Битва регуляторов

Битва регуляторов

В последнее время появилась тенденция приводить технические характеристики и даже графики-диаграммы для рекламы регуляторов. Любопытно разобраться с тем, что же действительно важно в работе регулятора, как он работает, и что стоит за цифрами приводимых производителями характеристик, хотя бы с точки зрения здравого смысла.
Попытаемся теоретически смоделировать процесс дыхания. Мы опишем его максимально доступно. Итак, легкие - это сосуд переменного объема, соединенный посредством полости рта, гортани и бронхов с атмосферой. За счет работы межреберной мускулатуры увеличивается объем грудной клетки, легкие растягиваются, увеличиваются в объеме и практически мгновенно заполняются воздухом.

Легкие и атмосфера в нашей схеме - это сообщающиеся сосуды, не разделенные никакими клапанами (подобными клапанам регуляторов), и поэтому смело делаем допуск, что разрежения воздуха в легких в связи с увеличением объема практически не происходит. Произведение давления на объем - это константа только для замкнутых сосудов. С точностью до наоборот этот процесс происходит при выдохе.
А если вдох делается из идеального регулятора, то?..

Первое - под водой вдох происходит не из окружающей атмосферы, а из камеры вдоха дыхательного автомата (второй ступени регулятора), поэтому идеальный регулятор должен работать так, чтобы воздух в камере вдоха находился всегда при давлении, равном давлению в легких.
Второе - поскольку камера вдоха любого регулятора значительно меньше объема легких и, по сути, является продолжением полости рта, из нее много не вдохнешь. Подача воздуха в камеру производится через клапаны, через механизмы регулятора, отделяющие легкие от сжатого воздуха в баллоне.
Поэтому идеальный регулятор должен пополнять камеру вдоха с такой же скоростью и в том же объеме, в котором происходит увеличение объема легких во время вдоха. Т.е. он должен максимально имитировать атмосферу в модели сообщающихся сосудов.

Конечно же, каждому человеку интересно узнать, насколько его регулятор близок к идеальному. Как оценить качество "имитации атмосферы"?
Сегодня все результаты тестов регуляторов, проводимые производителями, были получены в следующей модели. Камера вдоха регулятора герметично соединена с сосудом переменного объема. Объем сосуда изменяется - то увеличивается, то уменьшается каждый раз на 3 литра со скоростью примерно 20 раз в минуту, что соответствует расходу воздуха 62.5 литров в минуту. Вся система находится под давлением, соответствующим глубине 50 метров. Таковы требования международного стандарта EN 250.

Для контроля за изменением давления к сосуду переменного объема присоединен манометр (рис. 1). В процессе тестирования происходит много циклов вдоха-выдоха, но на диаграмме, как на рис.2, обычно приводят кривую изменения давления в сосуде в течение одной фазы вдоха и одной фазы выдоха. При построении этой кривой по горизонтальной оси откладывают объем воздуха, прошедшего через регулятор с начала фазы дыхания, а по вертикальной оси вниз - величину разряжения, вверх - величину избыточного давления в сосуде в данный момент времени. На вертикальной оси указывают значения давления в единицах 1 кПа = 10 мБар = 100 мм водяного столба.
 
 

При увеличении объема сосуда давление в нем уменьшается и создается разрежение, т.к. сосуд отделен от источника воздуха клапаном легочного автомата. Разрежение нарастает до тех пор, пока клапан дыхательного автомата не откроется (точка "А" на рис. 2). Величина максимального разрежения в фазе вдоха - это есть усилие подрыва клапана вдоха. Чем меньше это усилие, тем легче вдох и тем ближе тестируемый регулятор к идеальному.
Далее в процессе вдоха разрежение снижается и становится положительным (точка "В" на рис. 2), т.е. объем воздуха, подаваемого регулятором, растет быстрее, чем увеличивается объем сосуда. Но в конечной фазе вдоха скорость подачи воздуха опять падает, переставая компенсировать увеличивающийся объем сосуда, и разряжение вновь растет (кривая движется вниз, рис. 2) вплоть до начала фазы выдоха.
В фазе выдоха объем сосуда начинает сокращаться, в полости регулятора возникает избыточное давление, которое закрывает клапан вдоха и открывает тарельчатый клапан выдоха. После преодоления усилия открытия клапана выдоха (точка "С" на рис. 2) поведение кривой избыточного давления плавное и объяснимое простотой конструкции клапана выдоха.

Работа, выполняемая при дыхании, делится на две части. Работа на вдохе и работа на выдохе. Поскольку разные механизмы регулятора отвечают за фазы вдоха и выдоха, то работа эквивалентна площади, описанной графиком давления и осью времени (рис.3).
Во время фазы вдоха (график 1 на рис.3) энергия затрачивается только в начальной и конечной части цикла (зона "А" на рис.3). В средней части кривой значение давления положительно, и легкие расширяются благодаря избыточному давлению в камере вдоха регулятора. Именно благодаря этому значение работы при вдохе очень незначительно.
Работа при выдохе - площадь под графиком 2 (рис.3) значительно больше работы на вдохе. Сопротивление выдоху воздуха в воду отлично от нуля по причине разности плотности сред, да и клапан выдоха для безотказной работы должен иметь значимое усилие открытия. Иначе движение воды вблизи тарелки клапана нарушало бы его герметичность.
Теперь, когда мы разобрались с физическим смыслом диаграмм работы регуляторов, давайте подумаем: как результаты этих тестов помогают нам при оценке качества и выборе регулятора?

Величина работы дыхания - это важный параметр, он так же, как и величина максимального усилия при вдохе, определяется стандартом EN 250. Требования EN 250 - это работа менее 3 Дж/литр и усилие на вдохе - 2.5 кПа.
Можно ли сравнивать результаты и графики тестирования регуляторов различных производителей? При кажущейся эквивалентности и объективности рисуемых кривых ответ на этот вопрос не очевиден.

Стандартом предусмотрены такие условия, как глубина - 50 метров, объем дыхания - 62.5 литра в минуту, температура - 20 градусов Цельсия, давление в баллоне 50 Бар. Однако на результаты измерения могут влиять: способ измерения давления и удаленность точки, в которой происходит замер от камеры вдоха дыхательного автомата, продолжительность одного цикла дыхания, объем каждого вдоха и объем сосуда. Все эти параметры определенно влияют на точность измерения и построения кривой.
А как изменяется характер кривой в зависимости от глубины и давления в баллоне? В каком положении заслонка Вентури и винт регулировки подачи потока воздуха? Ведь реально мы дышим из регулятора в условиях, всегда отличающихся от предусмотренных стандартом.

Тем не менее, интерес к результатам тестирования есть. Графики служат не для количественной, а для качественной оценки и сравнения конструкций регуляторов. Вспомним про идеальный регулятор. Его кривая должна бы выглядеть так, как показано на рис. 4, при любом давлении в баллоне, на любой глубине, при произвольном объеме дыхания.
Можно констатировать, что поведение реальных кривых самых современных регуляторов в фазе выдоха принципиально невозможно приблизить к кривой идеального регулятора. А вот поведение кривой в фазе вдоха, ее характер и уровень необходимого усилия при дыхании предсказуемы и объяснимы. Именно это и есть основной предмет усилий разработчиков-регуляторостроителей.

Понятно, чтобы дыхание было комфортным, необходимо значения кривой сопротивления вдоху приблизить к значениям идеального регулятора по двум параметрам. Первое и наиболее важное - это равномерность вдоха, гладкость кривой, ее горизонтальность. Ведь при естественном дыхании на суше легкие наполняются плавно, без значительных пульсаций. Второе - значение усилия, необходимого при вдохе особенно в его начальный момент подрыва клапана, должно быть минимальным.
Давайте попробуем разобраться, как и почему конкретные особенности конструкции первой и второй ступени регуляторов отражаются на характере кривой сопротивления дыханию.
Рассмотрим диаграмму дыхания различных моделей современных регуляторов. Поскольку иллюстрируемые в дальнейшем принципы универсальны и реализованы различными производителями, не будем указывать конкретные модели, а дадим им следующую классификацию.

Первые ступени регуляторов:
"А" - поршневой редуктор;
"В" - мембранный редуктор;
"C" - сбалансированный мембранный редуктор;
"D" - сбалансированный мембранный редуктор с системой инжектирования портов низкого давления (АИР ТУРБО).

Вторые ступени регуляторов:
"АА" - дыхательный автомат;
"ВВ" - дыхательный автомат с системой инжектирования (Вентури);
"CC" - сбалансированный дыхательный автомат с системой инжектирования (Вентури).

На рис. 5 представлена диаграмма дыхания регулятора "А-АА", состоящего из не самого простого несбалансированного поршневого редуктора "А" и дыхательного автомата "АА". В начале фазы вдоха растет разрежение в дыхательной камере до тех пор, пока не достигнет усилия, необходимого для подрыва клапана вдоха. Далее, в первой трети фазы объем подаваемого регулятором воздуха примерно соответствует скорости увеличения объема воздуха в сосуде испытательной установки, описанной в первой части.
Что происходит в этот момент в самом регуляторе? Под открывающимся клапаном дыхательного автомата, в шланге, соединяющем первую и вторую ступень, и в камере низкого давления воздух находится, относительно окружающей среды, под давлением, равным установочному давлению редуктора.
И вот клапан открылся, освободив путь этому воздуху в камеру вдоха дыхательного автомата. Источником воздуха условно можно считать камеру низкого давления редуктора. Клапан редуктора пока закрыт (зона "А" на рис. 5). Расход воздуха из этой камеры приводит к падению давления в ней и вызывает снижение объема воздуха, подаваемого регулятором. На диаграмме этот момент отражается как увеличение сопротивления вдоху (зона "В" на рис. 5). Далее разрежение в камере низкого давления приводит к открытию клапана вдоха первой ступени, и объем подаваемого регулятором воздуха стабилизируется, хотя и на более низком значении, чем первой фазе вдоха (зона "С" на рис. 5). Работа регулятора "А-АА" на вдохе составляет 0.87 Дж/л.

На рис. 6 представлена диаграмма сопротивления дыханию, полученная при испытании регулятора "A-BB", состоящего из того же редуктора "А" и дыхательного автомата "ВВ". В конструкции дыхательного автомата применен принцип инжектирования воздушного потока. Это привело к уменьшению сопротивления вдоха в первой фазе (зона "А" на рис. 6) за счет повышения подаваемого объема воздуха, однако, при разрежении в камере низкого давления редуктора усилие при вдохе растет, и диаграмма в конечной фазе практически соответствует кривой на рис. 5 (зоны "В" и "С" на рис. 6). Уменьшение сопротивления дыханию произошло благодаря инжекции в дыхательном автомате "ВВ". Работа при вдохе сократилась до 0.67 Дж/л.
Значительное падение давления в камере поршневого редуктора имеет конструктивную причину. Поскольку поршень имеет большой размер, его вес и необходимость, как правило, двух уплотнительных колец (O-rings), являются причиной ощутимой инерции при движении.

Разработчикам хорошо известно, что любой мембранный редуктор имеет величину падения давления в камере при вдохе в два раза меньшую, чем даже хорошо сбалансированный поршневой редуктор. Поэтому замена поршневого редуктора на мембранный способна привести к уменьшению сопротивления дыхания при вдохе, особенно в заключительной части фазы вдоха.
На рис. 7 приведена диаграмма регулятора "В-ВВ", где "В" - это мембранный редуктор. Работа при вдохе у такого комплекта составляет уже 0.39 Дж/л. Однако гладкость кривой сопротивления при вдохе явно нарушена.
 
 

В регуляторе "С-ВВ" использована первая ступень "С" со сбалансированной диафрагмой. Как видно на рис. 8, произошло значительное сглаживание кривой сопротивления дыханию. Более того, несколько иная конфигурация внутренних полостей редуктора обеспечила поступление большего объема воздуха в начальной фазе вдоха, что привело к избыточному давлению в тестовой установке. Работа при вдохе составила уже 0.26 Дж/л. Поведение кривой в первой фазе вдоха почти идеальное, но значительное увеличение сопротивления вдоху в конце фазы желательно преодолеть.
Как мы помним, инжектирование воздушного потока во второй ступени регулятора "ВВ" привело к увеличению объема подаваемого воздуха и снижению сопротивления вдоху. Аналогичный эффект достигается при инжектировании воздушного потока в первой ступени регулятора.

Регулятор "D-CC" состоит из сбалансированного мембранного редуктора с инжектированными портами низкого давления (система АИР-ТУРБО) и сбалансированного дыхательного автомата с регулируемым эффектом Вентури (инжектированием воздушного потока). Рассмотрим диаграмму, полученную в результате теста этого регулятора, приведенную на рис. 9. В начальной фазе вдоха после подрыва клапана происходит динамичное снижение сопротивления дыханию за счет эффекта Вентури. Вскоре регулятор фактически становится на постоянную подачу, и в камере вдоха регулятора второй ступени разрежение сменяется избыточным давлением.
Момент, в который начинает сказываться падение давления в камере редуктора, наступает только в середине цикла вдоха благодаря инжектированию портов редуктора. С этого момента объем подачи воздуха регулятором начинает сокращаться. В конечной фазе в камере вдоха регулятора второй ступени избыточное давление меняется на разрежение. Постоянная подача прекращается, и вновь появляется сопротивление вдоху. Таким образом, использование редуктора со сбалансированной мембраной существенно ограничило увеличение сопротивления вдоху в средней части цикла, а мощное инжектирование воздушного потока в обоих ступенях регулятора позволило и вовсе преодолеть последствия падения давления в камере редуктора. Работа регулятора "D-CC" при вдохе составила всего 0.1 Дж/л.

Надо отметить, что балансировка первой и второй ступени в меньшей степени влияет на поведение кривой и в большей степени предназначена для стабилизации характеристик регулятора в различных условиях эксплуатации. Зависимость сопротивления дыханию от давления в баллоне практически полностью компенсируется балансировкой редуктора. Балансировка дыхательного автомата позволяет снизить усилие подрыва клапана и обеспечивает его работоспособность в широком диапазоне установочных давлений редуктора.

Однако на величину сопротивления дыханию и поведение кривой существенное влияние оказывает глубина. При росте давления окружающей среды существенно растет плотность воздуха, проходящего через камеру низкого давления редуктора, шланг и клапан дыхательного автомата. Увеличение плотности приводит к снижению скорости потока воздуха за счет увеличения силы трения между стенками систем регулятора и воздушным потоком. Именно поэтому стандартом EN 250 при тестировании регуляторов оговорена глубина проведения теста. Изменением настроек регулятора можно добиться очень хороших показателей в конкретных условиях теста, однако, его работа в других условиях может оказаться неприемлемой.

Приведем пример. Каждый владелец регулятора с возможностью управления заслонкой Вентури и регулировкой усилия подрыва клапана (регулировкой сжатия пружины клапана дыхательного автомата) начинает с опробования этих возможностей. Это приводит к тому, что на какой-то глубине вращение ручек и рычажков позволяет подобрать наиболее комфортный режим работы регулятора и добиться максимальной легкости вдоха.
При уменьшении глубины вдох становится еще легче, но при вынимании регулятора изо рта обнаруживается, что он подтравливает воздух, если загубник направлен вверх или если регулятор просто становится на постоянную подачу (free flow). Это происходит именно из-за изменения плотности воздуха и его влияния на параметры работы регулятора. К сожалению, никто из производителей не публикует данные о том, как и в каких интервалах меняются эти параметры.
Напрашивается очевидный вывод, что красивая диаграмма, полученная в стандартных условиях, не является гарантией комфортности и безотказной работы регулятора. Однако, рассмотренные на представленных диаграммах принципы верны и позволяют оценить усилия регуляторостроителей на наше с вами общее благо.
Изложенная информация дает нам возможность поразмышлять о том, в каком направлении будут совершенствовать свои конструкции производители идеального регулятора. Но это тема отдельного разговора.