионной болезни. Это ограничение снижает необходимость носить с собой аварийный газ за борт, а также потребность в навыках эвакуации с поэтапной декомпрессией. Этот класс дайвинга с ребризером дает возможность продавать обучение и сертификацию, в которых отсутствует большая часть более сложных и трудных навыков, а также уменьшается количество снаряжения, которое дайвер должен иметь при себе. Критерии PADI для ребризеров класса «R» включают электронные подсказки для проверок перед погружением, автоматический контроль заданного значения, предупреждения о состоянии, проекционный дисплей для предупреждений, аварийный клапан, предварительно упакованные канистры скруббера и систему оценки продолжительности работы скруббера. [19] [20] [21] Хотя эти ограничения действительно делают ребризеры рекреационного класса менее опасными, они не снижают риск до того же уровня, что и оборудование с открытой цепью для того же профиля погружения. [22]
Атмосферный водолазный костюм представляет собой небольшой одноместный шарнирно-сочлененный подводный аппарат примерно антропоморфной формы с шарнирами конечностей, обеспечивающими шарнирное соединение под внешним давлением при поддержании внутреннего давления в одну атмосферу. Подача дыхательного газа может осуществляться с поверхности по шлангокабелю, но тогда ее придется выбрасывать обратно на поверхность, чтобы поддерживать внутреннее давление ниже внешнего давления окружающей среды, что возможно, но представляет опасность прорыва прочного корпуса в случае повреждения шлангокабеля или из-за система ребризера, встроенная в костюм. Поскольку существует аналогичная проблема с удалением избыточного газа, простым и эффективным решением является восполнение кислорода по мере его потребления и удаление углекислого газа без изменения компонента инертного газа, который просто рециркулирует. По сути, это простой кислородный ребризер замкнутого контура, используемый в качестве системы жизнеобеспечения . Поскольку обычно имеется достаточный источник питания для других служб, механизированная циркуляция через скруббер обычно не должна быть проблемой для нормального обслуживания и более удобна для оператора, поскольку сохраняет зону лица чистой и облегчает голосовую связь. Поскольку внутреннее давление поддерживается на уровне одной атмосферы, риск острой кислородной токсичности отсутствует. Срок службы зависит от производительности скруббера и подачи кислорода. Циркуляция через скруббер может обеспечиваться за счет дыхания дайвера, и это вариант аварийного резервного ребризера, который также может быть установлен на скафандр. Система, управляемая дыханием, требует уменьшения механического мертвого пространства за счет использования мундштука и противолегкого для образования замкнутого контура.
Хотя существует несколько вариантов конструкции ребризера для дайвинга, все типы имеют газонепроницаемый резервуар, в котором содержится дыхательный газ при атмосферном давлении, из которого дайвер вдыхает и в который выдыхает. Резервуар с дыхательным газом состоит из нескольких компонентов, соединенных между собой водонепроницаемыми и воздухонепроницаемыми соединениями. Дайвер дышит через мундштук или полнолицевую маску для дайвинга с запорным клапаном, клапаном погружения/поверхности, который закрывается, когда дайвер не дышит из устройства, чтобы предотвратить затопление, если комплект находится в воде. Он соединен с одним или двумя дыхательными шлангами, по которым вдыхаемый и выдыхаемый газ подается между дайвером и противолегким или дыхательным мешком, который расширяется, чтобы вместить газ, когда его нет в легких дайвера. Резервуар также включает в себя скруббер, содержащий абсорбирующий материал для удаления углекислого газа , выдыхаемого дайвером. Также будет иметься по меньшей мере один клапан, позволяющий добавлять газ, такой как кислород, и часто газ-разбавитель, из контейнера для хранения газа в резервуар. [16]
Могут быть клапаны, позволяющие стравливать газ, датчики для измерения парциального давления кислорода и, возможно, углекислого газа, а также система мониторинга и контроля. Критические компоненты могут быть дублированы для обеспечения инженерного резервирования. [16]
Существует две основные конфигурации газовых проходов: петля и маятник.
Конфигурация петли использует однонаправленную циркуляцию дыхательного газа, который при выдохе покидает мундштук, проходит через обратный клапан в шланг выдоха, а затем через противолегкое и скруббер, чтобы вернуться в мундштук через шланг вдоха и другой обратный клапан при вдохе дайвера. [16]
В маятниковой конфигурации используется двунаправленный поток. Выдыхаемый газ течет из мундштука через один шланг в скруббер, в противолегкое, а при вдохе газ втягивается обратно через скруббер и тот же шланг обратно в мундштук. Маятниковая система конструктивно проще, но по своей сути содержит большее мертвое пространство для неочищенного газа в объединенной трубке выдоха и вдоха, через которую осуществляется повторный вдох. Существуют противоречивые требования к минимизации объема мертвого пространства при минимизации сопротивления потоку дыхательных путей.
Маятниковый ребризер имеет только одно противолегкое, находящееся на стороне скруббера, противоположной единственному дыхательному шлангу. Дайвер продувает выдыхаемый газ через скруббер, а затем всасывает его обратно во время вдоха. Скорость потока газа через скруббер зависит от частоты дыхания дайвера.
Единственное противолегкое в петлевом ребризере может быть противолегким выдоха или вдоха или устанавливаться между разделенными канистрами скруббера. [23] Если это противолегкое выдоху, оно надувается при выдохе, но газ не проходит через скруббер до тех пор, пока не начнется вдох, после чего дайвер всасывает газ со скоростью, определяемой частотой вдоха. Если это противолегкое вдоха, дайвер должен продувать газ через скруббер во время выдоха, но вдыхать из противолегкого полного вдоха, без дальнейшего потока через скруббер. Если он находится между разделенными скрубберами, дайвер должен продувать газ через скруббер выдоха во время выдоха и всасывать его через скруббер вдоха. Во всех этих случаях буфер отсутствует, а пиковые скорости потока относительно высоки, что означает, что пиковое сопротивление потоку относительно велико и может приходиться на одну половину дыхательного цикла или распределяться между обеими половинами, аналогично маятниковой конфигурации, но без большое мертвое пространство. [23]
Двойной противолегочный ребризер имеет два дыхательных мешка, поэтому выдыхаемый газ наполняет противолегкое выдоха, одновременно начиная проходить через скруббер и начиная надувать противолегкое вдоха. К тому времени, когда дайвер начинает вдыхать, противолегкое вдоха создает объемный буфер, поэтому сопротивление потоку меньше, поскольку газ продолжает течь через скруббер во время вдоха с меньшей скоростью, чем если бы противолегкое было только одно. работу дыхания, а также увеличивает время пребывания газа в скруббере, поскольку он проходит через скруббер как при выдохе, так и при вдохе. Большинство ребризеров для дайвинга на смешанном газе используют эту конструкцию. [20]
Многие ребризеры имеют основные компоненты в жестком корпусе для поддержки, защиты и/или обтекаемости. Этот корпус должен иметь достаточную вентиляцию и дренаж, чтобы окружающая вода или воздух могли свободно входить и выходить, чтобы обеспечить изменение объема по мере надувания и сдувания противолегкого, а также для предотвращения захвата больших объемов плавучего воздуха при погружении дайвера и воды при погружении дайвера. выходит на воздух. [16]
Компоненты могут быть установлены на раме или внутри корпуса, чтобы скрепить их вместе. Иногда конструкция канистры скруббера является частью каркаса, особенно в конфигурации с боковым креплением. Положение большинства частей не имеет решающего значения для функционирования, но противолегкие должны быть расположены так, чтобы их центр тяжести объема находился на той же глубине, что и центр тяжести легких дайвера в большинстве случаев под водой, а дыхательные трубки, идущие к мундштуку, не должны загромождать дайверу больше, чем необходимо, и обеспечить максимально свободное движение головы. [16]
Ранние кислородные ребризеры часто изготавливались без рамы или корпуса и полагались на ремни безопасности и прочное противолегкое, удерживающее компоненты вместе.
Части ребризера для дайвинга (противолегкое, абсорбирующий баллон, газовый баллон(ы), соединяющие их трубки и шланги) могут быть расположены на теле пользователя четырьмя основными способами, при этом положение противолегкого оказывает большое влияние на работу дыхательного аппарата для дайвинга. дыхание.
Заднее крепление распространено на более громоздких и тяжелых устройствах. Это хорошо для поддержки веса вне воды и сохраняет переднюю часть дайвера свободной для работы под водой. При креплении на спине обычно используются противолегкие сзади или через плечо, центр тяжести которых находится над легкими в наиболее распространенных положениях дайвера, что приводит к дыханию с небольшим отрицательным давлением .
Нагрудное крепление довольно распространено для военных кислородных ребризеров, которые обычно относительно компактны и легки. Это обеспечивает легкий доступ к компонентам под водой и оставляет спину свободной для другого оборудования для десантных операций. Ребризер можно отстегнуть от общей подвесной системы, не нарушая при этом нагрузку на спину. Передние противолегкие имеют центр тяжести, который обычно находится немного ниже центроида легких и приводит к дыханию с небольшим положительным давлением для большинства распространенных ориентаций дайвера.
Sidemount позволяет низкому профилю преодолевать жесткие ограничения при погружениях в пещеры и затонувшие объекты, а также удобен для ношения аварийного ребризера. Ребризер бокового крепления в качестве основного дыхательного аппарата может быть установлен на одной стороне тела дайвера и может быть сбалансирован по весу и гидродинамически с помощью большого аварийного баллона, установленного сбоку с другой стороны. Ребризеры с боковым креплением чувствительны к ориентации дайвера, что может изменять гидростатическую работу дыхания в большем диапазоне, чем для ребризеров с креплением на спине или на груди, а резистивная работа дыхания также относительно велика из-за длинных дыхательных шлангов и множества изгибов, необходимых для установки компонентов. в длинный узкий формат. По состоянию на 2019 год ни один ребризер с боковым креплением не прошел испытания CE на работу дыхания. Ребризеры с боковым креплением также могут быть более подвержены сильному затоплению контура из-за отсутствия удобного положения противолегких на выдохе, позволяющего образовывать водную ловушку. [18]
Ребризеры можно в первую очередь отнести к категории ребризеров для дайвинга, предназначенных для использования в гипербарических условиях, и других ребризеров, используемых при давлениях, немного превышающих нормальное атмосферное давление на уровне моря, чтобы значительно снизить давление окружающей среды на больших высотах и в космосе. Ребризеры для дайвинга часто сталкиваются с трудностями, связанными с предотвращением гипербарической кислородной токсичности, в то время как нормобарические и гипобарические применения могут использовать относительно тривиально простую технологию кислородного ребризера, где нет необходимости контролировать парциальное давление кислорода во время использования, при условии, что давление окружающей среды достаточно.
Все ребризеры, кроме кислородных ребризеров, можно считать ребризерами со смешанным газом. Их можно разделить на полузамкнутые контуры, в которых подаваемый газ представляет собой пригодную для дыхания смесь, содержащую кислород и инертные разбавители, обычно азот и гелий, и которая пополняется путем добавления большего количества смеси по мере расходования кислорода, достаточного для поддержания парциальное давление кислорода в контуре, пригодное для дыхания, и ребризеры с замкнутым контуром, в которых используются два параллельных источника газа: разбавитель, обеспечивающий основную часть газа и который рециркулируется, и кислород, который метаболически расходуется. [13]
Они почти исключительно используются для подводного плавания, поскольку они более громоздкие, тяжелые и сложные, чем кислородные ребризеры замкнутого цикла. Военные и дайверы-любители используют их, потому что они обеспечивают большую продолжительность пребывания под водой, чем открытый контур, имеют большую максимальную рабочую глубину , чем кислородные ребризеры, и могут быть довольно простыми и дешевыми. Они не полагаются на электронику для контроля состава газа, но могут использовать электронный мониторинг для повышения безопасности и более эффективной декомпрессии. Альтернативный термин для этой технологии — «газовый расширитель».
Оборудование полузамкнутого контура обычно подает за раз один дыхательный газ, например воздух, найтрокс или тримикс . Газ впрыскивается в контур с постоянной скоростью для восполнения кислорода, потребляемого дайвером из контура. Избыточный газ необходимо постоянно выпускать из контура небольшими объемами, чтобы освободить место для свежего, богатого кислородом газа. Поскольку кислород в отводимом газе не может быть отделен от инертного газа, полузакрытый контур приводит к расточительству как кислорода, так и инертных компонентов. [24]
Должна использоваться газовая смесь, максимальная рабочая глубина которой безопасна для планируемой глубины погружения и которая обеспечит воздухопроницаемую смесь на поверхности, или потребуется менять смеси во время погружения. [16]
Поскольку количество кислорода, необходимое дайверу, увеличивается с увеличением скорости работы, скорость впрыска газа необходимо тщательно выбирать и контролировать, чтобы предотвратить потерю сознания дайвером из-за гипоксии . [25] Более высокая скорость добавления газа снижает вероятность гипоксии, но приводит к большим потерям газа.
Этот тип ребризера работает по принципу добавления свежего газа для компенсации уменьшенного объема в дыхательном контуре. Выделяется часть вдыхаемого газа, которая в некотором роде пропорциональна потреблению кислорода. Обычно это фиксированная объемная доля дыхательного потока, но были разработаны более сложные системы, которые позволяют получить очень близкое соотношение к скорости поверхностного дыхательного потока. Их называют системами с компенсацией глубины или частичной компенсацией глубины. Добавление газа инициируется низким объемом противолегочного воздуха, который активирует автомат по требованию.
Простой случай разряда с фиксированным соотношением может быть достигнут с помощью концентрических сильфонов противолегких, при которых выдыхаемый газ расширяет оба противолегких, и в то время как внешний сильфон большего объема выбрасывает газ обратно в петлю, когда дайвер делает следующий вдох, внутренний сильфон выпускает свой газ. содержимое в окружающую среду, используя обратные клапаны для обеспечения однонаправленного потока. Объем, обрабатываемый во время каждого вдоха, зависит от дыхательного объема этого вдоха.
К концу вдоха сильфон опускается до дна и активирует дополнительный клапан, подобно тому, как диафрагма регулятора активирует регулирующий клапан , чтобы восполнить газ, выпускаемый внутренним сильфоном. Поэтому этот тип ребризера имеет тенденцию работать с минимальным объемом.
Системы с фиксированным соотношением обычно сбрасывают за борт от 10% (1/10) до 25% (1/4) объема каждого вдоха. В результате выносливость газа в 10-4 раза выше, чем при открытом контуре, и зависит от частоты и глубины дыхания так же, как и при открытом контуре. Доля кислорода в контуре зависит от коэффициента расхода и в меньшей степени от частоты дыхания и темпа работы водолаза. Поскольку некоторая часть газа рециркулируется после дыхания, доля кислорода всегда будет ниже, чем у подпиточного газа, но может близко приближаться к подпиточному газу после продувки контура, поэтому газ обычно выбирается таким, чтобы он был пригодным для дыхания на максимальной глубине. , что позволяет использовать его для аварийного восстановления разомкнутой цепи. Доля кислорода в петлевом газе будет увеличиваться с глубиной, поскольку массовая скорость метаболического использования кислорода остается практически постоянной с изменением глубины. Это тенденция, противоположная тому, что происходит в ребризерах с замкнутым контуром, где парциальное давление кислорода контролируется так, чтобы оно было более или менее одинаковым в определенных пределах на протяжении всего погружения. Система фиксированного соотношения использовалась в ребризерах DC55 и Halcyon RB80 . Ребризеры с пассивным добавлением кислорода с небольшой степенью расхода могут стать гипоксическими у поверхности, когда используется подаваемый газ с умеренной или низкой долей кислорода, что приводит к необходимости переключения газов между глубоким и неглубоким погружением. [26]
Системы компенсации глубины сбрасывают часть дыхательного объема дайвера, которая изменяется обратно пропорционально абсолютному давлению. На поверхности они обычно выделяют от 20% (1/5) до 33% (1/3) каждого вдоха, но с глубиной эта цифра уменьшается, чтобы поддерживать долю кислорода в контуре примерно постоянной и уменьшать потребление газа. Система с полной компенсацией глубины будет сбрасывать объем газа, обратно пропорциональный давлению, так что объем, сбрасываемый на глубине 90 м (абсолютное давление 10 бар), будет составлять 10% от поверхностного сброса. Эта система будет обеспечивать примерно фиксированную долю кислорода независимо от глубины при использовании одного и того же подпиточного газа, поскольку эффективный массовый расход остается постоянным.
Системы частичной компенсации глубины являются промежуточным звеном между системами с фиксированным передаточным числом и системами компенсации глубины. Они обеспечивают высокую степень выделения у поверхности, но степень выделения не фиксируется ни в пропорции к вдыхаемому объему, ни к массе. Доля кислорода в газе рассчитать труднее, но она будет находиться где-то между предельными значениями для фиксированного соотношения и полностью компенсированных систем. В Halcyon PVR-BASC используется система внутренних сильфонов переменного объема для компенсации глубины.
Система активной подачи добавляет питательный газ в дыхательный контур, а избыток газа сбрасывается в окружающую среду. Эти ребризеры имеют тенденцию работать на максимальной громкости.
Наиболее распространенной системой активного добавления подпиточного газа в полузакрытые ребризеры является использование инжектора постоянного массового расхода, также известного как дроссельный поток . Этого легко достичь с помощью звукового отверстия, поскольку при условии, что перепад давления на отверстии достаточен для обеспечения звукового потока, массовый расход конкретного газа будет независим от давления на выходе. [27] Массовый расход через звуковое отверстие является функцией давления на входе и газовой смеси, поэтому давление на входе должно оставаться постоянным в диапазоне рабочей глубины ребризера, чтобы обеспечить надежно предсказуемую смесь в дыхательном контуре, и используется модифицированный регулятор, на который не влияют изменения давления окружающей среды. Добавление газа не зависит от использования кислорода, а доля газа в контуре сильно зависит от нагрузки дайвера - из-за чрезмерной физической нагрузки можно опасно истощить запас кислорода.
В продажу поступила только одна модель, использующая этот принцип управления газовой смесью. Это Интерспиро DCSC . Принцип работы заключается в добавлении массы кислорода, пропорциональной объему каждого вдоха. Этот подход основан на предположении, что объемная частота дыхания дайвера прямо пропорциональна метаболическому потреблению кислорода, что, как показывают экспериментальные данные, достаточно близко к реальности. [28]
Добавление свежего газа осуществляется путем регулирования давления в дозировочной камере, пропорционального объему противолегочного сильфона. Дозирующая камера заполняется свежим газом до давления, пропорционального объему сильфона, с самым высоким давлением, когда сильфон находится в пустом положении. Когда сильфон заполняется во время выдоха, газ выпускается из дозировочной камеры в дыхательный контур пропорционально объему в сильфоне во время выдоха и полностью выпускается, когда сильфон заполнен. Избыточный газ сбрасывается в окружающую среду через клапан избыточного давления после заполнения сильфона. [28]
В результате добавляется масса газа, пропорциональная объему вентиляции, а фракция кислорода остается стабильной в пределах нормального диапазона нагрузки.
Объем дозирующей камеры подбирается под конкретную подаваемую газовую смесь и изменяется при смене газа. DCSC использует две стандартные смеси найтрокса: 28% и 46%. [28]
Это самый ранний тип ребризера, который широко использовался военно-морскими силами и для горноспасательных операций с начала двадцатого века. Кислородные ребризеры могут иметь удивительно простую конструкцию, и они были изобретены до подводного плавания с открытым контуром. Они поставляют только кислород, поэтому нет необходимости контролировать газовую смесь, кроме продувки перед использованием и удаления углекислого газа. [29]
В некоторых ребризерах, например Siebe Gorman Salvus , кислородный баллон имеет два механизма подачи кислорода параллельно. Один из них имеет постоянный расход , а другой представляет собой ручной двухпозиционный клапан, называемый перепускным клапаном. Оба питаются в противолегкие . [30] Нет необходимости во второй ступени, и подачу газа можно включать и выключать с помощью клапана баллона.
Другие, такие как USN Mk25 UBA, подаются автоматически через регулируемый клапан на противолегком, который добавляет газ в любой момент, когда противолегкое опорожняется и дайвер продолжает вдыхать. Кислород также можно добавить вручную с помощью кнопки, которая активирует легочный автомат, что эквивалентно кнопке продувки автомата с открытым контуром. [15]
Некоторые простые кислородные ребризеры не имели автоматической системы подачи, только клапан ручной подачи, и дайверу приходилось периодически включать клапан, чтобы наполнить дыхательный мешок, когда объем кислорода падал ниже комфортного уровня. Это загрузка задачи, но дайвер не может оставаться в неведении о необходимости дозаправки. Контроль объема в контуре также будет контролировать плавучесть.
Военные, фотографы и дайверы-любители используют ребризеры замкнутого цикла, поскольку они позволяют совершать длительные погружения и не образуют пузырьков. [31] Ребризеры замкнутого контура подают в контур два дыхательных газа: один — чистый кислород, а другой — разбавитель или разбавляющий газ, такой как воздух, найтрокс, гелиокс или тримикс. [32]
Основная функция ребризера замкнутого контура — контролировать парциальное давление кислорода в контуре и предупреждать дайвера, если оно становится опасно низким или высоким. Слишком низкая концентрация кислорода приводит к гипоксии, ведущей к потере сознания и, в конечном итоге, к смерти. Слишком высокая концентрация кислорода приводит к гипероксии, что приводит к кислородному отравлению — состоянию, вызывающему судороги, из-за которых дайвер может потерять мундштук, когда они происходят под водой, и может привести к утоплению . В системе мониторинга используются чувствительные к кислороду электрогальванические топливные элементы для измерения парциального давления кислорода в контуре. Парциальное давление кислорода в контуре обычно можно контролировать в пределах разумного допуска фиксированного значения. Эта уставка выбрана таким образом, чтобы обеспечить приемлемый риск как долгосрочной, так и острой кислородной токсичности, при этом минимизируя требования к декомпрессии для запланированного профиля погружения. [32]
Газовая смесь контролируется дайвером в ребризерах замкнутого цикла с ручным управлением. Дайвер может вручную контролировать смесь, добавляя газ-разбавитель или кислород. Добавление разбавителя может предотвратить чрезмерное обогащение газовой смеси контура кислородом, а добавление кислорода делается для увеличения концентрации кислорода.
В полностью автоматических системах с замкнутым контуром электромагнитный клапан с электронным управлением впрыскивает кислород в контур, когда система управления обнаруживает, что парциальное давление кислорода в контуре упало ниже требуемого уровня. CCR с электронным управлением можно переключить на ручное управление в случае некоторых сбоев в системе управления. [32]
Добавление газа для компенсации сжатия во время спуска обычно осуществляется с помощью автоматического разбавительного клапана. [16]
В 1912 году немецкая фирма Drägerwerk из Любека представила версию стандартной водолазной одежды, в которой подача газа осуществлялась из кислородного ребризера и не подавалась с поверхности. В системе использовался медный водолазный шлем и стандартный тяжелый водолазный костюм с установленным сзади комплектом баллонов и скруббером. Дыхательный газ циркулировал с помощью инжекторной системы в контуре, питаемом добавленным газом. Это получило дальнейшее развитие в шлеме Modell 1915 «Bubikopf» и кислородной ребризерной системе DM20 для глубин до 20 м, а также в газовом ребризере DM40, который использовал кислородный баллон и воздушный баллон для подачи газа, производя смесь найтрокса. для глубин до 40 м. [33]
ВМС США разработали вариант системы Mark V для гелиокс-дайвинга. Они были успешно использованы при спасении экипажа и эвакуации авианосца USS Squalus в 1939 году. Гелиоксовый газовый шлем ВМС США Mark V Mod 1 создан на основе стандартного шлема Mark V, с канистрой-скребком, установленной на задней части шлема. и систему впрыска входного газа, которая рециркулирует дыхательный газ через скруббер для удаления углекислого газа и, таким образом, сохранения гелия. В гелиевом шлеме используется тот же нагрудник, что и в стандартном Mark V, за исключением того, что запорный механизм перенесен вперед, нет крана, есть дополнительное электрическое соединение для подогрева нижнего белья, а на более поздних версиях - двух- или трехступенчатый выпускной клапан. был установлен для снижения риска затопления скруббера. [8] Подача газа у водолаза контролировалась двумя клапанами. «Клапан Хока» контролирует поток через инжектор к «аспиратору», который циркулирует газ из шлема через скруббер, а главный регулирующий клапан используется для аварийного открытия контура, промывки шлема и для подачи дополнительного газа при интенсивной работе или спуске. . Расход сопла инжектора номинально составлял 0,5 кубического фута в минуту при давлении на 100 фунтов на квадратный дюйм выше окружающего давления, что позволяло продувать через скруббер в 11 раз больший объем впрыскиваемого газа. [9]
Обе эти системы были полузакрытыми и не контролировали парциальное давление кислорода. Они оба использовали инжекторную систему для рециркуляции дыхательного газа и не увеличивали работу дыхания.
Было несколько конструкций ребризеров (например, Oxylite), которые имели абсорбирующий баллон, наполненный супероксидом калия , который выделяет кислород при поглощении углекислого газа: 4KO 2 + 2CO 2 = 2K 2 CO 3 + 3O 2 ; у него был очень маленький кислородный баллон для заполнения контура в начале погружения. [34] Эта система опасна из-за взрывоопасной реакции, которая происходит, если вода попадает на супероксид калия. Российский военный и военно-морской ребризер IDA71 был разработан для работы в этом режиме или как обычный ребризер.
Испытания IDA71 в Экспериментальном водолазном подразделении ВМС США в Панама-Сити, Флорида, показали, что IDA71 может обеспечить значительно большее время погружения с супероксидом в одном из баллонов, чем без него. [34]
Эту технологию можно применять как к кислородным, так и к газовым ребризерам, а также использовать для дайвинга и других целей.
Подачу жидкого кислорода можно использовать для ребризеров с кислородом или газовой смесью. При использовании под водой контейнер с жидким кислородом должен быть хорошо изолирован от передачи тепла от воды. Промышленные комплекты этого типа могут быть непригодны для дайвинга, а комплекты для дайвинга этого типа могут быть непригодны для использования вне воды из-за противоречивых требований к теплопередаче. Резервуар с жидким кислородом комплекта необходимо заполнить непосредственно перед использованием.
Криогенный ребризер удаляет углекислый газ, замораживая его в «снежном ящике» за счет низкой температуры, возникающей при испарении жидкого кислорода для замены используемого кислорода.
Прототип криогенного ребризера под названием S-1000 был построен корпорацией Sub-Marine Systems. Продолжительность погружения составляла 6 часов, а максимальная глубина погружения - 200 метров (660 футов). Его ppO 2 можно было установить на любое значение от 0,2 до 2 бар (от 3 до 30 фунтов на квадратный дюйм) без использования электроники, контролируя температуру жидкого кислорода и, таким образом, контролируя равновесное давление газообразного кислорода над жидкостью. Разбавителем может быть азот или гелий, в зависимости от глубины погружения. Парциальное давление кислорода контролировалось температурой, которая контролировалась путем контроля давления, при котором жидкий азот мог кипеть, которое контролировалось регулируемым предохранительным клапаном. Никаких регулирующих клапанов, кроме клапана сброса давления азота, не требовалось. Низкая температура также использовалась для вымораживания до 230 граммов углекислого газа в час из контура, что соответствует потреблению кислорода 2 литра в минуту, поскольку углекислый газ вымерзает из газообразного состояния при -43,3 °C или ниже. Если кислород из-за большой нагрузки расходовался быстрее, требовался обычный скруббер. Никакой электроники не требовалось, поскольку все зависело от настройки давления выпуска азота из охлаждающего устройства, а охлаждение за счет испарения жидкого азота поддерживало постоянную температуру до тех пор, пока жидкий азот не был исчерпан. Поток газа в контуре пропускался через противоточный теплообменник, который повторно нагревал газ, возвращающийся к водолазу, путем охлаждения газа, направляемого в снежный ящик (криогенный скруббер). Первый прототип, S-600G, был завершен и испытан на мелководье в октябре 1967 года. S1000 был анонсирован в 1969 году, [35] [36], но системы так и не поступили на рынок. [37]
Криогенные ребризеры широко применялись в советской океанографии в период с 1980 по 1990 годы. [37] [38] [39]
Дайвер дышит из контура ребризера через загубник или оро-носовую маску , которая может быть частью полнолицевой маски или водолазного шлема . Мундштук соединен с остальной частью ребризера гибкими дыхательными шлангами. Мундштук ребризера для дайвинга обычно включает в себя запорный клапан и может включать в себя клапан погружения/поверхности, аварийный клапан или и то, и другое. В ребризерах с петлевой конфигурацией мундштук обычно является местом установки обратных клапанов петли. [16]
Клапан погружения/поверхности (DSV) представляет собой клапан на мундштуке, который может переключаться между контуром и окружающей средой. Он используется для закрытия петли на поверхности, чтобы дайвер мог дышать атмосферным воздухом, а также может использоваться под водой для изоляции петли, чтобы она не затоплялась, если мундштук вынут изо рта. [16]
Клапан для погружения/поверхности, который можно переключить на замыкание контура и одновременное открытие соединения с регулирующим клапаном разомкнутого контура, известен как аварийный клапан, поскольку его функция заключается в переключении на аварийный режим разомкнутого контура без необходимости снятия загубника. Важное защитное устройство при отравлении углекислым газом . [40]
Ремень для крепления загубника (MRS) — это элемент защитного оборудования, который является обязательной конструктивной особенностью ребризеров, продаваемых в ЕС и Великобритании, в соответствии с европейским стандартом ребризеров EN14143:2013. Опыт военно-морских сил в течение нескольких лет показал, что ремни, удерживающие мундштук, эффективны для защиты дыхательных путей у дайвера с ребризером, находящегося без сознания, в качестве альтернативы полнолицевой маске. Устройство должно быть регулируемым или саморегулирующимся, чтобы надежно и удобно удерживать мундштук во рту пользователя и сохранять герметичность. MRS также снижает нагрузку на челюсть во время погружения. [41]
Для соединения мундштука с остальной частью дыхательного контура используются гибкие гофрированные шланги из синтетического каучука, поскольку они обеспечивают свободное движение головы дайвера. Эти шланги имеют гофрированную форму, что обеспечивает большую гибкость, сохраняя при этом высокую устойчивость к разрушению. Шланги спроектированы таким образом, чтобы обеспечить низкое сопротивление потоку дыхательного газа. Один дыхательный шланг используется для маятниковой (тяни-толкай) конфигурации, а два шланга — для односторонней петлевой конфигурации. [16] Для уменьшения чрезмерной плавучести можно использовать утяжелители для шлангов.
Противолегкое — это часть петли, объем которой изменяется на ту же величину, что и дыхательный объем пользователя при дыхании. Это позволяет петле расширяться и сжиматься при дыхании пользователя, позволяя общему объему газа в легких и петле оставаться постоянным на протяжении всего дыхательного цикла. Объем противолегкого должен обеспечивать максимально возможный объем дыхания пользователя, но обычно не обязательно должен соответствовать жизненной емкости всех возможных пользователей. [42] [16]
Под водой положение противолегкого — на груди, над плечами или на спине — оказывает влияние на гидростатическую работу дыхания . Это происходит из-за разницы давления между противолегкими и легкими дайвера, вызванной вертикальным расстоянием между ними. [42]
Рекреационные, технические и многие профессиональные дайверы проводят большую часть своего времени под водой, плавая лицом вниз и в горизонтальном положении. Противолегкие должны хорошо функционировать при низкой работе дыхания в этом положении и когда дайвер находится в вертикальном положении.
Конструкция противолегких также может влиять на обтекаемость ныряльщика из-за расположения и формы противолегких, если они не находятся в кожухе.
Ребризер, в котором используются резиновые противолегкие, не находящиеся в закрытом корпусе, должен быть защищен от солнечного света , когда он не используется, чтобы предотвратить разрушение резины под воздействием ультрафиолета .
Большинство полузакрытых ребризеров для дайвинга с пассивным добавлением контролируют газовую смесь, удаляя фиксированную объемную долю выдыхаемого газа и заменяя ее свежим подаваемым газом из автомата по требованию, который срабатывает при низком объеме противолегкого.
Это достигается за счет использования концентрических сильфонных противолегких – противолегкое выполнено в виде сильфона с жесткой верхней и нижней частью и имеет гибкую гофрированную мембрану, образующую боковые стенки. Внутри находится второй, меньший по размеру сильфон, также соединенный с жесткими верхней и нижней поверхностями противолегкого, так что по мере движения жестких поверхностей навстречу друг другу и удаления друг от друга объемы внутреннего и наружного сильфона изменяются в одинаковой пропорции.
Выдыхаемый газ расширяет противолегкие, и часть его попадает во внутренние сильфоны. При вдохе дайвер дышит только внешним противолегким — обратный поток из внутреннего сильфона блокируется обратным клапаном. Внутренний сильфон также соединяется с другим обратным клапаном, открывающимся во внешнюю среду, и, таким образом, газ из внутреннего сильфона выбрасывается из контура в фиксированной пропорции объема вдыхаемого воздуха. Если объем противолегких уменьшается настолько, что жесткая крышка активирует клапан подачи подаваемого газа, газ будет добавляться до тех пор, пока дайвер не завершит вдох.
Выдыхаемые газы направляются через химический скруббер, канистру, полную подходящего поглотителя углекислого газа, такого как натронная известь , который удаляет углекислый газ из газовой смеси и оставляет кислород и другие газы доступными для повторного дыхания. [43]
Некоторые из абсорбирующих химикатов производятся в гранулированной форме для применения в дайвинге, например, Atrasorb Dive, Sofnolime , Dragersorb или Sodasorb. В других системах используется предварительно упакованный картридж на основе реактивной пластиковой завесы (RPC): [44] Термин «реактивная пластиковая завеса» первоначально использовался для описания абсорбирующих завес Micropore для аварийного использования подводных лодок ВМС США, а в последнее время RPC стал использоваться для обозначения их Реактивные пластиковые картриджи, которые, как утверждается, обеспечивают лучшую и более надежную работу, чем гранулированный абсорбирующий материал того же объема. [45]
Диоксид углерода , проходящий через абсорбент скруббера, удаляется при его реакции с абсорбентом в канистре; эта химическая реакция является экзотермической . Большая часть этой реакции происходит вдоль «фронта», который представляет собой область поперек потока газа через натронную известь в канистре. Этот фронт движется через канистру скруббера от конца входа газа к концу выхода газа, поскольку в реакции расходуются активные ингредиенты. Этот фронт будет зоной, толщина которой зависит от размера зерна, реакционной способности и скорости потока газа, поскольку диоксиду углерода в газе, проходящем через баллон, требуется время, чтобы достичь поверхности зерна абсорбента, а затем время, чтобы проникнуть в него. внутренняя часть каждого зерна абсорбента по мере истощения внешней части зерна. В конце концов газ с остатком углекислого газа достигнет дальнего конца баллона и произойдет «прорыв». После этого содержание углекислого газа в очищаемом газе будет расти, поскольку эффективность скруббера падает, пока он не станет заметным для пользователя, а затем станет непригодным для дыхания. [16]
При погружениях с ребризером типичный эффективный срок службы скруббера составляет от получаса до нескольких часов дыхания, в зависимости от гранулометрического состава и состава абсорбента, температуры окружающей среды, размера баллона, времени пребывания газа. в абсорбирующем материале и выделении дайвером углекислого газа.
Конструкция и размер скруббера представляют собой компромисс между объемом, стоимостью расходных материалов и работой дыхания. Объем влияет на размер устройства и количество необходимого балласта, что влияет на логистику погружения. Работа дыхания может иметь решающее значение для безопасности на больших глубинах, где она может стать значительной частью доступной аэробной работоспособности дайвера и может оказаться подавляющей, когда она превышает пределы возможностей дайвера.
Обычная конструкция представляет собой один скруббер, но использовались конфигурации с двумя скрубберами, например, IDA71 , в которой скрубберы установлены параллельно (для некоторых применений один из них может быть заполнен абсорбентом супероксидного типа, который генерирует кислород для замены углекислый газ) и KISS Sidewinder, в котором скрубберы расположены последовательно, с одним противолегким устройством, установленным сзади между скрубберами, так что поперечные сдвиги плавучести не происходят во время дыхательного цикла. [46]
Путь потока газа скруббера может быть осевым, когда газ втекает с одного конца и выходит с другого, или радиальным, когда газ течет от центра скруббера к периферии (обычно) или наоборот. [47] Путь потока должен иметь постоянную длину, чтобы свести к минимуму ранний прорыв некоторых частей скруббера, что ограничивает радиальные конструкции круглыми цилиндрами с переменным соотношением длины и диаметра, а осевые скрубберы - примерно постоянной формой сечения вдоль потока (длины). ось.
Распределение зерен сорба по размерам влияет на пористость упаковываемой канистры. более широкое распределение зерен по размерам дает низкую пористость. Пористость колеблется от примерно 32% для зерен одинакового размера (хорошо отсортированных) примерно сферической формы до менее 12% для зерен плохо отсортированных размеров с большим стандартным отклонением, когда более мелкие гранулы занимают большую часть пространства между более крупными гранулами. Низкая пористость требует более высокой скорости потока при том же объемном расходе в том же фильтре-скруббере. Высокая скорость потока обеспечивает высокое сопротивление трению и малое время пребывания (время выдержки). Высокое сопротивление обуславливает большую работу дыхания, а малое время пребывания способствует более быстрому прорыву углекислого газа с дальней стороны сорба, т.е. более короткий срок службы канистры. [47]
Скорость реакции абсорбента (сорба) скруббера снижается при более низких температурах из-за более низкой кинетической энергии молекул газа, уменьшающей среднее время до контакта с реактивным материалом ( уравнение Аррениуса ). Реакция сорбции выделяет тепло, а окружающая холодная вода поглощает тепло через стенки канистры, поэтому фронт реакции перемещается от входного конца к выходному концу, нагревая сорб, а тепло теряется через стенки, которые находятся по бокам в осевом направлении. проточные канистры. Углекислый газ проходит дальше через более холодные части сорба, прежде чем он будет поглощен, поэтому имеет тенденцию сначала прорываться вдоль стенок. На практике прорыв происходит примерно при 50% теоретического срока службы канистры в воде с температурой 1,7°C. Этот эффект можно уменьшить, изолируя стенки канистры в местах их контакта с абсорбирующим материалом [47].
Во время всплытия газ в дыхательном контуре расширяется, и ему необходимо каким-то образом выйти, прежде чем разница давлений приведет к травме дайвера или повреждению контура. Самый простой способ сделать это - позволить дайверу выйти излишку газа через мундштук или через нос, но простой клапан избыточного давления надежен и может быть отрегулирован для контроля разрешенного избыточного давления. Клапан избыточного давления обычно устанавливается на противолегком, а в военных ребризерах для дайвинга он может быть оснащен диффузором, который помогает скрыть присутствие дайвера, маскируя выброс пузырьков и разбивая их до размеров, которые труднее обнаружить. Диффузор также снижает пузырьковый шум. [48] [42]
Многие ребризеры имеют «водоотделители» в противолегких или корпусе скруббера, чтобы предотвратить попадание больших объемов воды в среду скруббера, если дайвер убирает мундштук под водой, не закрывая клапан, или если губы дайвера расслабляются и позволяют воде просачиваться внутрь. [42] Некоторые ребризеры имеют ручные насосы для удаления воды из водоотделителей, а некоторые SCR с пассивным добавлением автоматически откачивают воду вместе с газом во время такта выпуска противолегких сильфонов. [28] [49] Другие используют внутреннее давление для вытеснения воды через перепускной клапан с ручным управлением, когда он находится в нижнем положении. [50]
Ребризер должен иметь источник кислорода для восполнения того, что потребляет дайвер. В зависимости от варианта конструкции ребризера источником кислорода будет либо чистый кислород, либо смесь дыхательных газов , которая почти всегда хранится в газовом баллоне . В некоторых случаях кислород подается в виде жидкого кислорода или в результате химической реакции. [16]
Чистый кислород не считается безопасным для любительского дайвинга на глубине более 6 метров, поэтому ребризеры замкнутого цикла для более глубокого использования также имеют баллон с газом -разбавителем . Этот баллон с разбавителем может быть заполнен сжатым воздухом или другой газовой смесью для дайвинга, такой как найтрокс , тримикс или гелиокс . Разбавитель снижает процент вдыхаемого кислорода и увеличивает максимальную рабочую глубину ребризера. Разбавитель обычно не представляет собой бескислородный газ, такой как чистый азот или гелий, и пригоден для дыхания, поэтому в аварийной ситуации его можно использовать либо для промывки контура пригодным для дыхания газом известного состава, либо в качестве аварийного газа. Газ-разбавитель дайверы обычно называют разбавителем, разбавителем или просто «разбавителем». [16] Состав газа-разбавителя также влияет на плотность газа и, следовательно, на работу дыхания на глубине. [17]
Газ необходимо добавить в дыхательный контур, если объем становится слишком мал или если необходимо изменить состав газа. [16]
Он выполняет аналогичную функцию автоматическому автомату разомкнутого контура. Он добавляет газ в контур, если объем в контуре слишком мал. Механизм либо приводится в действие специальной диафрагмой, как во второй ступени акваланга, либо может управляться верхней частью противолегкого сильфонного типа, достигающей нижней части своего хода. [42]
Ребризеры замкнутого цикла обычно позволяют дайверу добавлять газ вручную. В кислородных ребризерах это просто кислород, но ребризеры со смешанным газом обычно имеют отдельный клапан ручного добавления кислорода и разбавителя, поскольку любой из них может потребоваться для корректировки состава смеси контура , либо в качестве стандартного метода работы для CCR с ручным управлением, либо в качестве резервной системы на CCR с электронным управлением. [42] Добавление разбавителя вручную иногда осуществляется с помощью кнопки продувки на ADV.
Добавление газа с постоянным массовым потоком используется в полузакрытых ребризерах с активным добавлением, где это обычный метод добавления на постоянной глубине, и во многих ребризерах с замкнутым контуром, где это основной метод добавления кислорода, со скоростью, меньшей, чем метаболически. требуется дайверу в состоянии покоя, а остальное восполняется системой управления через электромагнитный клапан или водолаза вручную.
Постоянный массовый расход достигается за счет звукового потока через отверстие. Поток сжимаемой жидкости через отверстие ограничен потоком со скоростью звука в отверстии. Это можно контролировать с помощью давления на входе, а также размера и формы отверстия, но как только поток достигает скорости звука в отверстии, любое дальнейшее снижение давления на выходе не оказывает влияния на скорость потока. Для этого требуется источник газа с фиксированным давлением, и он работает только на глубинах, где давление окружающей среды достаточно низкое, чтобы обеспечить звуковой поток в отверстии.
Регуляторы, элементы управления которых изолированы от давления окружающей среды, используются для подачи газа под давлением, не зависящим от глубины.
В полузакрытых ребризерах с пассивным добавлением газ обычно добавляется с помощью клапана по требованию, который приводится в действие противолегкими сильфонами, когда сильфоны пусты. Это то же условие срабатывания, что и для автоматического дилюционного клапана любого ребризера, но фактический спусковой механизм немного отличается. Пассивный ребризер этого типа не требует отдельного ADV, поскольку пассивный дополнительный клапан уже выполняет эту функцию.
В ребризерах смешанного газа с замкнутым контуром с электронным управлением часть подачи кислорода может обеспечиваться через отверстие с постоянным массовым расходом, но точный контроль парциального давления осуществляется с помощью электромагнитных клапанов, приводимых в действие схемами управления. Открытие электромагнитного клапана по времени сработает, когда парциальное давление кислорода в смеси контура упадет ниже нижнего заданного значения.
Если отверстие постоянного массового расхода неисправно и не обеспечивает правильный поток, схема управления компенсирует это, чаще запуская электромагнитный клапан.
На некоторых ребризерах для технического дайвинга можно подключить к ребризеру альтернативный источник газа, обычно с использованием мокрой системы быстрого соединения. Обычно это особенность аварийных ребризеров и других ребризеров, устанавливаемых сбоку, где ребризер намеренно сделан максимально компактным, а источник газа может быть переброшен на другую сторону дайвера для удобства и баланса. Это средство также позволяет потенциально подавать весь газ, переносимый дайвером, через ребризер. [51]
Спасательный газ и процедура спасения тесно связаны между собой. Процедура должна соответствовать конфигурации подачи газа. Первоначальный выход из строя для размыкания цепи часто является первым шагом, даже если имеется аварийный ребризер, поскольку он прост и надежен, и требуется некоторое время, чтобы подготовить аварийный ребризер к использованию. [52] Запаса аварийного газа должно быть достаточно для безопасного возвращения на поверхность из любой точки запланированного погружения, включая любую необходимую декомпрессию, поэтому нередко носить с собой два аварийных баллона и использовать баллон с дилуентом в качестве первая помощь, чтобы добраться до глубины, где можно использовать другой газ. При глубоком погружении или длительном проникновении аварийный ребризер с открытым контуром может легко оказаться тяжелее и громоздче, чем ребризер, а для некоторых погружений аварийный ребризер является более практичным вариантом. [53]
Основными требованиями к контролю газовой смеси в дыхательном контуре любого применения ребризера являются удаление углекислого газа и поддержание его на допустимом уровне, а также поддержание парциального давления кислорода в безопасных пределах. Для ребризеров, которые используются при нормобарическом или гипобарическом давлении, требуется только достаточное количество кислорода, чего легко добиться в кислородном ребризере. Гипербарические применения, такие как дайвинг, также требуют ограничения максимального парциального давления кислорода, чтобы избежать кислородной токсичности , что технически является более сложным процессом и может потребовать разбавления кислорода метаболически инертным газом.
Если добавлено недостаточно кислорода, концентрация кислорода в контуре может оказаться слишком низкой для поддержания жизни. У людей позывы к дыханию обычно вызваны накоплением углекислого газа в крови, а не недостатком кислорода. Гипоксия может вызвать потерю сознания практически без предупреждения с последующей смертью. [16]
Метод контроля диапазона парциального давления кислорода в дыхательном контуре зависит от типа ребризера.
Объем в контуре обычно контролируется автоматическим разбавительным клапаном, срабатывающим по давлению или объему, а также предохранительным клапаном избыточного давления. Автоматический клапан разбавления работает по тому же принципу, что и регулируемый клапан, и позволяет добавлять разбавитель, когда давление в контуре падает ниже давления окружающей среды, например, во время спуска или в случае потери газа из контура. В комплект также может быть добавлен ручной клапан, иногда называемый байпасом. В некоторых ранних кислородных ребризерах пользователю приходилось вручную открывать и закрывать клапан кислородного баллона, чтобы наполнить противолегкое каждый раз, когда объем становился низким. [16]
Инструментарий может варьироваться от минимальной глубины, времени и остаточного давления газа, необходимых для кислородного ребризера с замкнутым контуром или полузакрытого ребризера с найтроксом, до резервных электронных контроллеров с несколькими датчиками кислорода, резервных встроенных декомпрессионных компьютеров, датчиков мониторинга углекислого газа и проекционного дисплея. сигнальных и сигнальных огней со звуковой и вибрационной сигнализацией.
Сигнализация может быть предусмотрена при некоторых неисправностях. Сигнализация управляется электроникой и может зависеть от входных данных датчика и обработки схемой управления. Они могут включать: [16]
Индикация сигналов тревоги: [16]
Если сработала сигнализация ребризера, высока вероятность отклонения газовой смеси от заданной. Существует высокий риск того, что газ в контуре ребризера вскоре станет непригоден для поддержания сознания. Хорошей общей мерой является добавление в контур газа-разбавителя, поскольку известно, что он пригоден для дыхания. Это также снизит концентрацию углекислого газа, если она высока. [16]
Работа дыхания – это усилие, необходимое для дыхания. Часть работы дыхания обусловлена собственными физиологическими факторами, часть — механикой внешнего дыхательного аппарата, а часть — особенностями дыхательного газа. Высокая работа дыхания может привести к накоплению углекислого газа у дайвера и снизить его способность прилагать полезные физические усилия. В крайних случаях работа дыхания может превысить аэробную работоспособность дайвера, что может привести к летальному исходу. [17]
Работа дыхания ребризера состоит из двух основных компонентов: Резистивная работа дыхания возникает из-за ограничения потока газовых каналов, вызывающего сопротивление потоку дыхательного газа, и существует во всех приложениях, где нет вентиляции с внешним приводом. Гидростатическая работа дыхания применима только при дайвинге и обусловлена разницей давления между легкими дайвера и противолегкими ребризера. Эта разница давлений обычно возникает из-за разницы гидростатического давления, вызванной разницей в глубине между легким и противолегким, но ее можно изменить путем балластировки подвижной стороны сильфонного противолегкого. [28]
Резистивная работа дыхания представляет собой сумму всех ограничений потока из-за изгибов, гофрированности, изменения направления потока, давления открытия клапана, потока через скрубберную среду и т. д., а также сопротивления потоку газа из-за инерции и вязкости. , на которые влияет плотность, которая является функцией молекулярной массы и давления. Конструкция ребризера может ограничить механические аспекты сопротивления потоку, особенно за счет конструкции скруббера, противолегких и дыхательных шлангов. На ребризеры для дайвинга влияют изменения работы дыхания в зависимости от выбора газовой смеси и глубины. Содержание гелия снижает работу дыхания, а увеличенная глубина увеличивает работу дыхания. Работа дыхания также может быть увеличена из-за чрезмерной влажности среды скруббера, обычно вследствие утечки в дыхательном контуре, или из-за использования слишком маленького размера зерен абсорбента. [17]
Полузакрытые ребризерные системы, разработанные Drägerwerk в начале 20-го века в качестве подвода газа для стандартной водолазной одежды с использованием кислорода или найтрокса, а также шлем Mark V Heliox ВМС США, разработанный в 1930-х годах для глубоководных погружений, циркулировали дыхательный газ через шлем и скруббер с использованием инжекторной системы, в которой добавленный газ увлекал петлевой газ и создавал поток очищенного газа мимо дайвера внутри шлема, что устраняло внешнее мертвое пространство и резистивную работу дыхания, но не подходило для высокой скорости дыхания. . [55]
Существуют проблемы безопасности, характерные для ребризерного оборудования, и они, как правило, более серьезны в ребризерах для дайвинга. Методы решения этих проблем можно разделить на инженерные и эксплуатационные подходы. Разработка инженерных решений этих проблем продолжается и происходит относительно быстро, но зависит от доступности подходящей технологии, а некоторые инженерные проблемы, такие как надежность измерения парциального давления кислорода, оказались относительно неразрешимыми. [56] Другие проблемы, такие как мониторинг прорыва скруббера и автоматизированный контроль газовой смеси, значительно продвинулись в 21 веке, но остаются относительно дорогостоящими. Работа дыхания - еще одна проблема, которую можно улучшить, и которая является серьезным ограничением приемлемой максимальной глубины работы, поскольку циркуляция газа через скруббер почти всегда обеспечивается легкими дайвера. Отказоустойчивая конструкция может помочь предотвратить сбои. [5]
Некоторые опасности связаны с тем, как работает оборудование, а другие связаны с окружающей средой, в которой оно используется.
Гипоксия может возникнуть в любом ребризере, который содержит достаточно инертного газа, позволяющего дышать без автоматического добавления газа.
В кислородном ребризере это может произойти, если петля недостаточно продута в начале использования. Продувку следует производить при выдыхании устройства, чтобы инертный газ из легких пользователя также удалялся из системы.
Опасно высокое парциальное давление кислорода может возникнуть в дыхательном контуре по нескольким причинам:
Накопление углекислого газа произойдет, если скрубберная среда отсутствует, плохо упакована, неадекватна или исчерпана. Нормальное человеческое тело довольно чувствительно к парциальному давлению углекислого газа, и пользователь заметит его повышение. Тем не менее, не всегда можно что-то сделать, чтобы решить проблему, за исключением замены на другой источник дыхательного газа до тех пор, пока скруббер не будет переупакован. Продолжение использования ребризера с неэффективным скруббером невозможно в течение длительного времени, поскольку уровни станут токсичными, и у пользователя возникнет сильнейшее расстройство дыхания с последующей потерей сознания и смертью. Скорость развития этих проблем зависит от объема контура и скорости метаболизма пользователя.
Накопление углекислого газа также может произойти, когда сочетание напряжения и работы дыхания превышает возможности пользователя. Если это происходит, когда пользователь не может в достаточной степени снизить нагрузку, исправить это может оказаться невозможно. В этом случае проблема заключается не в скруббере, который не удаляет углекислый газ, а в неспособности дайвера эффективно циркулировать газ через скруббер, несмотря на сопротивление трения контура. Это более вероятно произойдет с ребризерами для дайвинга на глубинах, где плотность дыхательного газа сильно повышена, или когда вода в скруббере препятствует потоку газа. [17]
Высокое парциальное давление кислорода значительно увеличивает опасность пожара, и многие материалы, которые самозатухают в атмосферном воздухе, будут гореть непрерывно при высокой концентрации кислорода. Это больший риск для наземных применений, таких как спасательные операции и пожаротушение, чем для дайвинга, где риск возгорания относительно невелик.
Затопление контура, достигающее скруббера, может вызвать «едкий коктейль», когда щелочные компоненты материалов, поглощающих углекислый газ, смешиваются с водой. Эта смесь едкая и может вызвать химические ожоги слизистой и кожи. Смесь обычно представляет собой жидкость или водянистую суспензию с меловым и горьким вкусом, что должно побудить дайвера переключиться на альтернативный источник дыхательного газа и немедленно хорошо прополоскать рот водой. Некоторые современные абсорбенты для ребризеров для дайвинга разработаны так, чтобы не образовывать «едкий коктейль» при намокании. [ нужна цитата ]
Ребризеры для дайвинга подвержены некоторым отказам, которые не могут возникнуть в других дыхательных аппаратах.
Термин «прорыв» означает неспособность скруббера продолжать удалять достаточное количество углекислого газа из газа, циркулирующего в контуре. Это неизбежно произойдет, если скруббер будет использоваться слишком долго, но в некоторых случаях может произойти преждевременно. Есть несколько причин, по которым скруббер может выйти из строя или стать менее эффективным:
Затопление дыхательного контура может произойти из-за утечки в нижней точке контура, где внутреннее давление газа меньше внешнего давления воды. Один из наиболее распространенных случаев, когда это может произойти, - это смещение загубника или его вынимание изо рта дайвера без предварительного закрытия клапана погружения/поверхности или переключения на аварийный выход. Это может произойти из-за случайного удара или кратковременной невнимательности. В зависимости от конструкции петли и положения ребризера в воде количество поступающей воды может варьироваться, как и расстояние, которое она проходит в воздушные каналы дыхательной петли. В некоторых моделях ребризеров умеренное количество воды задерживается в нижней точке противолегкого или корпуса скруббера и не может достичь абсорбента в скруббере. Некоторые ребризеры имеют систему удаления воды, попавшей в ловушку таким образом, либо автоматически через выпускной клапан, например, в Halcyon RB80 и Interspiro DCSC , [28], либо вручную с помощью небольшого насоса.
На ребризере есть несколько мест, где утечка газа может вызвать проблемы. Утечка может произойти из компонентов высокого и среднего давления, а также из контура при давлении немного выше окружающего. Воздействие на целостность системы зависит от серьезности утечки. Если потеряно лишь небольшое количество газа, утечка может быть терпимой до конца погружения, но утечка может стать более серьезной, в зависимости от причины, а в некоторых случаях может ухудшиться катастрофически.
Неисправность контроля кислорода может привести к неправильному парциальному давлению кислорода в дыхательном газе. Последствия могут включать гипоксию, гипероксию и неправильную информацию о декомпрессии, все три из которых потенциально опасны для жизни.
Доступные методы мониторинга состояния скруббера, а также прогнозирования и выявления неминуемого прорыва включают:
Отказоустойчивость — это свойство, которое позволяет системе продолжать нормально работать в случае выхода из строя некоторых ее компонентов. Если качество ее работы вообще снижается, то это снижение пропорционально серьезности отказа по сравнению с наивно спроектированной системой, в которой даже небольшой отказ может привести к полному отказу. Отказоустойчивость особенно важна в системах высокой доступности или безопасности . Способность поддерживать функциональность при выходе из строя частей системы называется постепенной деградацией. [60]
Базовый кислородный ребризер с замкнутым контуром представляет собой очень простое и механически надежное устройство, но оно имеет серьезные эксплуатационные ограничения из-за токсичности кислорода. Подходы к безопасному расширению диапазона глубин требуют использования переменной смеси дыхательных газов. Полузакрытые ребризеры, как правило, неэффективны для декомпрессии и не совсем предсказуемы по составу газа по сравнению с точно управляемыми ребризерами замкнутого контура. Мониторинг газового состава в дыхательном контуре может осуществляться только с помощью электрических датчиков, что ставит надежность электронной системы датчиков под водой в категорию критически важных компонентов безопасности. [5]
Официальной статистики по частоте отказов подводной электроники нет, но вполне вероятно, что человеческие ошибки встречаются чаще, чем частота ошибок электронных подводных компьютеров, которые являются основным компонентом электроники управления ребризером, обрабатывающей информацию из нескольких источников и имеющей алгоритм. для управления соленоидом впрыска кислорода. Герметичный корпус дайв-компьютера существует достаточно долго, чтобы модели более высокого качества стали надежными и прочными по дизайну и конструкции. [5]
Ребризер с электронным управлением представляет собой сложную систему. Блок управления получает входные данные от нескольких датчиков, оценивает данные, рассчитывает соответствующее следующее действие или действия, обновляет состояние системы и отображает, а также выполняет действия, в некоторых случаях используя обратную связь в реальном времени для адаптации управляющего сигнала. [5] Входные сигналы включают сигналы от одного или нескольких датчиков давления, кислорода и температуры, часов и, возможно, датчиков гелия и углекислого газа. Имеется и аккумуляторный источник питания, и пользовательский интерфейс в виде визуального дисплея, интерфейс пользовательского ввода в виде кнопочных переключателей, а также, возможно, звуковая и вибросигнализация. [5]
В минимальном eCCR система очень уязвима. Единственная критическая неисправность может потребовать ручных процедур по устранению неисправности или необходимости перехода на альтернативный источник дыхательного газа. Некоторые неисправности могут иметь фатальные последствия, если их не заметить и быстро устранить. К критическим неисправностям относятся источник питания, нерезервированный кислородный датчик, электромагнитные клапаны или блок управления. [5]
Чисто механические компоненты относительно прочны и надежны, имеют тенденцию к некатастрофическому разрушению, а также являются громоздкими и тяжелыми, поэтому электронные датчики и системы управления были компонентами, для которых обычно требовалась повышенная отказоустойчивость. Отказы кислородных элементов представляют собой особую проблему с предсказуемо серьезными последствиями, поэтому использование многократного резервирования в мониторинге парциального давления кислорода стало важной областью разработок для повышения надежности. Проблемой в этом отношении является стоимость и относительно короткий срок службы датчиков кислорода, а также их относительно непредсказуемое время до отказа и чувствительность к окружающей среде. [5]
Чтобы автоматически обнаружить и идентифицировать неисправность кислородного датчика, необходимо либо откалибровать датчики с использованием известного газа, что в большинстве случаев во время погружения очень неудобно, но возможно в качестве периодической проверки при подозрении на неисправность, либо можно сравнить несколько ячеек. и было сделано предположение, что ячейки с почти одинаковой производительностью функционируют правильно. Эта логика голосования требует минимум трех ячеек, и надежность увеличивается с увеличением количества. [5] Чтобы объединить резервирование ячеек со схемой мониторинга, схемой управления и резервированием дисплея, все сигналы ячеек должны быть доступны для всех цепей мониторинга и управления в нормальных условиях. Это можно сделать путем разделения сигналов на аналоговом или цифровом этапе – выходное напряжение ячейки можно подать на вход всех блоков мониторинга, либо напряжения некоторых ячеек можно подать на каждый монитор, а обработанные цифровые сигналы разделить. Совместное использование цифровых сигналов может облегчить изоляцию неисправных компонентов в случае короткого замыкания. Минимальное количество ячеек в этой архитектуре составляет две на каждый блок мониторинга, причем два блока мониторинга предназначены для резервирования, что больше, чем минимальные три для базовой логики голосования. [5]
Тремя аспектами отказоустойчивого ребризера являются резервирование оборудования, надежное программное обеспечение и система обнаружения неисправностей. Программное обеспечение является сложным и состоит из нескольких модулей со своими собственными задачами, такими как измерение парциального давления кислорода, измерение давления окружающей среды, контроль впрыска кислорода, расчет состояния декомпрессии, а также пользовательский интерфейс отображения состояния и информации, а также ввод данных пользователем. Аппаратное обеспечение пользовательского интерфейса можно отделить от блока управления и мониторинга таким образом, чтобы позволить системе управления продолжать работать, если относительно уязвимый пользовательский интерфейс будет скомпрометирован. [5]
Характеристики, повышающие безопасность, включают: [4]
Ребризеры более сложны в использовании, чем акваланги с открытым контуром, и имеют больше потенциальных точек отказа , поэтому приемлемо безопасное использование требует более высокого уровня навыков, внимания и ситуационной осведомленности, что обычно достигается за счет понимания систем, тщательного обслуживания и изучения практических принципов. навыки эксплуатации и устранения неисправностей . Отказоустойчивая конструкция может снизить вероятность отказа ребризера, что сразу же подвергает опасности пользователя, и снижает нагрузку на дайвера, что, в свою очередь, может снизить риск ошибки оператора.
Технология ребризеров значительно продвинулась вперед, часто благодаря растущему рынку оборудования для любительского дайвинга, особенно для исследования подводных пещер. Инновации включают в себя:
Точное и надежное измерение парциального давления кислорода является одним из наиболее проблемных факторов безопасности дайвинга с ребризером. Системы управления, использующие эти данные, развились до такой степени, что они стали устойчивыми и надежными, а использование независимого резервного копирования повышает надежность примерно до такого же уровня, как и для любого другого компонента. Самым слабым местом являются датчики, которые подвержены нескольким видам отказов, некоторые из которых относительно коварны, поскольку ячейка может пройти нормобарическую калибровку и выйти из строя, когда парциальное давление приближается к верхнему пределу приемлемого рабочего диапазона, что также является проблемой. диапазон, в котором погружения с постоянным парциальным давлением дают максимальную пользу. Когда удалось установить причину, основной причиной смертельных исходов при ребризерах является гипоксия (приблизительно в 17%), причем гипероксия предполагается еще в 4% случаев. Если эти тенденции распространятся на диапазон неопределенных случаев, возможно, что несоответствующее содержание кислорода является причиной 30% смертельных исходов при использовании ребризера. [61]
Стандартным методом повышения надежности мониторинга кислорода было множественное резервирование – использование 3 или более датчиков – и использование нескольких входов данных с системой логики голосования, чтобы попытаться вовремя выявить неисправность датчика для осуществления контролируемого и безопасного завершения. погружения. Логика голосования обычно предполагает, что если один датчик дает показания, значительно отличающиеся от показаний двух или более других при воздействии той же среды, выброс является ошибочным, и входные данные других считаются точными. К сожалению, это не всегда так, и были случаи, когда датчик выбросов был наиболее правильным. Было показано, что надежность этой системы ниже, чем первоначально ожидалось, из-за отсутствия достаточной статистической независимости трех датчиков и что результаты не симметричны - последствия ошибочных показаний низкого или высокого парциального давления также зависят от глубины. [61]
Если датчик дает относительно статичный выходной сигнал с небольшой реакцией на изменения глубины и температуры, а также изменения в составе газа из-за использования, добавления газа, неполного смешивания или турбулентности контура, вполне вероятно, что датчик может реагировать неправильно, и когда два Датчики реагируют одинаково: это предупреждение о том, что оба могут быть неисправны. Алгоритмы, которые отслеживают выходные данные датчиков по сравнению с ожидаемыми выходными данными с учетом известных изменений, могут указывать на надежность датчиков. Этот метод мониторинга датчиков известен как пассивная проверка датчиков (PSV), его можно использовать для повышения надежности оценки целостности датчиков и в системе управления для принятия более надежных решений о том, какие датчики с наибольшей вероятностью будут давать достоверные выходные данные. по сравнению с логикой голосования, основанной только на калибровочных значениях датчиков. PSV представляет собой улучшение простой логики голосования, но все еще подвержено ошибкам, связанным со статистической независимостью компонентов. [61]
Ранние работы по разработке автоматической системы проверки датчиков, в которой система управления ребризером периодически впрыскивала газ известного состава в кислородные датчики во время погружения и использовала выходные данные для определения жизнеспособности реакции датчика с большей точностью и достоверностью, чем человек-дайвер, работа над которым была начата в 2002 году и в дальнейшем была доработана для использования на ребризере Poseidon/Cis-Lunar MK-VI. Эта система «Активной проверки датчиков» (ASV) была усовершенствована в течение тысяч часов полевых испытательных погружений в различных условиях [61].
Система ASV стала более сложной, чем ручная реализация в Cis-Lunar MK-5P. Это предполагает нечто большее, чем просто сравнение измеренного значения PO 2 датчика с рассчитанным значением PO 2 разбавителя на текущей глубине. В ребризерах Poseidon компьютер автоматически впрыскивает либо разбавитель, либо кислород непосредственно в один основной датчик кислорода каждые пять минут во время погружения. Алгоритм учитывает текущую глубину, FO 2 впрыскиваемого газа, температуру окружающей среды, продолжительность впрыска газа и значения калибровки датчика для этого погружения, чтобы предсказать, как датчик должен реагировать в течение следующих нескольких секунд после каждого впрыска газа, и сравнивает это с результатами измерений, чтобы определить уровень достоверности правильной работы датчика. [61]
Этот тип проверки датчика может выявить несколько видов отказа по тому, как измеренные значения отклоняются от ожидаемых значений с изменениями расчетного парциального давления тестового газа, а также способен обнаруживать отказы из-за неправильных показаний температуры, неправильного ввода FO. 2 конденсата разбавителя на кислородном датчике, неисправного кислородного датчика, сбоя подачи проверочного газа и других причин, которые не могут быть обнаружены логикой голосования. [61]
Кислородные датчики большинства ребризеров калибруются на поверхности перед погружением с использованием воздуха или 100% кислорода при нормальном атмосферном давлении. Это надежные точки калибровки, но диапазон рабочих парциальных давлений может выходить за пределы этих точек калибровки, и если датчики откалиброваны для линейного отклика между этими условиями, а отклик экстраполируется, для заданных значений выше 1 бар, что является стандартной практикой, система управления должна работать за пределами диапазона, для которого известно, что реакция является линейной. Одним из наиболее распространенных видов отказа является то, что клетка с возрастом становится ограниченной по току. Внутренний импеданс изменяется по мере того, как анод расходуется на реакцию, вызывающую выходной ток, и отклик становится нелинейным при более высоких парциальных давлениях кислорода. Сигнал может указывать на более низкое парциальное давление и не увеличивается пропорционально добавлению кислорода, что приводит к парциальному давлению кислорода в контуре, которое может без предупреждения возрасти до опасного уровня. Способ проверки датчиков при высоких парциальных давлениях заключается в том, чтобы подвергнуть датчик воздействию PO 2 выше верхнего заданного значения, подвергнув его воздействию чистого кислорода на глубине 6 м, при PO 2 1,6 бар во время погружения или при 1,6 бар или более в калибровочном сосуде. Оба эти метода громоздки, и метод в воде может вызвать выброс PO 2 во время спуска. Вариант системы ASV, использующий кислород, называемый гипероксическим тестом на линейность (HLT), использует кислород в качестве промывочного газа на расстоянии 6 м, что позволяет проверить линейность датчика при давлении 1,6 бар PO 2 , а в случае неудачи – установить заданное значение. может быть автоматически уменьшено до линейного диапазона, установленного во время калибровки. Было доказано, что один датчик с PSV и ASV более надежен, чем три датчика с традиционной логикой голосования. Ожидается, что эффективность алгоритмов проверки ячеек повысится за счет сбора большего количества полевых данных, собранных системами управления ребризерами. [61]
Гиперкапния была идентифицирована как один из наиболее распространенных факторов смертельных исходов при погружениях с ребризером. Обычно это является следствием неспособности скруббера удалять углекислый газ так же быстро, как он образуется, что может быть вызвано любым израсходованным, влажным или недостаточно упакованным абсорбирующим материалом или комбинацией одного или нескольких использованных абсорбирующих материалов, неправильно спроектированных или собранных канистр, несоответствия абсорбента. конструкция контейнера или абсорбент, используемый за пределами его рабочего диапазона. Более высокое парциальное давление углекислого газа в контуре приводит к более высоким уровням углекислого газа в крови и тканях, что может иметь ряд симптомов, включая респираторный дистресс, повышенную восприимчивость к кислородному отравлению ЦНС, дезориентацию и потерю сознания. [61]
Большинство конструкций ребризеров основаны на очень консервативных временных ограничениях продолжительности впитывания, основанных на экспериментальных испытаниях с использованием холодных условий, высоких рабочих нагрузок и высокого давления на глубине. Обычно неоправданно высокий консерватизм побуждает дайверов увеличивать продолжительность впитывания, что работает достаточно хорошо, пока не перестает, часто без предупреждения, что может иметь серьезные последствия. Более сложный метод состоит в том, чтобы определить пределы продолжительности абсорбента на метаболическом потреблении кислорода в качестве показателя метаболического производства углекислого газа, который достаточно стабилен для большинства людей большую часть времени и может достаточно хорошо компенсировать изменения в нагрузке и базовом метаболизме, но не компенсирует надежно влияние глубины и давления на абсорбирующую функцию. [61]
Более прямой и эмпирический подход заключается в использовании преимуществ выделения тепла и повышения температуры активной зоны абсорбента в скруббере. Больше углекислого газа поглощается первой зоной относительно неиспользованного абсорбента, которую он достигает, когда дыхательный газ проходит через скруббер, и эта относительно активная зона продвигается через фильтр по мере того, как зона, в которую газ впервые попал, истощается, и далее происходит дальнейшая реакция. вдоль. Этот фронт реакции имеет более высокую температуру, чем отработанный абсорбент, и абсорбент еще не подвергается воздействию высоких уровней углекислого газа, и фронт продвигается вдоль скруббера, пока его часть не достигнет конца абсорбента, и неочищенный газ не прорвется к другая сторона петли, после чего происходит довольно постоянное и необратимое увеличение вдыхаемого углекислого газа. [61] Некоторые производители ребризеров разработали линейные датчики температуры, которые определяют положение реактивного фронта, что позволяет пользователю оценить оставшуюся продолжительность работы баллона.
Ни один из этих методов не может обнаружить перепуск баллона, и у них мало возможностей выявить полностью израсходованный абсорбент, каналы, плохо упакованный или неподходящий абсорбирующий материал, но это можно сделать путем прямого измерения парциального давления углекислого газа на стороне вдыхания петли. . [61]
Исследования и разработки датчиков углекислого газа начались, по крайней мере, с начала 1990-х годов, когда компании Teledyne Analytical Instruments и Cis-Lunar Development Laboratories работали над датчиком для ребризера Cis-Lunar MK-III, который был точен в лабораторных условиях, но в поле, подверженное высокой влажности и конденсации, приводящее к ненадежным показаниям, что было постоянной проблемой при измерении углекислого газа в реальном времени. Высокие давления также вызывали проблемы с компенсацией глубины. В 2009 году VR Technologies выпустила коммерческий датчик CO 2 с гидрофобными мембранами, позволяющими сохранять датчики сухими без чрезмерного уменьшения потока газа к датчикам. [61]
С тех пор другие производители представили свою продукцию на рынке, но она не получила широкого распространения. Они относительно дороги, в некоторых случаях дают ненадежные показания, могут только обнаружить неисправность скруббера и не прогнозируют оставшийся срок службы. Комбинация измерения температуры и измерения CO 2 после скруббера может дать как прогноз, так и предупреждение о сбое, что приводит к увеличению стоимости и сложности. [61]
Размещение датчика в контуре может повлиять на чувствительность к фактическому содержанию CO 2 во вдыхаемом газе. Измерение газа в мундштуке сопряжено с проблемами из-за мертвого пространства, а установка в шланге для ингаляций рядом с мундштуком делает датчик чувствительным к небольшим утечкам в обратном клапане ингаляции, а также позволяет обнаруживать высокий уровень CO 2 из-за крупных утечек обратного клапана, которые могут вызвать значительное увеличение мертвого пространства, которое не будет обнаружено, если датчик находится дальше по потоку в контуре. [61]
Более того, повышенный уровень CO 2 во вдыхаемом газе является лишь одной из причин гиперкапнии. На него также влияют работа дыхания, физическая подготовка дайвера, характер дыхательной вентиляции и другие поведенческие, физиологические и механические факторы. Лучшим вариантом было бы измерение уровней CO 2 как во вдыхаемом, так и в выдыхаемом воздухе , а для этого потребуются датчики, которые бы работали быстро и надежно во влажных условиях и были достаточно недорогими [61].
После решительной поддержки Rebreather Forum 3 использования письменных контрольных списков для повышения безопасности, Cis-Lunar Development Laboratories запрограммировали электронный контрольный список перед погружением в свою операционную систему ребризера MK-5P, чтобы предотвратить пренебрежение пользователем ношения с собой. перед использованием выполните рекомендованные проверки. Это было сочтено успешным и реализовано в более поздних поколениях ребризеров Poseidon MK-VI и SE7EN и было разработано для включения надежной внутренней диагностики основных электронных компонентов и программного обеспечения, а также автоматической калибровки ячеек датчика кислорода при нормобарическом давлении. Невыполнение полного контрольного списка приводит к появлению ряда сигналов тревоги, если пользователь попытается погрузиться с устройством. Хотя это не совсем надежно (кислородные элементы не калибруются при гипербарическом рабочем давлении), ряд критических для безопасности ошибок будет обнаружен и дайвер о них уведомлен. Программное обеспечение также регистрирует шаги и данные проверки перед погружением, что полезно для анализа несчастных случаев. Проверки перед погружением также занимают меньше времени и не требуют бумажных документов или регистрации пользователем. Было доказано, что эта система снижает риск и была принята на вооружение несколькими производителями. [61]
Пользовательский интерфейс системы управления ребризером — это место обмена информацией между дайвером и электронной системой управления, и это область, в которой существует несколько возможностей для ошибок, как при вводе пользователем, так и при интерпретации данных, некоторые из которых могут иметь серьезные или фатальные последствия. Естественно более высокий риск механического отказа из-за высокой сложности может быть компенсирован инженерным резервированием, как системы управления, так и подачи аварийного газа, а также соответствующим обучением. Конструкция человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) может быть улучшена, чтобы снизить риск недопонимания и ошибок, а обучение может быть сосредоточено на правильной интерпретации информации и соответствующем реагировании. HMI обычно состоит из двух основных компонентов: дисплеев и сигналов тревоги, и многие из сигналов тревоги связаны с конкретной визуальной информацией. [61]
Задача разработки эффективных сигналов тревоги состоит в том, чтобы гарантировать, что дайвер не отвлекается на ненужную информацию и что они не срабатывают слишком легко, что приучает дайвера уделять меньше внимания, и, хотя возможное выполнение законодательных требований в отношении предупреждений и сигналов тревоги, может привести к оборудование функционально менее безопасно в использовании. Одна из стратегий, позволяющая избежать этой проблемы, — воздействовать на различные органы чувств — слуховые, зрительные и тактильные — иногда на основе вибрационного воздействия на мундштук. [61]
Эффективное отображение гарантирует, что пользователь получит нужную ему информацию, когда она ему нужна, и нужную ему информацию, когда он этого хочет, в форме, которая сразу распознается и однозначно понимается. Когда в момент стресса представлено слишком много информации, пользователь может растеряться или не суметь вовремя выделить полезную информацию, чтобы эффективно ее использовать. В других случаях более подробная информация может оказаться полезной или необходимой для принятия правильного решения. В этом могут помочь несколько дисплеев или несколько представлений на одном дисплее. [61]
Тенденция в области дисплеев ребризеров, которая, по прогнозам, станет более распространенной [61] , заключается в использовании усовершенствованных проекционных дисплеев, которые могут предоставлять более широкий спектр информации за счет использования множества цветных огней или более сложных графических или буквенно-цифровых дисплеев, которые остаются периферийно виден дайверу в любое время, и для того, чтобы он стал полностью читаемым, требуется только движение глаз. [61]
Основной логистической проблемой при длительных и глубоких погружениях с ребризером является объем аварийного оборудования, которое необходимо иметь с собой, чтобы обеспечить безопасное возвращение на поверхность из любой точки погружения после неустранимого отказа основной системы. Вариант с открытым контуром может стать чрезвычайно громоздким и неудобным в управлении, и хотя вариант с ребризером более компактен и эффективен, он имеет свой собственный набор логистических проблем. [61]
Одной из основных проблем при разработке системы аварийного спасения замкнутого контура для ребризеров является поддержание аварийного комплекта в состоянии, готовом к использованию на любой глубине. Это подразумевает пригодный для дыхания газ для глубины, хотя и не обязательно оптимизированный, поскольку смесь может быть доведена до заданной точки довольно быстро после катапультирования, а также объем газа, который не меняется слишком сильно, так что контроль плавучести не является чрезмерно сложным. Основная часть системы должна быть управляемой, а загубник аварийного комплекта должен быть легко доступен, но безопасен. Поскольку аварийные ребризеры, скорее всего, будут использоваться при погружениях с большими обязательствами по декомпрессии, переход на аварийный режим должен быть предусмотрен системой управления декомпрессией. Если мониторинг парциального давления кислорода в режиме реального времени включен в расчет декомпрессии, должна быть возможность переносить эту функцию между блоками без ущерба для их независимости. Нагрузка дайвера при управлении двумя контурами не должна быть чрезмерной, поскольку дайвер считается наименее надежным аспектом операции и может испытывать значительный стресс, когда спасение становится необходимым. [61]
Данные, зарегистрированные во время погружений с ребризером, полезны для анализа аварий, тестирования и разработки ребризеров, а также для образовательных целей дайверов. Регистрация профиля погружения встроенными декомпрессионными компьютерами также полезна для исследования эффективности графиков декомпрессии. Агрегация таких данных может дать представление о моделях погружений среди пользователей и помочь в анализе рисков. [61]
Системы управления электронными ребризерами продолжали увеличивать мощность обработки и хранения, и параллельно увеличивалась их способность собирать данные с повышенной детализацией и точностью. В 1994 году система регистрации данных Cis-Lunar Mk-IV записывала данные со скоростью несколько сотен точек в час погружения, а к 1997 году Cis-Lunar Mk-5P регистрировала более тысячи точек в час. К 2007 году Poseidon MK-VI Discovery регистрировал от 15 000 до 25 000 точек в час, а в 2016 году Poseidon SE7EN записал более чем вдвое больше этого количества, что соответствует рекомендациям Rebreather Forum 3, в которых говорится: [61]
Форум рекомендует, чтобы все ребризеры имели системы регистрации данных, которые записывают функциональные параметры, относящиеся к конкретному устройству, и данные о погружениях, а также позволяют загружать эти данные. Целью этой инициативы является диагностическая реконструкция погружений с максимально возможным количеством соответствующих параметров. Идеальной целью было бы обеспечить избыточность в системах регистрации данных и, насколько это практически возможно, стандартизировать собираемые данные [61].
Некоторые из зарегистрированных данных относятся к модели ребризера и не подходят для общего анализа, но некоторые данные полезны для внешнего анализа популяции пользователей и практики дайвинга, что может улучшить понимание поведения и анализ безопасности. [61]
СМИ, связанные с ребризерами для дайвинга, на Викискладе?