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Titolo : Impariamo a ridurre le plastiche in mare

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Controllo dei livelli di O2 in un Rebreather. Come funziona e come può essere verificato? di Dan Warkander – parte II

Modalità per verificare il livello di O2 ispirato
Per testare il sistema di somministrazione dell’ossigeno è necessario utilizzare un  sofisticato tipo di simulatore di respirazione chiamato simulatore metabolico. Lo strumento deve simulare il flusso respiratorio di un essere umano, cioè considerare la quantità d’aria che viene mobilizzata con ciascun atto respiratorio non forzato (volume Tidal) che varia da circa 300 a 500 ml. Inoltre, deve essere in grado di espirare il gas, caldo e umidificato, mentre consuma O2 e produce CO2.

wand 01

La figura 1 illustra uno schema di tale simulatore. Il cilindro ed il pistone, a destra, agiscono come i polmoni del subacqueo. Durante l’espirazione, il gas passa attraverso il sistema di riscaldamento e umidificazione fino ad arrivare al rebreather a sinistra. Durante l’inalazione, il gas passa da un sistema che preleva la corretta quantità di O2 per la ventilazione minima (volume Tidal * frequenza respiratoria) e viene aggiunto un flusso di CO2 in proporzione alla minima ventilazione. Durante i test, il rebreather sarà immerso in acqua mantenuta alla temperatura desiderata e posto in una camera iperbarica pressurizzata alla profondità desiderata. Questo tipo di test è ben al di là delle capacità di un subacqueo e anche di molti produttori di rebreather. I produttori di solito effettuano questi test in una delle poche strutture del mondo che hanno questa capacità. Quando un costruttore di un rebreather controllato elettronicamente esegue i test per un nuovo design effettua due tipi di prove che possono fare: senza aggiunta di CO2 o con aggiunta di CO2.

Ogni test ha vantaggi e svantaggi, ma eseguire test separati può consentire al produttore di determinare diversi aspetti della funzionalità del rebreather. Nei test senza aggiunta di CO2, il rebreather non vedrà gli effetti di una maggiore temperatura e di umidità dal lavaggio attivo. In questo modo è possibile determinare in che modo il software elettronico o il computer funzioni nel controllo della somministrazione di O2 e in che misura la sua aggiunta si mescoli con il gas nel rebreather. Nei test con aggiunta di CO2, il calore e l’umidità generati dallo scrubber saranno visibili dai sensori O2. Verranno verificati quindi i cambiamenti all’uscita del sensore a causa di eventuali variazioni di temperatura. Attenzione: qualora si formi condensa dovuta all’umidità, essa potrebbe raccogliersi sull’apertura dei sensori O2. Se la condensa si raccoglie su un sensore, perderà il contatto con il gas e non fornirà  letture corrette. Tutti i test effettuati a fini di certificazione devono essere eseguiti con l’aggiunta di CO2 in modo che il rebreather sia testato in maniera simile alle condizioni reali ovvero di un subacqueo che respira.

I risultati dei test da rebreather controllati elettronicamente
La figura 2 mostra un modello comune delle variazioni nel pO2 durante l’uso. La linea inferiore pO2 (bianca) ha un modello a punta sega. Il subacqueo consuma O2 e abbassa la pO2. Quando il pO2 raggiunge una soglia, il sistema di controllo del rebreather apre una valvola che aggiunge O2 al gas di respirazione, alzando nuovamente il pO2. Il rebreather è in grado di aggiungere O2 più velocemente che il subacqueo lo consuma, quindi il pendio verso l’alto è più ripido rispetto alla pendenza in discesa. In questo esempio la media pO2 è di 0,75 bar. La variazione in pO2 è di 0,05 bar (cioè ± 0,025). La linea superiore (blu) mostra il pO2 in un rebreather con un set point più alto. In questo caso la media è di 1,3 bar, con una variazione di 0,1 bar.

fig. 2

Il grafico varia a seconda del tempo di risposta dei sensori O2, del punto di iniezione dell’O2, della sua portata, della miscelazione del gas, azioni del sistema di controllo e altri fattori. Nei rebreather commerciali, la variazione in pO2 spazia da essere quasi impercettibile ad un livello abbastanza grande. L’EN 14143 (1) indica che il pO2 può variare a ± 0,1 bar. NOAA (2) accetta il range tra ± 0,05 atm.

Superamento della pO2 ad una profondità costante
Quando il rebreather si smista sul set-point (valore predeterminato della PO2), il controllo dell’ossigeno O2 potrebbe non essere valido. Dopo un aumento del set-point, la valvola di flusso dell’O2 si apre completamente. A seconda di come l’ossigeno si mescola nel ciclo respiratorio, di quanto velocemente reagiscono i sensori O2 e di quanto funziona il sistema di controllo, esiste il rischio che il pO2 ispirato continui a salire anche quando il punto impostato è stato raggiunto (e la valvola di somministrazione dell’ossigeno è stata chiusa). Questa situazione viene chiamata overshoot.

fig 3

Questo tipo di risposta non è unica per i rebreather, ma è comune in tutti i tipi di sistemi di controllo. La Figura 3, in alto, mostra come questo possa funzionare. In un primo momento la pO2 media è di 0,75 bar. Dopo un paio di cicli di controllo, si  avvia il passaggio che provoca l’aumento del pO2. Come mostrato, il pO2 raggiunge un picco di circa 1,45 bar. Il subacqueo quindi consuma abbastanza O2 per abbatterlo sotto un normale controllo (media pO2 di 1,3 bar).

Discesa rapida
Un altro modo in cui potrebbe verificarsi un overshoot è durante una rapida discesa: supponiamo che un rebreather mantenga un pO2 di 0,75 bar ad una profondità di 5 metri (1,5 bar). Avrà quindi una concentrazione di O2 del 50% O2 nel ciclo respiratorio (0,75 / 1,5 * 100%). Se il subacqueo scende molto velocemente (per semplicità: non viene consumato O2, né aggiunto alcun diluente) a 30 metri (4 bar, 100 fsw), la pO2 risultante diventerà 4 * 0,50 = 2,0 bar. Naturalmente, durante una normale discesa sarà  consumato O2 nel gas di respirazione e verrà aggiunto gas diluente. L’O2 nel diluente verrà aggiunto al ciclo di respirazione durante la discesa anche quando la valvola di aggiunta di O2 è chiusa.  Così l’O2 extra dal diluente è fuori dalla portata del sistema di controllo O2. Ricordiamoci che i rebreather hanno sistemi di aggiunta di ossigeno, non sistemi di sottrazione di O2. L’entità del sovraccarico dipenderà da diversi fattori: il consumo O2 del subacqueo, il tasso di discesa e la profondità finale. Le previsioni matematiche possono fornire stime di un sovraccarico, ma i test sono la soluzione migliore per determinare l’overshooting. La norma EN 14143 (1) consente un superamento di 2,0 bar e il pO2 può rimanere superiore a 1,6 bar per un minuto.

PO2 undershoot
Una situazione di undershoot, legata alla riduzione di pO2, avviene quando un subacqueo risale. Per mantenere la pO2 desiderata, la concentrazione di O2 deve aumentare quando la pressione diminuisce. Il rebreather deve essere in grado di aggiungere velocemente abbastanza ossigeno per evitare una caduta della pO2, chiamata undershoot. In un rebreather che mantiene un pO2 di 1,3 bar a 30 metri la concentrazione di O2 sarà del 32,5%. Una salita molto rapida a 3 metri (10 fsw) significa che il pO2 scenderà a 0,42 bar. Il set point pO2 dovrebbe essere cambiato, ad esempio a 0,75, in modo che il sistema di somministrazione di O2 farebbe riaumentare il pO2. L’EN 14143 (1) permette al pO2 di andare 0,5 bar sotto il set-point e deve essere nuovamente sotto controllo entro un minuto. Non deve mai superare i 0,20 bar.

Modalità di guasto del sensore O2
Ci sono diverse situazioni in cui i sensori possono smettere di funzionare correttamente. Eccone alcune: tutti i sensori di tipo O2 galvanici (celle a combustibile) hanno una durata limitata. Possono durare da qualche mese a un paio di anni. Sulla base dei test empirici (3) essi possono guastarsi in più di un modo. Si può avere un guasto totale (nessun segnale), un graduale cambiamento di tensione o l’incapacità di generare una lettura corretta ad alti valori di pO2. La prima modalità è facile da rilevare, gli altri due sono i più difficili da rilevare per un subacqueo. A volte il sensore potrebbe leggere la tensione prevista nell’aria ambiente e con O2 al 100% ad un atmosfera ma potrebbe non essere in grado di generare la giusta modifica (lineare) a 1,3 o 1,5 bar. A meno che il sensore non sia stato testato prima dell’immersione a tali pressioni, è un rischio che il subacqueo si  prende.

Mancanza di linearità
L’incapacità di un sensore di produrre la tensione corretta ad un alto pO2 è illustrato nella figura 4. La linea segmentata rappresenta ciò che dovrebbe produrre un sensore. La linea rossa indica l’uscita di un sensore con un problema.

fig 4

Test di un tipo di sensore O2 (approvato dalla Marina Militare Usa) che mostra le modalità di guasto (3).

Questo sensore potrebbe calibrare perfettamente a 1 bar e consentire il controllo pO2 fino a circa 1,3 bar. Tuttavia, al livello più elevato di pO2 il valore di tensione letto sul sensore non sarebbe alto quanto dovrebbe essere. Ciò può essere visto quando la linea rossa si discosta da quella bianca. A un pO2 di 1,5 bar la tensione è bassa 2,4 mV (equivalente a 0,045 bar). Quindi, il rebreather aggiungerà più O2 fino a leggere la tensione impostata (se il set point era alto). L’attuale pO2 sarebbe di 1.545 bar, mentre il display legge 1.5 bar. Se questo sensore fosse in un rebreather con uno sbalzo pari a 2 bar, il display pO2 dovrebbe leggere solo 1,7 bar. Un sensore con questo tipo di mancanza di linearità avrà un pO2 effettivo superiore a quello mostrato dal display pO2.

Decompressione
Nella relazione (3) le figure 1 e 2  mostrano gli effetti della decompressione.

wander 1wand 2 Alcuni sensori hanno mostrato valori in rapido cambiamento verso la fine della decompressione o un salto improvviso nel segnale di uscita. (il problema è .. ndr …) che possono leggere i valori normali per alcuni minuti o ore ma poco dopo potrebbero fallire.

Temperature
Come abbiamo detto, la temperatura del sensore può influenzare la sua lettura perché la compensazione incorporata della temperatura potrebbe non essere perfetta. La Figura 3 nella relazione (3) mostra gli effetti della temperatura per questo particolare modello di sensore. Alcuni sensori hanno aumentato il loro segnale mentre altri sono diminuiti quando la temperatura è cambiata. Le prove dei sensori di un altro costruttore hanno mostrato che cambiano allo stesso modo con la temperatura, ad esempio il segnale aumenta con una maggiore temperatura.

wand 3

wand 4

Per avere l’influenza minima della temperatura sull’uscita combinata da più sensori, è meglio avere le modifiche mostrate nella Figura. Sulla base delle misurazioni effettive, la temperatura del gas che lascia il dispositivo di lavaggio del CO2 sarà la temperatura dell’assorbente fino a circa 10-40 minuti nell’immersione. A quel punto la temperatura del gas comincia a salire. Il tempo effettivo dipende da quanto dura il subacqueo e la dimensione dello scrubber. Lo scrubber normalmente aumenta la temperatura del gas da 30° a 40° C. A seconda della temperatura dell’acqua, la temperatura del gas che lascia lo scrubber variano da 0° C a 50° C (o addirittura 60°).

In sintesi, la temperatura del gas ai sensori O2 dipenderà da quanto distanti sono dallo scrubber, dalla temperatura dell’acqua e dalla durata dell’immersione.

Dovrebbe essere evidente che la sensibilità alla temperatura di un sensore O2 può essere cruciale. Alcuni produttori di sensori forniscono specifiche per la gamma di temperature per cui sono stati progettati. Inoltre, possono indicare quanto i valori di uscita potrebbero cambiare con la temperatura. Alcuni produttori semplicemente dichiarano che essi sono stati “compensati” o non forniscono alcuna specifica. Un errore graduale in un sensore (a causa delle variazioni di temperatura attorno al sensore) durante un’immersione è illustrato nella figura 5.

fig 5

In questo esempio si presume che il rebreather abbia tre sensori e che possa identificare e rimuovere un sensore esterno dalla sua logica di controllo. Inoltre si presume che il segnale di uscita per uno (indicato come una linea bianca) aumenta con la temperatura e che gli altri due non siano influenzati. All’inizio, tutti e tre i sensori traccia bene l’altro. Al punto A il gas caldo dal filtro raggiunge i sensori e le loro temperature iniziano a salire. La temperatura sale fino al punto B. Le letture del bianco aumentano e poi si stabilizzano. Le sue letture cambiano nello stesso modo degli altri due, ma rimangono più alti. Dopo un’immersione e quando i sensori si sono raffreddati, tutti leggeranno lo stesso. Un modo per rilevare tali sensori è quello di monitorare le letture pO2 dai sensori durante l’immersione e / o successivamente se il rebreather può registrare le letture.

Altri effetti
Vi sono progetti di rebreather che hanno i sensori O2 disposti in modo tale che ogni superficie rilevante sia esposta al gas caldo che fuoriesce dal filtro mentro il lato opposto del sensore si trova essenzialmente alla temperatura dell’acqua. La differenza di temperatura di ciascun sensore può essere fino a 40° C. Sarebbe molto importante che il sensore di temperatura all’interno del sensore O2 venga posto nel posto giusto per consentire al sensore di lavorare correttamente. Idealmente, l’intero sensore dovrebbe essere alla stessa temperatura.

Sommario
Ci sono molti tipi di modelli di rebreather, da quelli molto basilari ad altri molto sofisticati. Per ovvi motivi tutti, tranne il rebreather al 100% di O2, il pO2 fornito nel gas inalato del subacqueo deve essere misurato per verificare che rimanga entro i livelli desiderati. Ciò include prove a profondità diverse, temperature diverse dell’acqua e diversi carichi di lavoro subacquei.

libera traduzione dal testo originale a cui si rimanda in caso di non perfetta comprensione. L’articolo del dottor Warkander può essere letto seguendo questo link

Warkander2016-150x150Dan Warkander è un ingegnere e fisiologo respiratorio che ha lavorato con i subacquei e le apparecchiature di respirazione per oltre 30 anni: le immersioni in aria a 57 metri (190 fsw), Heliox immersioni a 450 metri (1500 fsw) e immersioni ad idrogeno e ossigeno 120 metri(400 fsw). Ha condotto oltre 1.000 immersioni sperimentali.

Dan Warkander is an Engineer & Respiratory Physiologist who has worked with divers and their breathing equipment for over 30 years: air dives to 57 msw (190 fsw), Heliox dives to 450 msw (1500 fsw) and hydrogen-oxygen (hydrox) dives at 120 msw (400 fsw). He has led over 1,000 experimental dives.

Bibliografia

1: “Respiratory Equipment – Self-contained re-breathing diving apparatus”, Brussels (Belgium): European Committee for Standardization; 2013, EN14143:2013 (E).

2: National Oceanic and Atmospheric Administration minimum manufacturing and performance requirements for closed circuit mixed gas rebreathers, 2005. Downloaded from http://www.omao.noaa.gov/sites/default/files/documents on 10 Jan 2017 (file NOAA_CCR_Standards_Final_2005.pdf).

3: Warkander D.E. Unmanned Test and Evaluation of the Teledyne Analytical Instruments R-10DN Oxygen Sensor for Use in the MK 16 Mod 1 Underwater Breathing Apparatus. U.S. Navy Experimental Diving Unit, Technical Report TR 03-08, 2003. Downloaded from www.rubicon-foundation.org on 28 Nov 2016 (file ADA448759.pdf).

 

 

 

 

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