Битва регуляторів
Битва регуляторів
останнім часом з'явилася тенденція приводити технічні характеристики і навіть графіки, діаграми для реклами регуляторів. Цікаво розібратися з тим, що дійсно важливо в роботі регулятора, як він працює, і що стоїть за цифрами наведених виробниками характеристик, хоча б з точки зору здорового глузду.
Спробуємо теоретично змоделювати процес дихання. Ми опишемо його максимально доступно. Отже, легені - це посудина змінного об'єму, з'єднаний з допомогою порожнини рота, гортані і бронхів з атмосферою. За рахунок роботи міжреберної мускулатури збільшується об'єм грудної клітки, легені розтягуються, збільшуються в об'ємі і практично миттєво заповнюються повітрям.
Легкі і атмосфера в нашій схемі - це сполучені посудини, не розділені ніякими клапанами (подібними клапанів регуляторів), і тому сміливо робимо допуск, що розрідження повітря в легенях у зв'язку з збільшенням обсягу практично не відбувається. Добуток тиску на об'єм - це константа тільки для замкнутих судин. З точністю до навпаки цей процес відбувається при видиху.
А якщо вдих робиться з ідеального регулятора, то?..
Перше - під водою вдих відбувається не з навколишнього атмосфери, а з камери вдиху дихального автомата (другого ступеня регулятора), тому ідеальний регулятор повинен працювати так, щоб повітря в камері вдиху перебував завжди при тиску, рівному тиску в легенях.
Друге - оскільки камера вдиху будь-якого регулятора значно менше об'єму легень і, по суті, є продовженням порожнини рота, з неї багато не вдихнеш. Подача повітря в камеру проводиться через клапани, через механізми регулятора, що відокремлюють легені від стисненого повітря в балоні.
Тому ідеальний регулятор повинен поповнювати камеру вдиху з такою ж швидкістю і в тому ж обсязі, в якому відбувається збільшення об'єму легень під час вдиху. Тобто він повинен максимально імітувати атмосферу в моделі сполучених посудин.
Звичайно ж, кожній людині цікаво дізнатися, наскільки його регулятор близький до ідеального. Як оцінити якість імітації атмосфери"?
Сьогодні всі результати тестів регуляторів, що проводяться виробниками, були отримані в наступній моделі. Камера вдиху регулятора герметично з'єднана з посудиною змінного об'єму. Обсяг судини змінюється - то збільшується, то зменшується кожного разу на 3 літри зі швидкістю приблизно 20 разів на хвилину, що відповідає витраті повітря 62.5 літрів в хвилину. Вся система знаходиться під тиском, що відповідає глибині 50 метрів. Такі вимоги міжнародного стандарту EN 250.
Для контролю за зміною тиску до посудини змінного об'єму приєднаний манометр (рис. 1). В процесі тестування відбувається багато циклів вдиху-видиху, але на діаграмі, як на рис.2, зазвичай призводять криву зміни тиску в посудині протягом однієї фази вдиху і однієї фази видиху. При побудові цієї кривої на горизонтальній осі відкладають об'єм повітря, що пройшов через регулятор з початку фази дихання, а по вертикальній осі вниз - величину розрідження, вгору - величину надлишкового тиску в посудині в даний момент часу. На вертикальній осі вказують значення тиску в одиницях 1 кПа = 10 мБар = 100 мм водяного стовпа.
При збільшенні об'єму посудини тиск в ньому зменшується і створюється розрідження, т. к. посудину відділений від джерела повітря клапаном легеневого автомата. Розрідження наростає до тих пір, поки клапан дихального автомата не відкриється (точка А на рис. 2). Величина максимального розрідження в фазі вдиху - це є зусилля підриву клапана вдиху. Чим менше це зусилля, тим легше вдих і тим ближче досліджуваний регулятор до ідеального.
Далі в процесі вдиху розрідження знижується і стає позитивним (точка В на рис. 2), тобто об'єм повітря, що подається регулятором, зростає швидше, ніж збільшується обсяг судини. Але в кінцевій фазі вдиху швидкість подачі повітря знову падає, перестаючи компенсувати збільшується об'єм посудини, і розрядження знову зростає (крива рухається вниз, рис. 2) аж до початку фази видиху.
У фазі видиху об'єм посудини починає скорочуватися, в порожнині регулятора виникає надлишковий тиск, який закриває клапан вдиху і відкриває тарілчастий клапан видиху. Після подолання зусилля відкриття клапана видиху (точка "С" на рис. 2) поведінка кривою надлишкового тиску плавне і природне простотою конструкції клапана видиху.
Робота, виконувана при диханні, ділиться на дві частини. Робота на вдиху і робота на видиху. Оскільки різні механізми регулятора відповідають за фази вдиху і видиху, то робота еквівалентна площі, описаної графіком тиску і віссю часу (рис.3).
Під час фази вдиху (графік 1 на рис.3) енергія затрачається тільки в початковій і кінцевій частині циклу (зона "А" на рис.3). У середній частині кривої значення тиску позитивно, і легені розширюються завдяки надлишковому тиску в камері вдиху регулятора. Саме завдяки цьому значення роботи при вдиху дуже незначно.
Робота при видиху - площа під графіком 2 (рис.3) значно більше роботи на вдиху. Опір видиху повітря у воду відмінно від нуля внаслідок різниці щільності середовищ, так і клапан видиху для безвідмовної роботи повинен мати значуще зусилля відкриття. Інакше рух води поблизу тарілки клапана порушувало б його герметичність.
Тепер, коли ми розібралися з фізичним змістом діаграм роботи регуляторів, давайте подумаємо: як результати цих тестів допомагають нам при оцінці якості і виборі регулятора?
Величина роботи дихання - це важливий параметр, він так само, як і величина максимального зусилля при вдиху, визначається стандартом EN 250. Вимоги EN 250 - це робота менше 3 Дж/літр і зусилля на вдиху - 2.5 кПа.
Можна порівнювати результати та графіки тестування регуляторів різних виробників? При уявній еквівалентності та об'єктивності змальованих кривих відповідь на це питання не очевидний.
Стандартом передбачені такі умови, як глибина - 50 метрів, об'єм дихання - 62.5 літра в хвилину, температура - 20 градусів Цельсія, тиск у балоні 50 Бар. Однак на результати вимірювання можуть впливати: спосіб вимірювання тиску і віддаленість точки, в якій відбувається завмер від камери вдиху дихального автомата, тривалість одного циклу дихання, об'єм кожного вдиху і об'єм посудини. Всі ці параметри визначено впливають на точність вимірювання і побудови кривої.
А як змінюється характер кривої в залежності від глибини і тиску в балоні? В якому положенні заслінка Вентурі і гвинт регулювання подачі потоку повітря? Адже реально ми дихаємо з регулятора в умовах, завжди відрізняються від передбачених стандартом.
Тим не менш, інтерес до результатів тестування є. Графіки служать не для кількісної, а для якісної оцінки та порівняння конструкцій регуляторів. Згадаємо про ідеальний регулятор. Його крива мала б виглядати так, як показано на рис. 4, при будь-якому тиску в балоні, на будь-якій глибині, при довільному об'ємі дихання.
Можна констатувати, що поведінка реальних кривих самих сучасних регуляторів у фазі видиху принципово неможливо наблизити до кривої ідеального регулятора. А ось поведінка кривої у фазі вдиху, її характер і рівень необхідного зусилля при диханні передбачені і зрозумілі. Саме це і є основний предмет зусиль розробників-регуляторостроителей.
Зрозуміло, щоб дихання було комфортним, необхідно значення кривої опору вдиху наблизити до значень ідеального регулятора за двома параметрами. Перше і найбільш важливе - це рівномірність вдиху, гладкість кривої, її горизонтальність. Адже при природному диханні на суші легені наповнюються плавно, без значних пульсацій. Друге - значення зусилля, необхідного при вдиху особливо в її початковий момент підриву клапана, повинно бути мінімальним.
Давайте спробуємо розібратися, як і чому конкретні особливості конструкції першої та другої щаблі регуляторів відображаються на характері кривої опору диханню.
Розглянемо діаграму дихання різних моделей сучасних регуляторів. Оскільки иллюстрируемые надалі принципи універсальні і реалізовані різними виробниками, не будемо вказувати конкретні моделі, а дамо їм таку класифікацію.
Перші щаблі регуляторів:
"А" - поршневий редуктор;
"В" - мембранний редуктор;
"C" - збалансований мембранний редуктор;
"D" - збалансований мембранний редуктор з системою інжектування портів низького тиску (АЇР ТУРБО).
Другі ступені регуляторів:
"АА" - дихальний автомат;
"ВВ" - дихальний автомат з системою інжектування (Вентурі);
"CC" - збалансований дихальний автомат з системою інжектування (Вентурі).
На рис. 5 представлена діаграма дихання регулятора "А-АА", що складається з не самого простого незбалансованого поршневого редуктора "А" і дихального автомата "АА". На початку фази вдиху збільшується розрідження в дихальній камері до тих пір, поки не досягне зусилля, необхідного для підриву клапана вдиху. Далі, у першій третині фази обсяг подаваного регулятором повітря приблизно відповідає швидкості збільшення об'єму повітря в посудині випробувальної установки, описаної в першій частині.
Що відбувається в цей момент в самому регуляторі? Під відкидним клапаном дихального автомата, в шлангу, що з'єднує першу та другу сходинку, і в камері низького тиску повітря перебуває, відносно навколишнього середовища, під тиском, рівним установчого тиску редуктора.
І ось клапан відкрився, звільнивши шлях цього повітря в камеру вдиху дихального автомата. Джерелом повітря умовно можна вважати камеру низького тиску редуктора. Клапан редуктора поки закритий (зона "А" на рис. 5). Витрата повітря з цієї камери призводить до падіння тиску в ній і викликає зниження об'єму повітря, що подається регулятором. На діаграмі цей момент відображається як збільшення опору вдиху (зона "В" на рис. 5). Далі розрідження в камері низького тиску приводить до відкриття клапана вдиху першої ступені, і обсяг подаваного регулятором повітря стабілізується, хоча і на більш низькому значенні, ніж першій фазі вдиху (зона "С" на рис. 5). Робота регулятора "А-АА" на вдиху становить 0.87 Дж/л.
На рис. 6 представлена діаграма опору диханню, отриманий при випробуванні регулятора "A-BB", що складається з того ж редуктора "А" і дихального автомата "ВВ". У конструкції дихального автомата застосований принцип інжектування повітряного потоку. Це призвело до зменшення опору вдиху в першій фазі (зона "А" на рис. 6) за рахунок підвищення обсягу подаваного повітря, однак, при розрідженні в камері низького тиску редуктора зусилля при вдиху зростає, і діаграма в кінцевій фазі практично відповідає кривої на рис. 5 (зони "В" і "С" на рис. 6). Зменшення опору диханню сталося завдяки інжекції в дихальному автоматі "ВВ". Робота при вдиху скоротилася до 0.67 Дж/л.
Значне падіння тиску в камері поршневого редуктора має конструктивну причину. Оскільки поршень має великий розмір, вагу та необхідність, як правило, двох ущільнювального кільця (O-rings), є причиною відчутною інерції при русі.
Розробникам добре відомо, що будь-мембранний редуктор має величину падіння тиску в камері при вдиху в два рази меншу, ніж навіть добре збалансований поршневий редуктор. Тому заміна поршневого редуктора на мембранний здатна призвести до зменшення опору дихання при вдиху, особливо в заключній частині фази вдиху.
На рис. 7 наведена діаграма регулятора "В-ВВ", де "В" - це мембранний редуктор. Робота при вдиху у такого комплекту складає вже 0.39 Дж/л. Однак гладкість кривий опору при вдиху явно порушена.
У регуляторі "З-ВВ" використана перша щабель "С" зі збалансованою діафрагмою. Як видно на рис. 8, відбулося значне згладжування кривої опору диханню. Більше того, дещо інша конфігурація внутрішніх порожнин редуктора забезпечила надходження більшого об'єму повітря в початковій фазі вдиху, що призвело до надмірного тиску в тестовій установці. Робота при вдиху склала вже 0.26 Дж/л. Поведінку кривої в першій фазі вдиху майже ідеальне, але значне збільшення опору вдиху в кінці фази бажано подолати.
Як ми пам'ятаємо, інжектування повітряного потоку у другий щаблі регулятора "ВВ" призвело до збільшення обсягу подаваного повітря і зниження опору вдиху. Аналогічний ефект досягається при инжектировании повітряного потоку в першій ступені регулятора.
Регулятор "D-CC" складається з збалансованого мембранного редуктора з інжектованих портами низького тиску (система АИР-ТУРБО) і збалансованого дихального автомата з регульованим ефектом Вентурі (інжектування повітряного потоку). Розглянемо діаграму, отриману в результаті тесту цього регулятора, наведену на рис. 9. У початковій фазі вдиху після підриву клапана відбувається динамічне зниження опору диханню за рахунок ефекту Вентурі. Незабаром регулятор фактично стає на постійну подачу, і в камері вдиху регулятора другого ступеня розрідження змінюється надлишковим тиском.
Момент, в який починає позначатися падіння тиску в камері редуктора, настає лише в середині циклу вдиху завдяки инжектированию портів редуктора. З цього моменту обсяг подачі повітря регулятором починає скорочуватися. У кінцевій фазі в камері вдиху регулятора другої ступені надлишковий тиск змінюється на розрідження. Постійна подача припиняється, і знову з'являється опір вдиху. Таким чином, використання редуктора зі збалансованою мембраною істотно обмежило збільшення опору вдиху в середній частині циклу, а потужне інжектування повітряного потоку в обох щаблях регулятора дозволило і зовсім подолати наслідки падіння тиску в камері редуктора. Робота регулятора "D-CC" при вдиху склала всього 0.1 Дж/л.
Треба зазначити, що балансування першої та другої щаблі в меншій мірі впливає на поведінку кривої і більшою мірою призначена для стабілізації характеристик регулятора в різних умовах експлуатації. Залежність опору диханню від тиску в балоні практично повністю компенсується балансуванням редуктора. Балансування дихального автомата дозволяє знизити зусилля підриву клапана і забезпечує його працездатність в широкому діапазоні настановних тисків редуктора.
Однак на величину опору диханню і поведінку кривої істотний вплив робить глибина. При зростанні тиску навколишнього середовища істотно зростає щільність повітря, що проходить через камеру низького тиску редуктора, клапан шланг і дихального автомата. Збільшення щільності призводить до зниження швидкості потоку повітря за рахунок збільшення сили тертя між стінками систем регулятора і повітряним потоком. Саме тому стандартом EN 250 при тестуванні регуляторів обумовлена глибина проведення тесту. Зміною налаштувань регулятора можна домогтися дуже хороших показників у конкретних умовах тесту, однак, його робота в інших умовах може виявитися неприйнятною.
Наведемо приклад. Кожен власник регулятора з можливістю керування заслінкою Вентурі і регулюванням зусилля підриву клапана (регулюванням стиснення пружини клапана дихального автомата) починає випробування з цих можливостей. Це призводить до того, що на якійсь глибині обертання ручок і важелів дозволяє підібрати найбільш комфортний режим роботи регулятора і домогтися максимальної легкості вдиху.
При зменшенні глибини вдих стає ще легше, але при вийманні регулятора з рота виявляється, що він затруює повітря, якщо загубник направлений вгору або якщо регулятор просто стає на постійну подачу (free flow). Це відбувається саме через зміни щільності повітря та його впливу на параметри роботи регулятора. На жаль, ніхто з виробників не публікує дані про те, як і в яких інтервалах змінюються ці параметри.
Напрошується очевидний висновок, що красива діаграма, отримана в стандартних умовах, не є гарантією комфортності і безвідмовної роботи регулятора. Проте, розглянуті на представлених діаграмах принципи вірні і дозволяють оцінити зусилля регуляторостроителей на наше з вами спільне благо.
Викладена інформація дає нам можливість поміркувати про те, в якому напрямку будуть вдосконалювати свої конструкції виробники ідеального регулятора. Але це тема окремої розмови.
останнім часом з'явилася тенденція приводити технічні характеристики і навіть графіки, діаграми для реклами регуляторів. Цікаво розібратися з тим, що дійсно важливо в роботі регулятора, як він працює, і що стоїть за цифрами наведених виробниками характеристик, хоча б з точки зору здорового глузду.
Спробуємо теоретично змоделювати процес дихання. Ми опишемо його максимально доступно. Отже, легені - це посудина змінного об'єму, з'єднаний з допомогою порожнини рота, гортані і бронхів з атмосферою. За рахунок роботи міжреберної мускулатури збільшується об'єм грудної клітки, легені розтягуються, збільшуються в об'ємі і практично миттєво заповнюються повітрям.
Легкі і атмосфера в нашій схемі - це сполучені посудини, не розділені ніякими клапанами (подібними клапанів регуляторів), і тому сміливо робимо допуск, що розрідження повітря в легенях у зв'язку з збільшенням обсягу практично не відбувається. Добуток тиску на об'єм - це константа тільки для замкнутих судин. З точністю до навпаки цей процес відбувається при видиху.
А якщо вдих робиться з ідеального регулятора, то?..
Перше - під водою вдих відбувається не з навколишнього атмосфери, а з камери вдиху дихального автомата (другого ступеня регулятора), тому ідеальний регулятор повинен працювати так, щоб повітря в камері вдиху перебував завжди при тиску, рівному тиску в легенях.
Друге - оскільки камера вдиху будь-якого регулятора значно менше об'єму легень і, по суті, є продовженням порожнини рота, з неї багато не вдихнеш. Подача повітря в камеру проводиться через клапани, через механізми регулятора, що відокремлюють легені від стисненого повітря в балоні.
Тому ідеальний регулятор повинен поповнювати камеру вдиху з такою ж швидкістю і в тому ж обсязі, в якому відбувається збільшення об'єму легень під час вдиху. Тобто він повинен максимально імітувати атмосферу в моделі сполучених посудин.
Звичайно ж, кожній людині цікаво дізнатися, наскільки його регулятор близький до ідеального. Як оцінити якість імітації атмосфери"?
Сьогодні всі результати тестів регуляторів, що проводяться виробниками, були отримані в наступній моделі. Камера вдиху регулятора герметично з'єднана з посудиною змінного об'єму. Обсяг судини змінюється - то збільшується, то зменшується кожного разу на 3 літри зі швидкістю приблизно 20 разів на хвилину, що відповідає витраті повітря 62.5 літрів в хвилину. Вся система знаходиться під тиском, що відповідає глибині 50 метрів. Такі вимоги міжнародного стандарту EN 250.
Для контролю за зміною тиску до посудини змінного об'єму приєднаний манометр (рис. 1). В процесі тестування відбувається багато циклів вдиху-видиху, але на діаграмі, як на рис.2, зазвичай призводять криву зміни тиску в посудині протягом однієї фази вдиху і однієї фази видиху. При побудові цієї кривої на горизонтальній осі відкладають об'єм повітря, що пройшов через регулятор з початку фази дихання, а по вертикальній осі вниз - величину розрідження, вгору - величину надлишкового тиску в посудині в даний момент часу. На вертикальній осі вказують значення тиску в одиницях 1 кПа = 10 мБар = 100 мм водяного стовпа.
При збільшенні об'єму посудини тиск в ньому зменшується і створюється розрідження, т. к. посудину відділений від джерела повітря клапаном легеневого автомата. Розрідження наростає до тих пір, поки клапан дихального автомата не відкриється (точка А на рис. 2). Величина максимального розрідження в фазі вдиху - це є зусилля підриву клапана вдиху. Чим менше це зусилля, тим легше вдих і тим ближче досліджуваний регулятор до ідеального.
Далі в процесі вдиху розрідження знижується і стає позитивним (точка В на рис. 2), тобто об'єм повітря, що подається регулятором, зростає швидше, ніж збільшується обсяг судини. Але в кінцевій фазі вдиху швидкість подачі повітря знову падає, перестаючи компенсувати збільшується об'єм посудини, і розрядження знову зростає (крива рухається вниз, рис. 2) аж до початку фази видиху.
У фазі видиху об'єм посудини починає скорочуватися, в порожнині регулятора виникає надлишковий тиск, який закриває клапан вдиху і відкриває тарілчастий клапан видиху. Після подолання зусилля відкриття клапана видиху (точка "С" на рис. 2) поведінка кривою надлишкового тиску плавне і природне простотою конструкції клапана видиху.
Робота, виконувана при диханні, ділиться на дві частини. Робота на вдиху і робота на видиху. Оскільки різні механізми регулятора відповідають за фази вдиху і видиху, то робота еквівалентна площі, описаної графіком тиску і віссю часу (рис.3).
Під час фази вдиху (графік 1 на рис.3) енергія затрачається тільки в початковій і кінцевій частині циклу (зона "А" на рис.3). У середній частині кривої значення тиску позитивно, і легені розширюються завдяки надлишковому тиску в камері вдиху регулятора. Саме завдяки цьому значення роботи при вдиху дуже незначно.
Робота при видиху - площа під графіком 2 (рис.3) значно більше роботи на вдиху. Опір видиху повітря у воду відмінно від нуля внаслідок різниці щільності середовищ, так і клапан видиху для безвідмовної роботи повинен мати значуще зусилля відкриття. Інакше рух води поблизу тарілки клапана порушувало б його герметичність.
Тепер, коли ми розібралися з фізичним змістом діаграм роботи регуляторів, давайте подумаємо: як результати цих тестів допомагають нам при оцінці якості і виборі регулятора?
Величина роботи дихання - це важливий параметр, він так само, як і величина максимального зусилля при вдиху, визначається стандартом EN 250. Вимоги EN 250 - це робота менше 3 Дж/літр і зусилля на вдиху - 2.5 кПа.
Можна порівнювати результати та графіки тестування регуляторів різних виробників? При уявній еквівалентності та об'єктивності змальованих кривих відповідь на це питання не очевидний.
Стандартом передбачені такі умови, як глибина - 50 метрів, об'єм дихання - 62.5 літра в хвилину, температура - 20 градусів Цельсія, тиск у балоні 50 Бар. Однак на результати вимірювання можуть впливати: спосіб вимірювання тиску і віддаленість точки, в якій відбувається завмер від камери вдиху дихального автомата, тривалість одного циклу дихання, об'єм кожного вдиху і об'єм посудини. Всі ці параметри визначено впливають на точність вимірювання і побудови кривої.
А як змінюється характер кривої в залежності від глибини і тиску в балоні? В якому положенні заслінка Вентурі і гвинт регулювання подачі потоку повітря? Адже реально ми дихаємо з регулятора в умовах, завжди відрізняються від передбачених стандартом.
Тим не менш, інтерес до результатів тестування є. Графіки служать не для кількісної, а для якісної оцінки та порівняння конструкцій регуляторів. Згадаємо про ідеальний регулятор. Його крива мала б виглядати так, як показано на рис. 4, при будь-якому тиску в балоні, на будь-якій глибині, при довільному об'ємі дихання.
Можна констатувати, що поведінка реальних кривих самих сучасних регуляторів у фазі видиху принципово неможливо наблизити до кривої ідеального регулятора. А ось поведінка кривої у фазі вдиху, її характер і рівень необхідного зусилля при диханні передбачені і зрозумілі. Саме це і є основний предмет зусиль розробників-регуляторостроителей.
Зрозуміло, щоб дихання було комфортним, необхідно значення кривої опору вдиху наблизити до значень ідеального регулятора за двома параметрами. Перше і найбільш важливе - це рівномірність вдиху, гладкість кривої, її горизонтальність. Адже при природному диханні на суші легені наповнюються плавно, без значних пульсацій. Друге - значення зусилля, необхідного при вдиху особливо в її початковий момент підриву клапана, повинно бути мінімальним.
Давайте спробуємо розібратися, як і чому конкретні особливості конструкції першої та другої щаблі регуляторів відображаються на характері кривої опору диханню.
Розглянемо діаграму дихання різних моделей сучасних регуляторів. Оскільки иллюстрируемые надалі принципи універсальні і реалізовані різними виробниками, не будемо вказувати конкретні моделі, а дамо їм таку класифікацію.
Перші щаблі регуляторів:
"А" - поршневий редуктор;
"В" - мембранний редуктор;
"C" - збалансований мембранний редуктор;
"D" - збалансований мембранний редуктор з системою інжектування портів низького тиску (АЇР ТУРБО).
Другі ступені регуляторів:
"АА" - дихальний автомат;
"ВВ" - дихальний автомат з системою інжектування (Вентурі);
"CC" - збалансований дихальний автомат з системою інжектування (Вентурі).
На рис. 5 представлена діаграма дихання регулятора "А-АА", що складається з не самого простого незбалансованого поршневого редуктора "А" і дихального автомата "АА". На початку фази вдиху збільшується розрідження в дихальній камері до тих пір, поки не досягне зусилля, необхідного для підриву клапана вдиху. Далі, у першій третині фази обсяг подаваного регулятором повітря приблизно відповідає швидкості збільшення об'єму повітря в посудині випробувальної установки, описаної в першій частині.
Що відбувається в цей момент в самому регуляторі? Під відкидним клапаном дихального автомата, в шлангу, що з'єднує першу та другу сходинку, і в камері низького тиску повітря перебуває, відносно навколишнього середовища, під тиском, рівним установчого тиску редуктора.
І ось клапан відкрився, звільнивши шлях цього повітря в камеру вдиху дихального автомата. Джерелом повітря умовно можна вважати камеру низького тиску редуктора. Клапан редуктора поки закритий (зона "А" на рис. 5). Витрата повітря з цієї камери призводить до падіння тиску в ній і викликає зниження об'єму повітря, що подається регулятором. На діаграмі цей момент відображається як збільшення опору вдиху (зона "В" на рис. 5). Далі розрідження в камері низького тиску приводить до відкриття клапана вдиху першої ступені, і обсяг подаваного регулятором повітря стабілізується, хоча і на більш низькому значенні, ніж першій фазі вдиху (зона "С" на рис. 5). Робота регулятора "А-АА" на вдиху становить 0.87 Дж/л.
На рис. 6 представлена діаграма опору диханню, отриманий при випробуванні регулятора "A-BB", що складається з того ж редуктора "А" і дихального автомата "ВВ". У конструкції дихального автомата застосований принцип інжектування повітряного потоку. Це призвело до зменшення опору вдиху в першій фазі (зона "А" на рис. 6) за рахунок підвищення обсягу подаваного повітря, однак, при розрідженні в камері низького тиску редуктора зусилля при вдиху зростає, і діаграма в кінцевій фазі практично відповідає кривої на рис. 5 (зони "В" і "С" на рис. 6). Зменшення опору диханню сталося завдяки інжекції в дихальному автоматі "ВВ". Робота при вдиху скоротилася до 0.67 Дж/л.
Значне падіння тиску в камері поршневого редуктора має конструктивну причину. Оскільки поршень має великий розмір, вагу та необхідність, як правило, двох ущільнювального кільця (O-rings), є причиною відчутною інерції при русі.
Розробникам добре відомо, що будь-мембранний редуктор має величину падіння тиску в камері при вдиху в два рази меншу, ніж навіть добре збалансований поршневий редуктор. Тому заміна поршневого редуктора на мембранний здатна призвести до зменшення опору дихання при вдиху, особливо в заключній частині фази вдиху.
На рис. 7 наведена діаграма регулятора "В-ВВ", де "В" - це мембранний редуктор. Робота при вдиху у такого комплекту складає вже 0.39 Дж/л. Однак гладкість кривий опору при вдиху явно порушена.
У регуляторі "З-ВВ" використана перша щабель "С" зі збалансованою діафрагмою. Як видно на рис. 8, відбулося значне згладжування кривої опору диханню. Більше того, дещо інша конфігурація внутрішніх порожнин редуктора забезпечила надходження більшого об'єму повітря в початковій фазі вдиху, що призвело до надмірного тиску в тестовій установці. Робота при вдиху склала вже 0.26 Дж/л. Поведінку кривої в першій фазі вдиху майже ідеальне, але значне збільшення опору вдиху в кінці фази бажано подолати.
Як ми пам'ятаємо, інжектування повітряного потоку у другий щаблі регулятора "ВВ" призвело до збільшення обсягу подаваного повітря і зниження опору вдиху. Аналогічний ефект досягається при инжектировании повітряного потоку в першій ступені регулятора.
Регулятор "D-CC" складається з збалансованого мембранного редуктора з інжектованих портами низького тиску (система АИР-ТУРБО) і збалансованого дихального автомата з регульованим ефектом Вентурі (інжектування повітряного потоку). Розглянемо діаграму, отриману в результаті тесту цього регулятора, наведену на рис. 9. У початковій фазі вдиху після підриву клапана відбувається динамічне зниження опору диханню за рахунок ефекту Вентурі. Незабаром регулятор фактично стає на постійну подачу, і в камері вдиху регулятора другого ступеня розрідження змінюється надлишковим тиском.
Момент, в який починає позначатися падіння тиску в камері редуктора, настає лише в середині циклу вдиху завдяки инжектированию портів редуктора. З цього моменту обсяг подачі повітря регулятором починає скорочуватися. У кінцевій фазі в камері вдиху регулятора другої ступені надлишковий тиск змінюється на розрідження. Постійна подача припиняється, і знову з'являється опір вдиху. Таким чином, використання редуктора зі збалансованою мембраною істотно обмежило збільшення опору вдиху в середній частині циклу, а потужне інжектування повітряного потоку в обох щаблях регулятора дозволило і зовсім подолати наслідки падіння тиску в камері редуктора. Робота регулятора "D-CC" при вдиху склала всього 0.1 Дж/л.
Треба зазначити, що балансування першої та другої щаблі в меншій мірі впливає на поведінку кривої і більшою мірою призначена для стабілізації характеристик регулятора в різних умовах експлуатації. Залежність опору диханню від тиску в балоні практично повністю компенсується балансуванням редуктора. Балансування дихального автомата дозволяє знизити зусилля підриву клапана і забезпечує його працездатність в широкому діапазоні настановних тисків редуктора.
Однак на величину опору диханню і поведінку кривої істотний вплив робить глибина. При зростанні тиску навколишнього середовища істотно зростає щільність повітря, що проходить через камеру низького тиску редуктора, клапан шланг і дихального автомата. Збільшення щільності призводить до зниження швидкості потоку повітря за рахунок збільшення сили тертя між стінками систем регулятора і повітряним потоком. Саме тому стандартом EN 250 при тестуванні регуляторів обумовлена глибина проведення тесту. Зміною налаштувань регулятора можна домогтися дуже хороших показників у конкретних умовах тесту, однак, його робота в інших умовах може виявитися неприйнятною.
Наведемо приклад. Кожен власник регулятора з можливістю керування заслінкою Вентурі і регулюванням зусилля підриву клапана (регулюванням стиснення пружини клапана дихального автомата) починає випробування з цих можливостей. Це призводить до того, що на якійсь глибині обертання ручок і важелів дозволяє підібрати найбільш комфортний режим роботи регулятора і домогтися максимальної легкості вдиху.
При зменшенні глибини вдих стає ще легше, але при вийманні регулятора з рота виявляється, що він затруює повітря, якщо загубник направлений вгору або якщо регулятор просто стає на постійну подачу (free flow). Це відбувається саме через зміни щільності повітря та його впливу на параметри роботи регулятора. На жаль, ніхто з виробників не публікує дані про те, як і в яких інтервалах змінюються ці параметри.
Напрошується очевидний висновок, що красива діаграма, отримана в стандартних умовах, не є гарантією комфортності і безвідмовної роботи регулятора. Проте, розглянуті на представлених діаграмах принципи вірні і дозволяють оцінити зусилля регуляторостроителей на наше з вами спільне благо.
Викладена інформація дає нам можливість поміркувати про те, в якому напрямку будуть вдосконалювати свої конструкції виробники ідеального регулятора. Але це тема окремої розмови.
Олександр Левандовський
Октопус #5/2001
Інші статті
Регулятор Mares Abyss 22 Extreme схвалений US Navy (військово-морськими та рятувальними службами США) для використання в самих екстремальних умовах.
