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Come si può verificare il livello di O² nei rebreather

Reading Time: 7 minutes

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livello elementare

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ARGOMENTO: SUBACQUEA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA

parole chiave: Rebreather, sensori O²
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Uno dei vantaggi del rebreather è che il consumo di gas è molto inferiore rispetto alle immersioni in circuito aperto. Il consumo di gas dipende principalmente dal consumo di O² del subacqueo, che a sua volta dipende dal carico di lavoro del subacqueo. Conoscere quindi il livello di O² e come gestirlo è importantissimo al fine di mantenere livelli accettabili al variare delle profondità.

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Modi per controllare i livelli di O² nei rebreather

In un suo articolo, apparso su www.shearwater.com, Dan E. Warkander descrive diversi sistemi in uso per controllare i livelli di O² erogati nel gas inspirato in un rebreather.

Vediamoli insieme:

Rebreather 100% O² completamente meccanico
Si tratta del rebreather più semplice, composto da una bombola di O², un sacco per la respirazione, uno scrubber ed un boccaglio con tubi. L’aggiunta di O² nel sacco può essere effettuata manualmente tramite una valvola per che viene attivato meccanicamente quando il sacco respiratorio si riduce. Storicamente furono i primi rebreather impiegati dai militari ma non senza difficoltà. Uno svantaggio di quei sistemi è che con il 100% di O² l’intervallo di profondità è limitato a circa 6 metri.

Rebreather semichiuso con un flusso costante di gas 
Per poter usufruire di profondità maggiori un modo abbastanza semplice per controllare i livelli di O² è mantenere un flusso costante di una miscela di gas contenente O2, azoto e/o elio. Il subacqueo consumerà parte dell’O² e il gas rimanente sarà rilasciato nell’acqua attraverso una valvola, da cui il nome rebreather semichiuso. Per controllare il livello di O² risultante nel gas respirabile, il progettista deve trovare un compromesso tra la concentrazione di O² nel gas di alimentazione, la sua portata, la profondità massima e il tempo di resistenza. I livelli di O² sono spesso variabili e potrebbero rendere difficile la scelta della tabella di decompressione. Il flusso costante significa che il tempo può essere ben noto, essenzialmente determinato da un cronometro.

Rebreather in cui l’aggiunta di gas è controllata dalla respirazione del subacqueo
Un modo più sofisticato per controllare i livelli di O² è determinare quanto respira un subacqueo. Invece di respirare da e verso il sacco, il subacqueo respira tramite un soffietto collegato ad un meccanismo di conteggio meccanico o elettronico o ad un dispositivo equivalente. Quando il subacqueo effettua uno o più respiri, il rebreather inietta un volume noto di ossigeno o di miscela per reintegrare l’O² consumato. In fase di progettazione deve essere scelto il volume di gas da iniettare e la sua concentrazione di O² per un dato intervallo di profondità. Una difficoltà è che il consumo di O² non è sempre ben correlato con il volume respirato. Il rapporto tra il volume respirato e quello dell’ossigeno consumato dipende dal subacqueo e può variare da circa 35 a riposo a meno di 20 durante l’attività in profondità. Rispetto ai rebreather semichiusi con flusso costante questo tipo di rebreather tende a dare un controllo più stretto della concentrazione di O² risultante, il che rende più facile la scelta delle tabelle di decompressione. La durata è quindi determinata dal consumo effettivo di gas del subacqueo e non da un cronometro.

Rebreather a controllo elettronico
I rebreather a controllo elettronico rappresentano un’ulteriore sofisticazione e forniscono un controllo più stretto del livello di O². Tipicamente, controllano la pressione parziale di O² (pO²) e aggiungono O² se necessario. Alcuni possono anche modificare la pO² desiderata (il cosiddetto set point) a seconda della profondità, sia in maniera automatica o con l’input da parte del subacqueo. Il tempo di resistenza dipende principalmente dal consumo di ossigeno del subacqueo (cioè quanto duramente lavora il subacqueo). Il sistema utilizza una bombola di gas contenente O² e N² e/o He (gas diluente) per aggiungere gas al circuito respiratorio durante la discesa.

Sistemi ibridi di controllo manuale guidati da sensori O²
Alcuni preferiscono avere il controllo aggiungendo O² da soli seguendo le indicazioni dei sensori di O². Il rischio è che il subacqueo si distragga e dimentichi di aggiungere O². Per ridurre questo rischio è suggerito mantenere un flusso costante di O² sufficiente a livelli di riposo. La norma europea sui rebreather EN 14143 (1) consente tali dispositivi e il flusso minimo di O2 deve essere di 0,5 L/min.

Modi per rilevare l’O²
Esistono diversi sistemi che possono essere utilizzati per rilevare i livelli di O² in un rebreather. Devono resistere a condizioni estremamente variabili dovendo operare sott’acqua o in ambienti con elevata umidità, con temperature variabili e con gas di densità variabili. Inoltre, rispondere abbastanza rapidamente ai cambiamenti dei livelli di O², in maniera lineare ed essere meccanicamente robusti.

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Per testare un sistema di somministrazione di O2 è necessario utilizzare un  simulatore di respirazione chiamato simulatore metabolico. Il simulatore deve respirare come un essere umano, cioè mantenere dei respiri della giusta dimensione (volume corrente) alla giusta frequenza respiratoria. Deve anche espirare gas caldo e umidificato mentre consuma O² e produce CO². Un esempio di tale simulatore è mostrato nella Figura 1.

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Figura 1. Un disegno schematico di un simulatore di respirazione utilizzato per determinare i livelli di O2 in un rebreather. Le frecce indicano la direzione del gas. 

In pratica il cilindro e il pistone a destra fungono da polmoni del subacqueo. Durante l’espirazione, il gas passa attraverso il sistema di riscaldamento e umidificazione fino al rebreather a sinistra. Durante un’inalazione, il gas passa attraverso un sistema che rimuove la corretta quantità di O² per la ventilazione al minuto (volume corrente * frequenza respiratoria). Viene quindi aggiunto un flusso di CO² in proporzione alla ventilazione minuto. 

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Durante i test, il rebreather viene immerso in acqua, mantenuta alla temperatura desiderata, e posto in una camera iperbarica pressurizzata alla profondità desiderata. Questo tipo di test viene effettuato dai produttori in strutture altamente sofisticate.

I produttori di rebreather a controllo elettronico eseguono test sia senza aggiunta di CO² che  con l’aggiunta di CO². Ogni tipo di test presenta vantaggi e svantaggi, ma l’esecuzione di test separati può consentire al produttore di determinare diversi aspetti della funzione del rebreather. Nei test senza aggiunta di CO², il rebreather non vedrà gli effetti dell’aumento di temperatura e umidità dallo scrubber attivo. In questo modo è quindi possibile solo determinare se l’elettronica o il software del computer funzionano bene nel controllare l’aggiunta di O² e quanto l’O² somministrato si mescola con il gas del rebreather.

Nei test con aggiunta di CO², il calore e l’umidità generati dallo scrubber vengono rilevati dai sensori di O². Vengono testate le variazioni dell’uscita del sensore dovute ad eventuali variazioni di temperatura e di umidità che potrebbe accumularsi all’apertura dei sensori di O². Il rischio è che se  si accumula molta condensa su un sensore, il sensore fornirà delle letture non corrette. Tutti i test effettuati ai fini della certificazione devono però essere effettuati con somministrazione di CO² in modo che il rebreather venga testato in situazioni reali di respirazione da parte del subacqueo.

Risultati di test comuni da rebreather controllati elettronicamente.
La Figura 2 mostra un tipico modello delle variazioni della pO² durante l’uso. La linea inferiore della pO² (bianca) ha un andamento a dente di sega.

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è fig-2-1024x642.pngIl subacqueo consuma O² che abbassa la pO². Quando la pO² raggiunge una soglia, il sistema di controllo del rebreather apre una valvola che aggiunge O² al gas respirato, aumentando nuovamente la pO² (dente di sega). Il rebreather è in grado di aggiungere O² più velocemente di quanto il sub lo consumi, quindi la pendenza ascendente è più ripida di quella discendente. In questo esempio la pO² media è 0,75 bar. La variazione di pO² è di 0,05 bar (cioè ±0,025). Notate a linea superiore (in blu) che mostra la pO² in un rebreather che ha impostato un set point più alto. In questo caso la media è di 1,3 bar, con una variazione di 0,1 bar.

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Sovraelongazione di pO2 a profondità costante

Nei rebreather commerciali, la variazione di pO² varierà da quasi impercettibile a piuttosto grande. La norma EN 14143 (1) stabilisce che la pO² può variare di ±0,1 bar. NOAA (2) accetta ±0.05 atm.

Nel prossimo articolo vedremo le cause per cui questi sensori si potrebbero guastare.

 

articolo estratto dall’originale scritto da Dan Warkander.
Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è Dan-Warkander.pngDan Warkander è un ingegnere e fisiologo che ha lavorato con i subacquei e le loro attrezzature per la respirazione per oltre 30 anni per immersioni con aria a 57 msw, immersioni Heliox a 450 msw e immersioni con idrogeno-ossigeno (hydrox) a 120 msw.
Ha condotto oltre 1.000 immersioni sperimentali. 

 

Bibliografia

1: “Equipaggiamento respiratorio – Apparato autonomo per l’immersione con rebreather”, Bruxelles (Belgio): Comitato europeo di normalizzazione; 2013, EN14143:2013 (E).

2: Requisiti minimi di produzione e prestazione della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOOA) per rebreather a gas misto a circuito chiuso, 2005. da http://www.omao.noaa.gov/sites/default/files/documents il 10 gennaio 2017 (file NOAA_CCR_Standards_Final_2005. PDF).

3: Warkander D.E. Test e valutazione senza equipaggio del sensore di ossigeno R-10DN di Teledyne Analytical Instruments per l’uso nell’autorespiratore subacqueo MK 16 Mod 1. U.S. Navy Experimental Diving Unit, Technical Report TR 03-08, 2003. da www.rubicon-foundation.org il 28 novembre 2016 (file ADA448759.pdf).

4. https://www.shearwater.com/monthly-blog-posts/o2-levels-in-a-divers-rebreather/

 

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