DE3908057C2 - Verfahren zur Regulierung der einer Gasmaske zugeführten Luftmenge und Gasmaske, bei der dieses Verfahren angewandt ist - Google Patents
Verfahren zur Regulierung der einer Gasmaske zugeführten Luftmenge und Gasmaske, bei der dieses Verfahren angewandt istInfo
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893908057 DE3908057C2 (de) | 1989-03-13 | 1989-03-13 | Verfahren zur Regulierung der einer Gasmaske zugeführten Luftmenge und Gasmaske, bei der dieses Verfahren angewandt ist |
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DE19893908057 DE3908057C2 (de) | 1989-03-13 | 1989-03-13 | Verfahren zur Regulierung der einer Gasmaske zugeführten Luftmenge und Gasmaske, bei der dieses Verfahren angewandt ist |
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DE3908057A1 DE3908057A1 (de) | 1990-09-20 |
DE3908057C2 true DE3908057C2 (de) | 1997-03-20 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19893908057 Expired - Fee Related DE3908057C2 (de) | 1989-03-13 | 1989-03-13 | Verfahren zur Regulierung der einer Gasmaske zugeführten Luftmenge und Gasmaske, bei der dieses Verfahren angewandt ist |
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Family Cites Families (3)
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GB2032284B (en) * | 1978-10-02 | 1982-11-10 | Racal Safety Ltd | Breathing apparatus |
AU554194B2 (en) * | 1982-05-13 | 1986-08-14 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Respirator |
DE8807352U1 (de) * | 1988-06-06 | 1988-09-29 | Gesellschaft für Gerätebau mbH, 4600 Dortmund | Atemschutzmaske |
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1989
- 1989-03-13 DE DE19893908057 patent/DE3908057C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE3908057A1 (de) | 1990-09-20 |
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