DE102010031754B4

DE102010031754B4 - Atemschutzgerät mit Kompensation des Umgebungsdruckes

Info

Publication number: DE102010031754B4
Application number: DE102010031754A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ullrich Hansmann; Björn Petersen; Thomas Pernot; Sandra DANKERT; Lutz Rueffert; Marcus Romba
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: FR2962917A1; GB2482216A; DE102010031754A1; GB2482216B; GB201104903D0; US20120017906A1; US8931482B2; FR2962917B1

Abstract

Atemschutzgerät mit einem von einem Motor (4) angetriebenen Gebläse (3) zur Förderung eines Luftvolumenstroms über dem Gebläse (3) vorgeschaltete Filter (5, 6, 7), wobei in — einem Datenspeicher (16) Kalibrierkurven des vom Gebläse (3) geförderten Volumenstroms ( V. ) hinterlegt sind, welche als auf einen bekannten Umgebungsdruck (p0, p1) bezogene Kennlinienfelder (20, 21) vorliegen, wobei jedes Kennlinienfeld (20, 21) eine auf einen vorbestimmten Betriebszustand bezogene Bezugs-Kalibrierkurve (22, 23) umfasst, und mit — einer mit dem Motor (4) und dem Datenspeicher (16) verbundenen Steuereinheit (15) zur Extrapolation eines Kennlinienfeldes für den Betrieb des Motors (4) durch Vergleich einer für einen unbekannten Umgebungsdruck (px) bei dem vorbestimmten Betriebszustand aufgenommenen Kalibrierkurve (28), ( V. ox) mit den Bezugs-Kalibrierkurven (22, 23), wobei der vorbestimmte Betriebszustand auf eine Gasförderung bei dichtgesetzten Filtern (5, 6, 7) oder auf eine Gasförderung über eine Kalibrierblende (25) bezogen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Atemschutzgerät mit einem von einem Motor angetriebenen Gebläse zur Förderung eines Luftvolumenstromes über Filter, die dem Gebläse vorgeschaltet sind.
Ein Atemschutzgerät der genannten Art ist aus der EP 1 722 865 B1 bekannt. Über ein dem Gebläse vorgeschaltetes Filter wird Umgebungsluft angesaugt und über einen Schlauch in eine Haube oder eine Atemschutzmaske gefördert. Das Filter dient dazu, die in der Umgebungsluft vorhandenen Schadstoffe herauszufiltern. Um genügend frische Atemluft bereitzustellen, werden normalerweise mehrere Filter parallel betrieben. Da sich der Filterwiderstand im Verlauf der Gebrauchszeit verändert, wird das Gebläse mit zuvor gemessenen Kennlinien betrieben, mit denen sich der Filterwiderstand abschätzen und eine vorbestimmte Förderleistung für den Volumenstrom einstellen lässt. Durch den Atemluftstrom entsteht in der Haube oder der Atemschutzmaske ein gewisser Überdruck, der das Eindringen von Schadgasen in die Einatemluft verhindert und der Atemluftstrom muss so eingestellt sein, dass ausreichend Kohlendioxid ausgespült werden kann. Üblicherweise wird mit einem Atemluftstrom von etwa 135 l/min. gearbeitet.
Die in dem bekannten Atemschutzgerät gespeicherten Kennlinien entsprechen den Verhältnissen bei der Kalibrierung und den Umgebungsbedingungen bei der Kalibrierung. Wesentliche Parameter sind die Temperatur und der Umgebungsdruck. Da das bekannte Atemschutzgerät bei unterschiedlichen Einsatzhöhen betrieben werden kann, ändert sich die Dichte der angesaugten Luft und damit die Förderleistung des Gebläses.
Bei einem aus der US 2009/0266361 A1 bekannten Atemschutzgerät wird vorgeschlagen, den Umgebungsdruck mit einem Drucksensor zu erfassen, den Messwert der Motorsteuerung zuzuführen und diesen in die Motorregelung mit einzubeziehen. Das erfordert einen zusätzlichen Drucksensor, der überwacht und gewartet werden muss.
Aus der EP 1 039 139 A1 geht ein Gebläse mit einem elektrischen Antriebsmotor hervor, bei welchem die Motorleistung mittels einer Regeleinheit derart eingestellt wird, dass die Istdrehzahl auf eine Solldrehzahl geregelt wird. In einem Mikrocontroller sind als Vorgabewerte für die Regelung gebläsespezifische Daten, die Dichte des Fördermediums und eine Gebläsekennlinie gespeichert.
Die GB 2 258 094 A bezieht sich auf eine Regeleinheit für den Antriebsmotor eines Gebläses, welches zur Gasförderung in einem Beatmungssystem dient. Mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung wird eine im wesentlichen konstante Förderleistung für den Gasfluss eingestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Atemschutzgerät der genannten Art derart zu verbessern, dass der Einfluss des Umgebungsdruckes auf einfache Weise berücksichtigt wird und ein Verfahren zur Kompensation des Umgebungsdruck-Einflusses anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe für die Vorrichtung erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, für vorbestimmte Werte des Umgebungsdruckes Kalibrierkurven aufzunehmen und diese in Form von auf den Umgebungsdruck bezogene Kennlinienfelder in einem Speicher des Atemschutzgerätes abzulegen. Vorbestimmte Werte für den Umgebungsdruck lassen sich beispielsweise in einer Unterdruckkammer einstellen und die Kalibrierkurven können die Motordrehzahl n in Abhängigkeit vom Motorstrom I für jeweils konstante Werte des vom Gebläse geförderten Volumenstroms sein. Der Volumenstrom ist dabei zusätzlich eine Funktion des Filterwiderstands R. Jedes auf einem bestimmten Umgebungsdruck bezogenes Kennlinienfeld umfasst eine Kalibrier-Bezugskennlinie, die auf einen vorbestimmten, definierten Betriebszustand bezogen ist. Dieser Betriebszustand besteht darin, dass das Gebläse mit verschlossenen Filtern betrieben wird oder dass Umgebungsluft über eine Kalibrierblende angesaugt wird.
Ausgehend von einem Normalluftdruck von 1013 hPa kann das Kennlinienfeld mit einer Schrittweite von etwa 50 hPa aufgenommen werden, wobei ansteigender Luftdruck mit einer einzigen Schrittweite von 50 hPa und abfallender Luftdruck in Schritten bis zu 70% des Normalluftdruckes erfasst wird. Besonders bevorzugt werden Kennlinienfelder für repräsentative Werte des Luftdruckes aufgenommen, wie 700, 850 und 1200 hPa und die gemessenen Unterschiede als mathematische Funktion in Form einer Geradengleichung beschrieben. Die Kennlinie für die Drehzahl n als Funktion des Motorstroms I lässt sich allgemein in der Form n = m·I + b darstellen, wobei m und b als Funktion des Luftdruckes die Steigung und den Achsenabschnitt angeben. Die gemessenen Kurven werden mathematisch durch eine Gerade approximiert. Der Vorteil der Beschreibung der Abhängigkeiten durch eine mathematische Funktion liegt darin, dass sich Zwischenwerte formelmäßig abbilden lassen, auch wenn für diese keine Messungen vorliegen. Es hat sich gezeigt, dass Kalibrierkurven nur für ein Fertigungslos aufgenommen werden müssen und eine individuelle, gerätespezifische Kalibrierung nicht erforderlich ist.
Die Kompensation des Umgebungsdruck-Einflusses wird folgendermaßen vorgenommen:
Bei einem unbekannten Umgebungsdruck wird zunächst eine Kalibrierkurve aufgenommen, die auf den vorbestimmten Betriebszustand bezogen ist. Durch Vergleich dieser Kalibrierkurve mit den zuvor aufgenommenen, in dem Datenspeicher abgelegten Bezugs-Kalibrierkurven wird anhand der zuvor ermittelter Berechnungsformeln für die gemessene Bezugs-Kalibrierkurve bei dem unbekannten Umgebungsdruck das Kennlinienfeld aus dem im Datenspeicher abgelegten, bekannten Werten berechnet. Dieses berechnete Kennlinienfeld wird anschließend für die Regelung des Motors verwendet.
Zur Aufnahme der Kalibrierkurven sind in zweckmäßiger Weise ein Drehzahlmesser zur Erfassung der Drehzahl n der Antriebswelle des Motors und ein Strommesser zur Erfassung des Motorstroms I vorgesehen. Die Kalibrierkurven beinhalten Kurven für jeweils konstanten Volumenstrom V.₁, V.₂, V.₃ als Funktion der Drehzahl n vom Motorstrom I, n = n(I) in Abhängigkeit vom Strömungswiderstand R der Filter und des Luftdruckes p₀, p₁.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation des Einflusses des Umgebungsdruckes auf die Förderung des Luftvolumenstromes bei einem Atemschutzgerät, welches ein von einem Motor angetriebenes Gebläse und dem Gebläse vorgeschaltete Filter aufweist, besteht aus den Schritten, für vorbestimmte Werte des Umgebungsdruckes Kennlinienfelder für den vom Gebläse geförderten Volumenstrom aufzunehmen und in einem Datenspeicher des Atemschutzgerätes abzulegen, wobei jedes Kennlinienfeld eine auf einen vorbestimmten Betriebszustand bezogene Bezugs-Kalibrierkurve enthält, für einen unbekannten Umgebungsdruck eine Kalibrierkurve ( V._ox) aufzunehmen, die auf den vorbestimmten Betriebszustand mit einer Gasförderung bei dichtgesetztem Filter oder über eine Kalibrierblende bezogen ist und ein Kennlinienfeldes für den Betrieb des Motors anhand der für den unbekannten Umgebungsdruck aufgenommenen Kalibrierkurve ( V._ox) aus den zu den Bezugs-Kalibrierkurven gehörenden Kennlinienfeldern zu extrapolieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Atemschutzgerätes,
2 schematisch ein Kennlinienfeld,
3 das Kennlinienfeld nach der 2 für zwei Werte des Umgebungsdruckes,
4 Bezugs-Kalibrierkurven für Kennlinienfelder nach der 3,
5 das Atemschutzgerät nach der 1 mit verschlossenen Filtern,
6 das Atemschutzgerät nach der 5 mit einer Kalibrierblende,
7 Bezugs-Kalibrierkurven für das Atemschutzgerät nach der 6.
1 zeigt schematisch ein Atemschutzgerät 1, bei welchem in einem Gerätegehäuse 2 ein Gebläse 3 mit einem Motor 4 angeordnet sind und Umgebungsluft über eine Parallelschaltung von drei Filtern 5, 6, 7 von dem Gebläse 3 angesaugt wird. Das geförderte Atemgas wird über einen Schlauch 8 zu einem Kopfstück 9 gefördert, welches den Kopf 10 eines nicht näher dargestellten Geräteträgers umgibt. Der Motor 4 ist mit einem Drehzahlmesser 11 versehen, der die Drehzahl n der Antriebswelle 12 erfasst und ein Strommesser 13 ermittelt den Motorstrom I. Ein Energiespeicher 14 liefert die zum Betrieb des Motors 4 erforderliche Energie. Mittels einer Steuereinheit 15, die mit dem Drehzahlmesser 11, dem Strommesser 13 und dem Energiespeicher 14 verbunden ist, wird ein vorbestimmter Volumenstrom vom 140 l/min. bis 240 l/min. eingestellt. Die Steuereinheit 15 besitzt einen Datenspeicher 16 zur Ablage von Kennlinien V.₁, V.₂, V.₃. Jede Kennlinie wird analysiert und mathematisch durch eine Gerade approximiert, so dass sich ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Drehzahl n und dem Motorstrom I ergibt.
2 zeigt beispielhaft ein Kennlinienfeld für das Atemschutzgerät 1 nach der 1. Auf der Abszisse ist der Motorstrom I und auf der Ordinate ist die Drehzahl n aufgetragen in Abhängigkeit vom Filterwiderstand R und für jeweils konstante Volumenströme V.₁, V.₂, V.₃, mit V.₁ < V.₂ V.₃. Die Pfeile 17, 18 für V. und R stehen für steigende Volumenströme V. und für steigende Filterwiderstände R. Die in der 2 gezeigten Kennlinien ermöglichen die Ausregelung des Volumenstroms V. unabhängig vom Filterwiderstand R, wobei der Motorstrom I direkt als Regelgröße für den Antrieb des Motors 4 vorliegt. Allerdings sind mit dem Kennlinien V.₁, V.₂, V.₃ keine Veränderungen der Umgebungsbedingungen ausgleichbar, beispielsweise eine Veränderung des Luftdruckes.
3 veranschaulicht ein erstes Kennlinienfeld 20 für die Volumenströme V.₁, V.₂, V.₃ für den Normalluftdruck p₀ von 1013 hPa und ein zweites Kennlinienfeld 21 mit den Volumenströmen V.₁', V.'₂, V.'₃ und dem Luftdruck p₁, der sehr viel kleiner als der Normalluftdruck p₀ ist. Die beiden Kennlinienfelder 20, 21 enthalten zusätzlich eine Kennlinie 22, V.₀ und 23, V.'₀, die als Bezugs-Kalibrierkurven mit verschlossenen Filtern 5, 6, 7 mit V. = 0 aufgenommen wurde. Diese Bezugs-Kalibrierkurven 22, 23 mit V.₀ = 0 für den Luftdruck p₀ und V.'₀ = 0 für den Luftdruck p₁ sind in der 4 in Abhängigkeit von der Drehzahl n und vom Motorstrom I dargestellt. Die Kurve 28 zeigt eine Kennlinie mit V. = 0 für den unbekannten Luftdruck p_x.
5 zeigt das Atemschutzgerät 1 nach der 1 mit verschlossenen Filtern 5, 6, 7 zur Aufnahme der Bezugs-Kalibrierkurven V.₀ und V.'₀. Der Gaseinlass der Filter 5, 6, 7 ist mittels einer Klappe 24 verschlossen.
6 zeigt das Atemschutzgerät nach der 1 bei dem, gegenüber der Ausführung nach der 5, ein durch die Klappe 24 verschlossenes Filter durch eine Kalibrierblende 25 ersetzt worden ist. Über die Kalibrierblende 25 werden in Abhängigkeit vom Motorstrom I und der Drehzahl n, in Abhängigkeit vom Luftdruck p₀ und p₁ Volumenströme 26, V.₀₁, und 27, V.'₀₁ gefördert. Die Bezugs-Kalibrierkurven 26, 27 stellen eine Alternative zu den Bezugs-Kalibrierkurven 22, 23 mit den Volumenströmen V.₀ und V.'₀ dar.
Die Kompensation des Einflusses des Umgebungsdruckes wird so vorgenommen, dass zunächst Kennlinienfelder V.₁, V.₂, V.₃, V.'₁, V.'₂, V.₃, in einer Unterdruckkammer für unterschiedliche Werte p₀, p₁ für den Umgebungsdruck aufgenommen werden. Die Kurven V.₀ und V.'₀ sind dabei Bezugs-Kalibrierkurven 22, 23 für den jeweiligen Luftdruck p₀, p₁.
Wird das Atemschutzgerät 1 bei einem unbekannten Luftdruck p_x betrieben, wird zunächst mit verschlossenen Filtern 5, 6, 7, entsprechend der Vorrichtung nach der 5, oder mit der Kalibrierblende 25, entsprechend der 6, eine Kalibrierkurve aufgenommen. Diese wird mit denen im Datenspeicher 16 abgelegten Bezugs-Kalibrierkurven verglichen und es wird ein Kennlinienfeld für die Regelung des Motors (4) aus den im Datenspeicher 16 abgelegten Kennlinienfeldern mittels mathematischer Berechnungsformeln extrapoliert.
Es wird angenommen, dass der unbekannte Luftdruck p_x sei. Mit dem Atemschutzgerät 1, entsprechend der 5, bei dem die Filter 5, 6, 7 mit einer Klappe 24 verschlossen sind, wird eine Kalibrierkurve V._ox, Kurve 28 in der 4, aufgenommen. Die Bezugs-Kalibrierkurven 22, 23 mit den zugehörenden Kennlinienfeldern sind durch mathematische Berechnungsformeln in Form von Geradengleichungen approximiert worden und als solche im Datenspeicher 16 hinterlegt. Mittels der Berechnungsformeln kann anhand der Kalibrierkurve V._ox das entsprechende Kennlinienfeld für die Regelung des Motors (4) ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

1: Atemschutzgerät
2: Gerätegehäuse
3: Gebläse
4: Motor
5, 6, 7: Filter
8: Schlauch
9: Kopfstück
10: Kopf
11: Drehzahlmesser
12: Antriebswelle
13: Strommesser
14: Energiespeicher
15: Steuereinheit
16: Datenspeicher
17: Volumenstrom V.
18: Filterwiderstand R
20: erstes Kennlinienfeld
21: zweites Kennlinienfeld
22: Bezugs-Kalibrierkurve V.₀
23: Bezugs-Kalibrierkurve V.'₀
24: Klappe
25: Kalibrierblende
26: Volumenstrom V.₀₁
27: Volumenstrom V.'₀₁
28: Kalibrierkurve V._ox

Claims

Atemschutzgerät mit einem von einem Motor (4) angetriebenen Gebläse (3) zur Förderung eines Luftvolumenstroms über dem Gebläse (3) vorgeschaltete Filter (5, 6, 7), wobei in – einem Datenspeicher (16) Kalibrierkurven des vom Gebläse (3) geförderten Volumenstroms ( V.) hinterlegt sind, welche als auf einen bekannten Umgebungsdruck (p₀, p₁) bezogene Kennlinienfelder (20, 21) vorliegen, wobei jedes Kennlinienfeld (20, 21) eine auf einen vorbestimmten Betriebszustand bezogene Bezugs-Kalibrierkurve (22, 23) umfasst, und mit – einer mit dem Motor (4) und dem Datenspeicher (16) verbundenen Steuereinheit (15) zur Extrapolation eines Kennlinienfeldes für den Betrieb des Motors (4) durch Vergleich einer für einen unbekannten Umgebungsdruck (p_x) bei dem vorbestimmten Betriebszustand aufgenommenen Kalibrierkurve (28), ( V._ox) mit den Bezugs-Kalibrierkurven (22, 23), wobei der vorbestimmte Betriebszustand auf eine Gasförderung bei dichtgesetzten Filtern (5, 6, 7) oder auf eine Gasförderung über eine Kalibrierblende (25) bezogen ist.
Atemschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme der Kalibrierkurven ein Drehzahlmesser (11) zur Erfassung der Drehzahl (n) des Motors (4) und ein Strommesser (13) zur Erfassung des Motorstroms (I) vorgesehen sind.
Atemschutzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierkurven für jeweils konstante Volumenströme ( V.₁, V.₂, V.₃; V.'₁, V.'₂, V.'₃) als Funktion der Drehzahl (n) vom Motorstrom (I), n = n(I), und in Abhängigkeit vom Strömungswiderstand (R) der Filter (5, 6, 7) und des Luftdruckes (p₀, p₁) vorliegen.
Verfahren zur Kompensation des Einflusses des Umgebungsdruckes auf die Förderung des Luftvolumenstromes bei einem Atemschutzgerät, welches ein von einem Motor (4) angetriebenes Gebläse (3) und dem Gebläse (3) vorgeschaltete Filter (5, 6, 7) aufweist mit den Schritten, – für bekannte Werte des Umgebungsdruckes (p₀, p₁), Kennlinienfelder (20, 21) für den vom Gebläse (3) geförderten Volumenstrom ( V.₁, V.₂, V.₃; V.'₁, V.'₂, V.'₃) aufzunehmen und in einem Datenspeicher (16) des Atemschutzgerätes (1) abzulegen, wobei jedes Kennlinienfeld (20, 21) eine auf einen vorbestimmten Betriebszustand bezogene Bezugs-Kalibrierkurve (22, 23) umfasst, – bei dem vorbestimmten Betriebszustand eine Gasförderung bei dichtgesetzten Filtern (5, 6, 7) oder über eine Kalibrierblende (25) vorzunehmen, – für einen unbekannten Umgebungsdruck (p_x) eine Kalibrierkurve ( V._ox) aufzunehmen, die auf den vorbestimmten Betriebszustand bezogen ist, – und ein Kennlinienfeld für den Betrieb des Motors (4) anhand der Kalibrierkurve ( V._ox) aus den zu den Bezugs-Kalibrierkurven (22, 23) gehörenden Kennlinienfeldern zu extrapolieren.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinienfelder (20, 21) für jeweils konstante Volumenströme ( V.₁, V.₂, V.₃; V.'₁, V.'₂, V.'₃) als Funktion der Drehzahl (n) vom Motorstrom (I), n = n(I), und in Abhängigkeit vom Strömungswiderstand (R) der Filter (5, 6, 7) und des Luftdruckes (p₀, p₁) bestimmt werden.