AT9946U1 - Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung für kreislauftauchgeräte - Google Patents
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Description
2 AT 009 946 U1
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung (kurz p02 Messvorrichtung) für Kreislauftauchgeräte. Bei solchen Geräten wird üblicherweise der Sauerstoffpartialdruck mit elektrochemischen Sensoren bei halbgeschlossenen Systemen überwacht beziehungsweise bei geschlossenen Systemen geregelt. Diese Erfindung ermöglicht mit Hilfe von einer oder zwei gesteuerten Gaszuführungen die Bespülung/Flutung der Sensoren mit einem oder zwei Vergleichsgasen mit bekanntem Sauerstoffgehalt und so eine Sensorfunktionsüberwachung, eine Linearitätsüberprüfung, eine Überprüfung auf Strombegrenztheit und eine Überprüfung der Kalibration während des Tauchganges. Die Tauchgangsdaten werden bei dieser Erfindung auf eine Speicherkarte geschrieben und ermöglichen so eine einfache Analyse des Tauchganges mit jedem Personal Computer der mit einem Speicherkartensteckplatz ausgerüstet ist. Dies ist besonders bei Unfällen wichtig, wo eine rasche Analyse dieser Daten für eine effiziente Behandlung notwendig ist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung (kurz p02 Messvorrichtung) basierend auf elektrochemischen Sensoren für Kreislauftauchgeräte welche mit Hilfe von einer oder zwei gesteuerten Vergleichsgaszuführungen eine Sensorfunktionsüberwachung und Linearitätsüberprüfung während des Tauchganges erlaubt. Die Tauchgangsdaten werden auf eine Speicherkarte geschrieben.
Offene Tauchgeräte weisen sich durch einen Atemgasvorratsflasche welche mit Pressluft oder einem andern Atemgasgemisch gefüllt ist und einem ein oder zweistufigen Druckminderer, welcher den Druck des Gases in der Flasche auf Umgebungsdruck reduziert, aus. Die ausgeatmete Luft wird ins Wasser abgegeben, wobei nur ein kleiner Teil des Sauerstoffs im Atemgas auch wirklich verbraucht wurde. So werden an der Wasseroberfläche ca. 3% (251 Atemminutenvolumen, 0,8 I verbrauchter Sauerstoff, in Ruhe) des eingeatmeten Gases verbraucht, in einer Tiefe von beispielsweise 20 m beträgt dieser Wert bedingt durch den um 2 bar erhöhten Umgebungsdruck nur noch ein Drittel, also 1%. Somit muss für einen Tauchgang auf 20 m einhundertfach soviel Atemgas mitgeführt werden wie tatsächlich verbraucht wird.
Um die systembedingte den Atemgasverbrauch betreffende geringe Effizienz von offenen Tauchgeräten (SCUBA, Presslufttauchgeräte) zu umgehen, werden halbgeschlossene und geschlossene Kreislauftauchgeräte eingesetzt. Bei diesen Geräten wird in einem Kreislauf geatmet. Die ausgeatmete Luft wird bei diesen Geräten mittels eines Karbondioxidabsorbers von Karbondioxid gereinigt und wieder mit Sauerstoff angereichert. Weiters zeichnen sich solche Geräte durch eine ein- oder zweiteilige Gegenlunge aus, welche das ausgeatmete Gasvolumen aufnehmen kann. Mit Kreislaufgeräten kann die den Gasverbrauch betreffende Effizient auf bis zu 100% erhöht werden. Während man bei offenen Tauchgeräten im Normalfall immer ein Gas mit atembaren Sauerstoffgehalt atmet, wird bei semigeschlossenen Kreislaufgeräten der p02 im Kreislauf von der zugeführten Gasmengen und des Metabolismus des Tauchers bestimmt und in elektronisch gesteuerten geschlossenen Geräten mittels eines Regelkreises auf einem bestimmten Level gehalten (GB2404593A, US2003188744A1, WÖ2005107390A2). Bei manuell gesteuerten geschlossenen Kreislaufgeräten wird die Sauerstoffzufuhr vom Taucher manuell eingestellt und somit der Sauerstoffpartialdruck manuell geregelt. Der Sauerstoffpartialdruck des Atemgases muss innerhalb bestimmter Grenzen liegen, um atembar zu sein. Allgemein werden 0,16 bar als untere Grenze und 1,6 bar als obere Grenze angesehen. Ein p02 unter oder oberhalb dieser Grenzen wird als lebensbedrohend eingestuft. Daraus wird ersichtlich, dass für Kreislaufgeräte eine ständige Überwachung des p02 notwendig ist. Geschlossene Geräte benötigen p02 Sensoren zur manuellen oder elektronisch gesteuerten Regelung des p02 im Kreislauf. Als p02 Sensoren werden üblicherweise elektrochemische Sensoren eingesetzt, welche vor dem Tauchgang an der Oberfläche mit Luft oder 100% 02 kalibriert werden.
Ein korrekt funktionierender p02 Sensor für den Einsatz in Kreislauftauchgeräten weist ein Ausgangssignal (Strom oder Spannung) auf, welches linear nur von dem p02 vor der Membran 3 AT 009 946 U1 des Sensors abhängt. p02 Sensoren sind sehr fehleranfällig. Typische Fehler die auftreten können sind: a. Nichtlinearität b. Stromlimitierung: in diesem Fall wird der p02 Sensor ab einem bestimmten p02 nichtlinear da der Ausgangsstrom des Sensors (oder Ausgangsspannung) fehlerbedingt nicht über einen bestimmten Level ansteigen kann. Dies resultiert in zu niedrigen Sensorsignalen bei hohem p02. c. Fehlerhafte Signale von einem oder Mehreren Sensoren bzw. der Sensorsignalverarbeitung d. Fehlerhafte Kalibration p02 Messgeräte werden wie schon erwähnt an der Oberfläche mit Luft oder 100% 02 unter normobaren Bedingungen (auf Meeresniveau daher -1000 mbar Umgebungsdruck) kalibriert, wobei die Empfindlichkeit der Sensoren bestimmt wird. Der maximal erreichbare p02 ist daher 1.0 bar. Da bei Tauchgängen oft ein p02 höher als 1.0 bar auftritt, ist es wichtig die Sensoren auf a) und b) zu prüfen. (Beispiel für eine Kalibration mit 100% 02: Umgebungsdruck: 1000 mbar, Ausgangsspannungssignal: 50mV -> Empfindlichkeit = 50mV/bar p02)
Der Fehleranfälligkeit der p02 Sensoren versucht man mit dem redundanten Einsatz von p02 Sensoren zu entgegnen. So werden in geschlossenen Kreislaufgeräten üblicherweise 3 Sauerstoffsensoren eingesetzt. Falls ein Sensor ausfällt, sich daher sein Ausgangssignal von dem der anderen beiden unterscheidet, wird dieser durch einen Vergleich aller drei Sensorsignale mit einem „Votingalgorithmus“ (GB2404593A, WÖ2004112905A1) erkannt, und dieser Sensor nicht mehr zur Regelung des p02 herangezogen.
Ein fehlerhafter Sensor kann so ermittelt werden. Diese Methode versagt aber bei folgenden Fehlern: e. Ausfall von 2 Sensoren, die jedoch ein gleiches Ausgangssignal haben f. gleiche Nichtlinearität von mindestens 2 Sensoren (>=2 Sensoren aus der gleichen Produktionscharge, gleiches Alter, gleiche Bedingungen...) g. gleiche Stromlimitierung von mindestens 2 Sensoren
Weiters ist für eine detaillierte Tauchgangsanalyse eine detaillierte Aufzeichnung aller Tauchgangsrelevanten Daten notwendig, so werden Tiefenprofil, Zeit und p02 oft in einem internen Speicher des p02 Messgerätes abgelegt und können nach dem Tauchgang auf einen Personal Computer übertragen werden, wobei die zeitliche Auflösung und die maximale Länge der Aufzeichnung von der internen Speichergröße abhängt und somit limitiert ist.
Zur Übertragung auf den Personal Computer werden üblicherweise spezielle Interface Kabel benötigt. Speziell für die effektive Behandlung von Tauchunfällen ist eine rasche Auswertung der Tauchgangsdaten wichtig. Oft ist jedoch das passende Interface Kabel nicht vor Ort verfügbar. Die Möglichkeit zum Auslesen der Tauchgangsdaten ohne solch spezielle Kabel mit jedem handelsüblichen PC ist somit wünschenswert.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine p02 Messvorrichtung so auszugestalten, dass Fehler in den p02 Sensorsignalen, Nichtlinearitäten der p02 Sensorsignalen, eine eventuelle Strombegrenztheit von p02 Sensoren zuverlässig erkannt und eine detaillierte Aufzeichnung der Tauchgangsrelevanten Daten ermöglicht werden.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass eine auf elektrochemische Sensoren basierendes p02 Messvorrichtung mit einer oder mehreren automatischen Vergleichsgaszufüh-rung(en) für Gase mit bekanntem Sauerstoffgehalt ausgestattet wird. Weiters wird ein Steck- 4 AT 009 946 U1 platz für Speicherkarten inkludiert, sodass tauchgangsrelevante Daten mit hoher Zeitauflösung abgespeichert werden und ein Personal Computer mit Speicherkartensteckplatz ausreicht um die Daten auszulesen.
Diese Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass während eines Tauchganges der Raum vor einem oder mehreren Sauerstoffsensoren automatisch mit einem oder mehreren Vergleichsgasen kurzfristig gespült/geflutet wird. Somit ist für kurze Zeit vor der Membran des/der Sensors/en ein Gas mit bekannter Zusammensetzung. Zusammen mit dem Umbebungsdruck, welcher sich aus Tiefe berechnen lässt, kann der Sauerstoffpartialdruck des Gases berechnet werden und zur Funktions- und Linearitätsüberprüfung der Sensoren mit den aus dem/den Sensorsignal/en berechneten p02 werten verglichen werden. Das Kalibrationsgas sollte für eine Zeit >= der Einstellzeit des/der Sensors/en konstant gehalten werden (typisch 3-8 s).
Diese p02 Messvorrichtung zeichnet sich durch ein oder mehrere integrierte Vergleichsgaszuführungen aus. Ein Mikrocontroller (kurz μ-controller) mit geeigneter Software wird dabei zur Sensorsignalverarbeitung, für die Berechnungen, zur Steuerung der Magnetventile, für Ausgaben am Display und Abspeichern von Daten auf einer Speicherkarte eingesetzt. Als Vergleichsgas werden 100% Sauerstoff und das Verdünnergas bei geschlossenen Kreislaufgeräten oder das Versorgungsgas bei halbgeschlossene Kreislaufgeräte herangezogen. Mittels eines Magnetventils können die Vergleichsgase direkt vor die Membran der Sauerstoffsensoren eingespritzt werden. Die Einspritzdauer beträgt dabei vorzugsweise um die 5-10 sec, je nach der Einstellzeit der Sauerstoffsensoren. So misst der Sauerstoffsensor für die Zeitdauer der Gaseinspritzung nur den p02 des Vergleichsgases, während das Gasgemisch im Kreislauf vor dem Sensor durch den Vergleichsgasstrom verdrängt wird. Aus der Tiefe (welche üblicherweise mit einem Drucksensor bestimmt wird) wird der Umgebungsdruck berechnet und zusammen mit dem bekannten Sauerstoffgehalt der Vergleichsgase der tatsächliche p02 vor der Sensormembran berechnet (Soll Wert) und mit dem Ist Wert (berechnet aus dem Sensorsignal und der bei der Kalibration bestimmten Empfindlichkeit) des Sensors verglichen. Weiters wird durch integrierte Blenden der maximale Vergleichsgasmassenfluss auf - 1-2 bar I /min begrenzt.
Es ist hervorzuheben, dass die Funktion des Kreislauftauchgerätes während dieser Überprüfungen nicht beeinträchtigt wird, der Taucher somit ganz normal atmen kann. Auch entspricht die zeitlich zugeführte Menge an Sauerstoff bei Überprüfung mit 100% Sauerstoff in etwa dem menschlichen physiologischen Sauerstoffverbrauch pro Zeiteinheit und sollte daher nicht zu einer nennenswerten Erhöhung des p02 im Kreislauf führen.
An der Oberfläche wird das p02 Messgerät mit Luft oder einem Vergleichsgas kalibriert.
Die im Folgenden beschriebenen Überprüfungen a), b), c) und d) werden von dem p-controller automatisch durchgeführt.
Zur Überprüfung der korrekten Funktion eines p02 Sensors wir folgendes Verfahren angewandt:
In einem bestimmten Zeitintervall (beispielsweise alle 2 min) wird vom μ-controller der p02 Messvorrichtung Verdünnergas bei geschlossenen Kreislaufgeräten oder das Versorgungsgas bei halbgeschlossenen Geräten vor die Membran des Sensors eingespritzt. Durch den Vergleich der Soll- und Ist Werte kann der p02 Sensor dann auf ein korrektes Funktionieren überprüft werden. Ebenso kann mit dieser Überprüfung auf korrekte Kalibration geprüft werden.
Linearitätsüberprüfung bei halbgeschlossenen Kreislaufgeräten:
Die p02 Messvorrichtung wird an der Oberfläche mit Luft oder dem Versorgergas kalibriert. In einem bestimmten Zeitintervall (beispielsweise alle 2 min) wird vom μ-cöntroller der p02 Messvorrichtung Versorgungsgas (bekannter Sauerstoffgehalt) vor die Membran des Sensors eingespritzt. Durch den Vergleich der Soll und Ist werte kann der p02 Sensor auf Linearität überprüft 5 AT 009 946 U1 werden.
Linearitätsüberprüfung bei geschlossenen Kreislauftauchgeräten:
Die p02 Messvorrichtung wird an der Oberfläche mit 100% Sauerstoff (1.0 bar p02) kalibriert. Am Beginn des Tauchganges wird vom μ-controller automatisch in einer Tiefe von vorzugsweise 5-7 m 100% Sauerstoff vor die Membran des Sensors eingespritzt. Der tatsächliche Wert des p02 des Gases vor der Sensormembran ist demnach 1.5-1.7 bar. Ein Vergleich mit dem tatsächlichen Sensorsignal lässt eine Beurteilung des Sensors auf Linearität zu. Prinzipiell ließe sich auch das Sauerstoffventil des Regelkreises einsetzen um den Raum vor den Sensoren zu fluten um so eine automatische Linearitätsüberprüfung durchzuführen. In diesem Fall sollte der Taucher für die Zeit der Überprüfung den Atem anhalten, um nicht das Messergebnis zu verfälschen.
Diese Linearitätsüberprüfungen eignen sich genauso zur Prüfung der Sensoren auf Strombegrenztheit.
Diese Prüfmethoden erlauben im Gegensatz zum Votingalgorithmus ein echtes Prüfen eines Sauerstoffsensors während des Tauchganges. Die Fehlerfälle a), b), c), d), e), f) und g) können zuverlässig erkannt werden. Insbesondere ist eine Überprüfung der Sensoren auf eine korrekte Funktion während des ganzen Tauchganges in bestimmten Intervallen möglich.
Somit ist im Prinzip auch der sichere Betrieb eines geschlossenen Kreislauftauchgerätes mit nur einem Sauerstoffsensor möglich.
Weichen Soll- und Istwerte voneinander ab, so wird der Taucher durch eine Alarmfunktion aufmerksam gemacht. Bei geschlossenen Kreislauftauchgeräten werden für die Regelung nur p02 Sensoren verwendet, die die automatische Funktionsüberprüfung erfolgreich bestanden haben.
Bedingt durch Kondensation von Wasser direkt auf der Membran (Wassertropfen) von Sauerstoffsensoren kann Fehlerfall c) auftreten. Mittels dem Vergleichsgasvolumenstrom kann solch ein Wassertropfen von der Membran weggeblasen werden. Danach sollte der p02 Sensor wieder korrekte Werte liefern.
Weiters zeichnet sich die Erfindung durch einen integrierten Speicherkartensteckplatz aus. Tauchgangsrelevante Daten wie Sensorsignale von einem oder mehreren Sensoren, Zeit, Tiefe und Batteriespannung werden einmal pro s auf eine Secure Digital Speicherkarte geschrieben (Filesystem FAT 12, 16 oder 32). Ein 60 min Tauchgang entspricht einer Datei mit etwa 500 kByte. Diese Datei lässt sich dann mit jedem Personal Computer auslesen, der mit einem handelsüblichen Lesegerät/Kartensteckplatz für Secure Digital Speicherkarten ausgestattet ist.
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einen geschlossenen elektronisch gesteuerten Kreislaufgerätes. In der Zeichnung Figur 2 ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Er stelle eine Erweiterung für Kreislaufgeräte wie beispielsweise in Figur 1 beschrieben dar.
In Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau eines geschlossenen Kreislaufgerätes dargestellt. Der Taucher atmet durch das Mundstück mit Richtungsventilen (1) durch den Ausatemschlauch in die Ausatemgegenlunge (2) aus. Durch das Überdruckventil (3) kann überschüssiges Gas in die Umgebung abgegeben werden. Die ausgeatmete Luft wird im Atemkalkbehälter (4) von Kohlendioxid gereinigt. Mit der Einatemgegenlunge (13) und dem Einatemschlauch schließt sich der Kreislauf. Die Sauerstoffsensoren (11) sind im Kalkbehälter angebracht. Ein μ-controller (12) berechnet aus den Signalen der Sauerstoffsensoren den p02 und zeigt die tauchgangsrelevanten Daten auf einem Display an (14). Falls der p02 im Kreislauf zu niedrig ist, wird über die Sauerstoffflasche (5), dem Druckminderer (8) und einem Magnetventil (10) Sauerstoff zuge-
Claims (13)
- 6 AT 009 946 U1 führt. Weiters kann über ein lungenautomatisches Ventil oder ein Bypassventil (9) aus der Verdünnergas - flasche (6) und einem weiteren Druckminderer (7) Verdünnergas dem Kreislauf zugeführt werden (wichtig beim Abtauchen, beim Spülen des Kreislaufes, oder beim Ausblasen der Taucherbrille). Die Druckminderer reduzieren den Flaschendruck auf einen Druck -8-12 bar höher als der Umgebungsdruck. In Figur 2 ist der Erfindungsgegenstand, welcher eine Erweiterung für Kreislaugeräte beispielsweise dargestellt. Der μ-controller (20) wertet die Signale des (der) Sauerstoffsensors(en) (11) aus. Diese sind in einer Aufhängung (24) an der Auslassseite im Kalkbehälter eingeschraubt. Über eine Serial Peripheral Interface (kurz SPI) Verbindung (22) ist ein Display angeschlossen (21). Über eine weitere SPI Verbindung (23) ist ein Speicherkartensteckplatz (19) für Secure Digital (kurz SD) Karten angeschlossen. Werden Compact Flash karten verwendet s werden diese nicht über eine SPI Verbindung sondern über eine parallele Verbindung beschrieben. Der μ-controller (20) kann über ein Magnetventil (20) aus einer Sauerstoffflasche (5) + Druckminderer (8) 100% Sauerstoff direkt vor die Membran des (der) p02 Sensors(en) leiten, wobei die Durchflussmenge (beispielsweise 1 bar I / min) durch eine Blende (18) definiert wird. Weiters kann Verdünnergas mit bekanntem Sauerstoffgehalt aus der Vorratsflasche (6) über den Druckminderer (7) und einem weiteren Magnetventil (16) vor die Membran des (der) pOz Sensoren) leiten. Auch hier wird der maximale Gasfluss durch eine Blende (17) definiert (wieder beispielsweise 1 bar I / min). Die Zuleitungen werden mittels einer Halterung (25) vor der Sensormembran befestigt. Weiters ist noch anzumerken, dass Figur 2 eine Erweiterung zu Figur 1 darstellt, sprich das Magnetventil (10) und das manuelle Ventil (9) sind weiterhin noch Bestandteil des Kreislaufes. Ansprüche: 1. Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung für Kreislauftauchgeräte gekennzeichnet durch eine oder mehrere Vergleichsgaszuführungen vor einem oder mehreren Sauerstoffsensoren, wobei als Vergleichsgas ein atembares Gas mit bekanntem Sauerstoffgehalt verwendet wird.
- 2. Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Ventil die Membran des Sauerstoffsensors mit einem Vergleichsgas mit bekanntem Sauerstoffgehalt bespült wird.
- 3. Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die Membran mit einem Vergleichsgas bespült wird und der Volumenstrom des Vergleichsgas mit einer Blende reduziert wird.
- 4. Methode zur Überprüfung eines Sauerstoffsensors auf Funktion während des Tauchganges, wobei die Membran des Sauerstoffsensors mit Sauerstoff mit einer Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1 bespült wird.
- 5. Methode zur Überprüfung eines Sauerstoffsensors auf Funktion während des Tauchganges, wobei die Membran des Sauerstoffsensors mit Vergleichsgas mit einer Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1 bespült wird, wobei als Vergleichsgas das Verdünnergas bei geschlossenen Geräten oder die Hauptgasversorgung bei Halbgeschlossenen Kreislaufgeräten verwendet wird.
- 6. Methode zur Überprüfung eines Sauerstoffsensors auf Linearität während des Tauchganges, wobei die Membran des Sauerstoffsensors mit Sauerstoff mit einer Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1 bespült wird.
- 7. Methode zur Überprüfung eines Sauerstoffsensors auf Linearität während des Tauchgan- 7 AT 009 946 U1 ges, wobei die Membran des Sauerstoffsensors mit Vergleichsgas mit einer Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1 bespült wird, wobei als Vergleichsgas das Verdünnergas bei geschlossenen Geräten oder die Hauptgasversorgung bei Halbgeschlossenen Kreislaufgeräten verwendet wird.
- 8. Methode zur Überprüfung eines Sauerstoffsensors auf Strombegrenztheit während des Tauchganges, wobei die Membran des Sauerstoffsensors mit Sauerstoff mit einer Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1 bespült wird.
- 9. Methode zur Überprüfung eines Sauerstoffsensors auf Strombegrenztheit während des Tauchganges, wobei die Membran des Sauerstoffsensors mit Vergleichsgas mit einer Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1 bespült wird, wobei als Vergleichsgas das Verdünnergas bei geschlossenen Geräten oder die Hauptgasversorgung bei Halbgeschlossenen Kreislaufgeräten verwendet wird.
- 10. Methode zur Überprüfung der Kalibration eines Sauerstoffsensors und gegebenenfalls Neukalibrierung während des Tauchganges, wobei die Membran des Sauerstoffsensors mit Sauerstoff mit einer Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1 bespült wird.
- 11. Methode zur Überprüfung der Kalibration eines Sauerstoffsensors und gegebenenfalls Neukalibrierung während des Tauchganges, wobei die Membran des Sauerstoffsensors mit Vergleichsgas mit einer Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1 bespült wird, wobei als Vergleichsgas das Verdünnergas bei geschlossenen Geräten oder die Hauptgasversorgung bei Halbgeschlossenen Kreislaufgeräten verwendet wird.
- 12. Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass ein Mikrokontroller automatisch eine Sensorüberprüfung in Bezug auf Funktion, Linearität und Stromlimitiertheit vornimmt.
- 13. Sauerstoffpartialdruckmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass zur Speicherung von tauchgangsrelevante Daten wie Tauchtiefe, Zeit und Sauerstoffpartialdruck auf einer Speicherkarte ein Steckplatz für Speicherkarten vorhanden ist Hiezu 2 Blatt Zeichnungen
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