DE3908057C2 - Verfahren zur Regulierung der einer Gasmaske zugeführten Luftmenge und Gasmaske, bei der dieses Verfahren angewandt ist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

In der vorliegenden Anmeldung bedeutet der Ausdruck "Gasmaske" neben einer eigentlichen oder üblichen Gasmaske auch andere Atmungsabdeckungen oder -einrichtungen und deren Gesichtsteile.

Die Patentanmeldungen EP-0 094 757 und FRI 852 272 zeigen bei­ spielsweise Gasmasken des hier in Rede stehenden Typs. Die be­ kannten Gasmasken sind mit dem Problem des Verbrauchs von Akku­ mulatoren oder Batterien behaftet, welche den Ventilatormotor der Maske antreiben. Außerdem besteht die Gefahr einer zu weit gehenden Entladung der Akkumulatoren, wodurch deren Lebensdauer herabgesetzt wird. Verschiedene Methoden wurden bereits vorge­ schlagen, vgl. beispielsweise EP-0 094 757, um den Leistungs- oder Energieverbrauch zu beschränken.

Die GB-Patentanmeldung 2 032 284 zeigt beispielsweise eine Steu­ erung der Betriebsgeschwindigkeit des Gebläses oder Ventilators einer Gasmaske in Abhängigkeit von einer durch einen Detektor festgestellten Druckdifferenz. Ein derartiger Druckdifferenzdetektor ist jedoch gegen Störungen empfind­ lich und erfordert besondere Sorgfalt, wenn beispielsweise die Gasmaske gereinigt wird.

Aus DE-GM 88 07 352 ist eine Atemschutzmaske mit einem batteriebetriebenen Lüftungsgerät bekannt, bei welcher eine Wareneinrichtung vorgesehen ist, die den Ladezustand der Batterie anzeigt.

Daneben liegt bei bekannten Einrichtungen das Problem vor, daß die der Gasmaske zugeführte Luftmenge entsprechend dem Verstopfungsgrad des Filters variiert. Wenn der Filter neu und sauber ist, läßt er mehr Luft durch, als in diesem Be­ nutzungsfall im Hinblick auf bestehende Normen erforder­ lich ist. Dies führt zu zwei Problemen: Einerseits werden die Akkumulatoren verbraucht und andererseits kann ein übermäßiger Luftstrom dem Träger der Gasmaske Kopfweh und Augenschmerzen verursachen. Wenn der Filter verstopft ist, entsteht das zusätzliche Problem, daß man nicht weiß, wann der der Gasmaske zugeführte Luftstrom kleiner als die erforderliche Menge ist. Auf der anderen Seite führte eine übermäßige Luftmenge zu einer rascheren Verstopfung des Filters.

Was ihren Aufbau betrifft, weisen bekannte Gasmasken auch den Nachteil auf, daß die elektronische Schaltung, die zur Steuerung des Betriebs der Maske eingesetzt wird, nicht ausreichend gegenüber Beschädigungen aus der umgebenden Atmosphäre geschützt ist.

Die Erfindung löst die Aufgabe, unter Aufrechterhaltung eines Minimums an Atemluft, die angesaugte Luftmenge an die Einatmungsintensität anzupassen.

Die Lösung erfolgt bei einem gattungsgemäßen Verfahren und einer gattungsgemäßen Gasmaske durch die im Kennzeichnungs­ teil der Patentansprüche 1 bzw. 2 stehenden Merkmale.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß der Strom des Ventilatorinotors, der z. B. in den Gasmasken von Kemira verwendet wird, allmählich abfällt, wenn der Luftstrom, beispielsweise durch Verstopfung des Filters, behindert ist. Diese Eigenschaft des Ventilators oder Gebläses kann als eine Art Sensor ausgenutzt werden, wenn man die Luft­ strommenge konstant zu halten wünscht, obwohl der Filterwiderstand oder die Betriebsspannung stark variieren.

Die Fig. 1 zeigt in einer typischen Kurve wie die Veränderung des Strömungswiderstandes den Strom des Ventilatormotors beein­ flußt.

Die Kurve zeigt, daß der Stromverbrauch umso kleiner ist, je mehr das Filter verstopft ist. Dieses Phänomen stabilisiert als sol­ ches den Luftstrom, da der Ohmsche Widerstand der Spule des klei­ nen, im Ventilator verwendeten Gleichstrommotors signifikant ist, und infolgedessen die elektromotorische Gegenspannung des Motors und daher auch die Umlaufgeschwindigkeit anwächst, wenn der Strom abfällt.

Erfindungsgemäß wird die der Gasmaske zugeführte Luftmenge da­ durch im wesentlichen konstant gehalten, daß man die durch den Ventilatormotor fließende Energie oder Leistung reguliert. Um dies zu erreichen umfaßt die Gasmaske eine elektronische Regu­ lierschaltung entsprechend dem Kennzeichnungsteil des Patentan­ spruchs 2.

Wenn der Motor selbst als ein Sensor verwendet wird, vereinfacht sich die Konstruktion. Der Ventilator und seine Strömungskanäle können, falls erforderlich, gereinigt werden, da sie keine sepa­ raten, empfindlichen Sensoren umfassen. Mit Hilfe der Regulier­ schaltung wird der dem Motor zugeführte Strom auf ein striktes Minimum beschränkt, so daß die ausnutzbare Lebensdauer des Motors steigt und auftretendes Geräusch herabgesetzt wird. Die Lebens­ dauer des Filters steigt ebenfalls an, da keine übermäßige Luft durch ihn hindurchgeblasen wird.

Eine konstante Luftmenge wird vorteilhafterweise dadurch vermittelt, daß man die über den Motor vorherrschende Betriebsspannung steu­ ert. Die Spannungssteuerung kann auch durch Impulsbreite-Modula­ tion ausgeführt werden.

Mit Hilfe einer Integrations-Schaltung, die mit der Regulier­ schaltung verbunden ist, wird die Leistung des Ventilatormotors stufenlos an die Einatmungsintensität eines Benutzers der Gasmaske angepaßt.

Um die Betriebseigenschaften der Gasmaske zu verbessern, wird die Steuerelektronik in einem staub- und flüssigkeitsdichten Ge­ häuse angeordnet, so daß die Betriebsschalter des Gebläses und die Wählschalter der Gebläseleistung als Reed-Kontakte ausgebil­ det werden können, die mit Hilfe außerhalb des Gehäuses befind­ licher Magnete betätigbar sind. In diesem Falle werden keine Schaltereingänge, die nur schwer abzudichten sind, in den Gehäuse­ wänden benötigt. Falls erforderlich, kann das Gehäuse auch gas­ dicht ausgebildet sein. Aufgrund der Magnetschalter ist die elek­ tronische Schaltung keinen mechanischen Beanspruchungen unter­ worfen, was der Fall wäre, wenn mechanische Schalter eingesetzt würden.

Mit Hilfe eines Detektors, der mit der Steuerelektronikschaltung verbunden ist, vorzugsweise einer lichtemittierenden Diode, wird der Raum festgestellt, in dem der Ventilatormotor nicht mehr in der Lage ist, die vorgewählte Menge an Gebläseluft zu erzeugen. So erhält man eine vom Gasmaskenbenutzer leicht zu beobachtende Indikation, die angibt, daß die Akkumulatorspannung zu niedrig ist, d. h. der Akkumulator entladen ist, oder daß das Filter ver­ stopft ist, unabhängig von der Filtertype. Diese Feststellungen können für den Gasmaskenbenutzer von vitaler Bedeutung sein.

Um zu verhüten, daß sich die Batterie, welche die Vorrichtung speist, zu weit entlädt, schaltet eine in der Regulierschaltung vorgesehene Spannungsüberwachungsschaltung den Strom zum Motor oder zur Vorrichtung ab, wenn die Speisespannung unter einen eingestellten Grenzwert abfällt. Hierdurch wird die ausnutzbare Lebensdauer der Batterien gesteigert. Leichtere und/oder kleinere Batterien können in analoger Weise verwendet werden.

Wie eingangs erwähnt, hat der Begriff "Gasmaske" in dem vorlie­ genden Zusammenhang eine weitergehende Bedeutung. Die Erfindung läßt sich auch auf eine integrierte Gasmaske anwenden, auf eine Gasmaske mit Gebläse- und/oder Filtereinheiten, die vom Gesichts­ teil der Maske separiert sind, sowie auf Atmungsabdeckungen, beispielsweise auf Hauben oder ähnliche, nur unvollständig am Gesicht oder Kopf abgedichtete Einrichtungen.

In ähnlicher Weise läßt sich der allgemeine Erfindungsgedanke, nämlich die Verwendung eines Motors als Sensor, auch für andere Anwendungszwecke einsetzen, bei denen eine konstante Strömung durch einen Motor erreicht werden soll.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 die Abhängigkeit des Stromwiderstandes eines Ventilatormotors an sich bekannter Art;

Fig. 2 das Prinzip der Regulierschaltung gemäß der Erfindung und

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der Steu­ erelektronik für eine Gasmaske.

Zum Verständnis der Betriebsweise der Erfindung werden zunächst die Fig. 1 und 2 nachstehend erörtert. Es ist oben bereits festgestellt worden, daß die Umlaufgeschwindigkeit des Ventila­ tormotors 1 und die an ihm vorliegende Betriebsspannung U1 gegen­ über dem Strom I invers oder umgekehrt proportional sind.

Die Stabilität des der Gasmaske zugeführten Luftstromes kann in markanter Weise gesteigert werden, wenn ein konstanter Strom durch den Motor fließt. In diesem Fall hat die Klemmenspannung des Motors zu steigen, wenn das Filter sich allmählich verstopft, da der Strom konstant bleibt.

Im Prinzip überwacht der Operationsverstärker OP1 die Spannung, der an den Polen des Widerstandes R11 vorliegt, und zwar in dem Bestreben, sie auf dem Niveau einer Referenzspannung UV zu hal­ ten.

Nicht immer ist eine solche Anordnung in der Praxis ausreichend, aber die Luftmenge nimmt immer noch ab, wenn der Verstopfungs­ grad des Filters zunimmt. Jedoch kann der Stromkreis wesentlich verbessert werden, wenn die Referenzspannung UV nicht auf einen bestimmten Wert festgelegt oder fixiert ist, sondern steigt, wenn die Spannung an den Motorpolen zunimmt. Wenn man den Wider­ stand R von der Spannung abhängig macht, kann eine Linearisierung immer noch ausgeführt werden.

Fig. 3 zeigt in größerem Detail eine elektronische Steuerschal­ tung, bei der das Prinzip der Erfindung verwirklicht ist. Die Speisung der Schaltung mit elektrischem Strom erfolgt ausgehend von einem Akkumulator oder einer Batterie (nicht dargestellt). Obwohl die Betriebsweise eines Schaltkreises von Fachleuten auf der Basis der Figur ohne weiteres verstanden wird, werden doch die Hauptpunkte der Schaltung und ihrer Betriebsweise nachstehend erläutert.

Die Ein- und Ausschaltung des Stromes des Ventilator- oder Ge­ bläsemotors 1 erfolgt über einen Reed-Kontakt oder -schalter 6A, der mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Magneten von der Außen­ seite eines Vorrichtungsgehäuses her gesteuert wird. Der Teil­ schaltkreis 6 umfaßt auch Spannungsüberwachungskomponenten, wel­ che die Referenzspannung ref2 zum Operationsverstärker OP2 und die Speisespannung P zur Torschaltung 4 und zur Integrations­ schaltung 7 liefern.

Die Torschaltung 4 ist durch einen Mikroschaltkreis realisiert, dessen beide Tore 4A und 4B als Oszillatoren geschaltet sind. Das Tor 4C dient als Schwellenwertdetektor. Das Tor 4D einschließ­ lich der zugehörigen Komponenten (K7, R14 und der Diode D1) ver­ mittelt eine Steuerung an die Leittransistorschaltung 5, aufgrund welcher der Motor gesteuert wird, um gestartet zu werden, einen kleinen Grundstrom empfängt, der seinerseits die Gestalt schmaler Impulse hat. Auf diese Weise wird das Gebläse oder der Ventilator trotz des Verzögerungseffektes, der auf der Masse der Ventilator­ flügel beruht, rasch genug in Aktion versetzt.

Über den Leittransistor 5T2 wird der gepulste Strom I durch den Motor geleitet, dessen Wert dadurch beobachtet wird, daß man die Spannung U2, welche durch den Strom I erzeugt ist, zum positiven Eingang (in der Figur der Kontaktstift 5) des Operationsverstär­ kers OP1 bringt, und zwar über den Widerstand R11.

Die erwähnte Spannung U2 wird mit Hilfe des Operationsverstärkers OP1 mit der Referenzspannung UV verglichen, die zu dessen nega­ tivem Eingang (Kontaktstift 6) gebracht ist. Die Spannung UV wird aus der Spannung U1 gewonnen, die am Motor vorliegt (genauer aus der Summe der Spannungen U1 und U2, wobei in diesem Zusam­ menhang die Variationen der Spannung U2 außer Betracht bleiben können). Die Erzeugung der Spannung UV erfolgt durch die Span­ nungsteilerschaltung 3, in der die Linearisierungsschaltung durch die Widerstände R18-R22 und die Dioden ausgeführt wird.

Mit Hilfe des Reed-Schalters 3B der Schaltung 3 können verschie­ dene Leistungen, d. h. standardisierte Luftströmungsmengen für den Ventilatormotor ausgewählt werden, und zwar dadurch, daß man auf die Bezugsspannung UV einwirkt. Der Schalter 3B wird, ebenso wie der Schalter 6A, durch Magnete betätigt, die sich außerhalb des (nicht dargestellten) Gehäuses befinden. Der Schalter 3B kann natürlich auch durch ein Potentiometer ersetzt sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Referenzspannung ref1 bei Erdpotential, was eine einfache Lösung ist. Aus diesem Grunde ruft die Schaltung den Start des Motors nicht hervor, ohne den oben erwähnten Grundstrom des Motors, wie er vom Tor 4D vermit­ telt wird.

Wenn eine Einatmung an der Auslaßseite des Ventilators stattfin­ det, wenn also beispielsweise die Vorrichtung mit der Gasmaske verbunden ist, fällt der vom Ventilator aufgenommene Strom ab. Wenn die Einatmung oder Aspiration intensiv genug ist, wird der Eingangsstrom des Motors nahezu völlig abgestoppt, da die Strö­ mungsmenge bereits ausreicht. Bei Verwendung einer Maske ist ein solches Verhalten nicht ratsam, und dies ist der Grund, den Verstärker OP3 dem Schaltkreis in der Integrationsschaltung 7 hinzuzufügen, was die geringe Spannungsreduzierung, die an den Motorpolen während der Einatmungsphase stattfindet, verstärkt. An diesen Verstärker schließt sich der Spitzenwert-Detektor D2 an. Der nachfolgende Emitter 7T beeinflußt über den Widerstand 24 die Referenzspannung UV und damit die Umlaufgeschwindigkeit des Motors 1.

Auf diese Weise wird eine Schaltung vermittelt, die nahezu ideal arbeitet, da die Anordnung der Einatmungsintensität, verschie­ denen Filtern und deren Verstopfungsgrad wie auch Veränderungen der Batteriespannung Rechnung trägt. Mit Hilfe des Schalters 3B kann eine zugeführte Luftmenge von wenigstens 120 l/min ausge­ wählt werden, beispielsweise für Atemmasken (Hauben).

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 beeinflußt die Breite der Impulse, die durch die Torschaltung 4 an die Leittransistor­ schaltung vermittelt werden. Aufgrund der Impulsbreite-Modulation wird der Wirkungskoeffizient verbessert, und durch Modifizierung des Impulsverhältnisses kann die Betriebsspannung U1 am Motor beeinflußt werden.

Durch die Steuerung der Spannung U1 und damit auch der Umlaufgeschwin­ digkeit des Motors, was direkt die Menge der durchfließenden Luft beeinflußt, wird die Luftmenge im wesentlichen konstant ge­ halten, und zwar trotz der Veränderungen der Speisespannung und/ oder des Verstopfungsgrades des Filters.

Der Operationsverstärker OP2 vergleicht das Ausgangsniveau des Operationsverstärkers OP1 mit der Referenzspannung ref2. Wenn das eingestellte Niveau überschritten wird, wird die lichtemit­ tierende Diode LED in Betrieb gesetzt (leuchtet), und der Träger der Maske erhält auf diese Weise eine Anzeige dahingehend, daß der Akkumulator auszufallen beginnt und/oder das Filter verstopft. Diese Angabe sagt aus, daß der Ventilator nicht mehr in der Lage ist, die ausgewählte Menge der zufließenden Luft zu produzieren.

Um zu verhüten, daß die Vorrichtung aus Versehen mit einer schad­ haften Batterie betrieben wird, verhindert die Spannungsüberwa­ chungsschaltung 6, daß die Batterie zu sehr entladen wird, und zwar durch Unterbrechung der Stromversorgung der Vorrichtung und des Motors, wenn die Batteriespannung unter eine minimale Span­ nungsgrenze fällt (beispielsweise 4V).

Das beschriebene Regulierverfahren und die zugehörige Schaltung, wie sie oben beschrieben wurden, lassen sich auf verschiedenarti­ ge Atmungseinrichtungen anwenden. Mit Hilfe des Ventilators kann bei Benutzung einer geschlossenen Maske ein Überdruck und die gewünschte Luftströmung erreicht werden. Bei Verwendung offener Masken und Hauben als Atmungsabdeckungen, bei denen keine Druck­ differenzen erzeugt werden, kann dennoch die Luftmenge wirksam gesteuert werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Regulierung der dem Gesichtsteil einer Gasmaske oder anderen Atmungsabdeckung zugeführten Luftmenge, wobei die Gasmaske ein Filter, einen die Luftversorgung des Filters verstärkenden Ventilator, einen den Ventilator antreibenden Motor (1) sowie einen elektronischen Schaltkreis mit Betriebsschaltern (6A, 3B) zur Steuerung dieser Anordnung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Motor (1) fließende elektrische Strom (I) und zusätzlich zum Strom auch die Betriebsspannung des Motors als Istwert für eine Motor-Leistungsregulie­ rung herangezogen werden.

2. Gasmaske oder anderer Gesichtsteil einer Atmungsein­ richtung mit einem Filter, einem die Luftversorgung des Filters verstärkenden Ventilator, einem den Ventilator antreibenden Motor (1) sowie einem elektronischen Schaltkreis mit Betriebsschaltern (6A, 3B) zur Steuerung dieser Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Motor (1) fließende elektrische Strom (I) und zu­ sätzlich zum Strom auch die Betriebsspannung des Motors als Istwert für eine Motor-Leistungsregelung herangezo­ gen sind.

3. Gasmaske nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine konstante Luftmenge durch Steuerung der am Motor vorherrschenden Betriebsspannung (U1) erzeugt ist.

4. Gasmaske nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuerung durch Impulsbreite-Modulation ausgeführt ist.

5. Gasmaske nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die mit einem Integrations-Schaltkreis (7) verbundene Regulierschaltung die Leistung des Ventila­ tormotors (1) stufenlos an die Einatmungsintensität eines Benutzers der Gasmaske angepaßt ist.

6. Gasmaske nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerelektronik in einem staub- und flüssigkeitsdichten Gehäuse untergebracht ist.

7. Gasmaske nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsschalter (6A) des Ventilators und der Be­ triebsschalter (3B) zur Auswahl der Gebläseleistung als Reed-Schalter ausgebildet sind, welche durch außer­ halb des Gehäuses befindliche Magnete betätigbar sind.

8. Gasmaske nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen mit der Steuerelektronik verbundenen Detektor (LED), vorzugsweise eine lichtemit­ tierende Diode, der Bereich feststellbar ist, in dem der Ventilatormotor nicht in der Lage ist, die gewünschte, vorgewählte Menge an Gebläseluft zu erzeugen.

9. Gasmaske nach-einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Spannungsüberwachungsschaltung (6) vorgesehen ist, welche die Stromlieferung zum Motor (1) unterbricht, wenn die zugeführte Spannung (SJ) unter einen eingestellten Grenzwert abfällt.