Performance respiratoire des régulateurs - Breathing performance of regulators

Un graphique typique produit lors du test des performances respiratoires d'un détendeur de plongée

La performance respiratoire des détendeurs est une mesure de la capacité d'un détendeur de gaz respiratoire à répondre aux exigences qui lui sont imposées à des pressions et températures ambiantes variables, et sous des charges respiratoires variables, pour la gamme de gaz respiratoires qu'il est censé délivrer. Les performances sont un facteur important dans la conception et la sélection des régulateurs de respiration pour toute application, mais en particulier pour la plongée sous-marine , car la plage de pressions et de températures de fonctionnement ambiantes et la variété de gaz respiratoires sont plus larges dans cette application. Un détendeur de plongée est un dispositif qui réduit la haute pression dans une bouteille de plongée ou un tuyau d'alimentation de surface à la même pression que l'environnement du plongeur. Il est souhaitable que la respiration à partir d'un détendeur nécessite un faible effort même lors de la fourniture de grandes quantités de gaz respiratoire car c'est généralement le facteur limitant pour l'effort sous-marin, et peut être critique pendant les urgences de plongée. Il est également préférable que le gaz soit délivré sans à-coups sans aucun changement brusque de résistance lors de l'inhalation ou de l'expiration, et que le régulateur ne se bloque pas et soit ne parvienne pas à fournir du gaz ou soit à écoulement libre. Bien que ces facteurs puissent être jugés subjectivement, il est commode de disposer de normes permettant de comparer objectivement les nombreux types et fabricants différents de régulateurs.

Divers appareils respiratoires ont été développés et utilisés pour évaluer les performances des appareils respiratoires. Ansti Test Systems a développé un système clé en main qui mesure l'effort d'inspiration et d'expiration en utilisant un régulateur, et produit des graphiques indiquant le travail de respiration à la pression de profondeur et au volume respiratoire minute définis pour le mélange gazeux utilisé. La publication des résultats des performances des régulateurs dans la machine d'essai ANSTI a permis d'améliorer les performances.

Applications

Les performances respiratoires du régulateur sont pertinentes dans toutes les circonstances où un régulateur à la demande est utilisé pour fournir du gaz respiratoire. Dans certaines de ces applications, un régulateur très basique fonctionnera correctement. Dans d'autres applications, les performances du régulateur peuvent limiter les performances de l'utilisateur. Un régulateur haute performance pour une combinaison donnée de mélange gazeux et de pression ambiante fournira un faible travail de respiration à RMV élevé.

Un autre aspect de la performance respiratoire est la performance du régulateur à la demande dans l'eau froide, où un débit élevé peut provoquer un refroidissement suffisant pour verrouiller le mécanisme avec de la glace, ce qui provoque généralement un écoulement libre sévère avec une perte conséquente de gaz respiratoire, qui ne peut être arrêté. en fermant le robinet de la bouteille.

  • Plongée sous-marine - Tous les gaz respiratoires sont transportés dans des bouteilles à haute pression par le plongeur
    • Plongée récréative - Air et nitrox à des pressions ambiantes jusqu'à environ 30 msw
    • Plongée technique - Les pressions ambiantes peuvent largement dépasser 30 msw
      • Gaz mélangés - Respirer des gaz contenant de l'hélium pour limiter la narcose et le travail respiratoire
      • Gaz de décompression - Respirer des gaz avec des pressions partielles d'oxygène élevées, généralement une pression ambiante pas très élevée
  • Plongée en surface - Respiration de gaz provenant de la surface à une large gamme de profondeurs
  • Systèmes respiratoires intégrés dans les environnements hyperbares - Le gaz à haute teneur en oxygène est évacué vers l'extérieur via un régulateur d'échappement pour éviter un risque d'incendie élevé. Des performances élevées ne sont généralement pas nécessaires, car l'utilisateur est normalement au repos.
  • Administration d'oxygène pour les premiers soins lors d'accidents de plongée - Fraction d'oxygène élevée à la pression de surface, débit assez faible, mais l'utilisateur peut être blessé et avoir des difficultés à respirer.
  • Appareil respiratoire pour le travail dans des atmosphères irrespirables - Habituellement à des pressions ambiantes proches de la pression atmosphérique normale, air respirable. La cadence de travail peut être élevée mais ne doit pas être extrême. La respiration à pression positive peut être utilisée dans les atmosphères toxiques pour réduire le risque de contamination due aux fuites.
    • Appareil respiratoire autonome (ARA) pour le sauvetage et la lutte contre les incendies - Les utilisateurs peuvent devoir travailler dur dans des conditions difficiles, mais la plage de pression est généralement proche de la pression atmosphérique normale. La cadence de travail peut être extrême en cas d'urgence. Des masques à pression positive peuvent être utilisés, ce qui compensera le graphique de pression, mais n'augmentera pas nécessairement le travail net de la respiration.
  • Alimentation en gaz respiratoire d'urgence dans les sous-marins (BIBS) - Conditions de survie, à des pressions imprévisibles.
  • Alimentation en oxygène pour les avions non pressurisés - Basse pression ambiante due à la haute altitude. Alimentation en air enrichie d'oxygène supplémentaire. Le débit ne devrait pas être très élevé

Pertinence

Une personne en bonne santé au repos à la pression atmosphérique de surface ne consacre qu'une petite quantité d'effort disponible à la respiration. Cela peut changer considérablement à mesure que la densité du gaz respiratoire augmente à une pression ambiante plus élevée. Lorsque l'énergie dépensée pour éliminer le dioxyde de carbone produit plus de dioxyde de carbone qu'elle n'en élimine, la personne souffrira d'hypercapnie dans un cycle de rétroaction positive se terminant par une perte de conscience et finalement la mort. Le travail respiratoire est affecté par la fréquence respiratoire, le schéma respiratoire, la densité du gaz, les facteurs physiologiques et les détails de la dynamique des fluides de l'appareil respiratoire, ceux-ci étant la résistance au frottement au débit et les différences de pression nécessaires pour ouvrir les vannes et les maintenir ouvertes au débit.

La densité du gaz respiratoire peut être réduite en utilisant l'hélium comme composant de base, avec suffisamment d'oxygène ajouté pour s'adapter aux circonstances et conserver une pression partielle suffisante pour maintenir la conscience, mais pas au point de causer des problèmes de toxicité de l'oxygène. La résistance au frottement à l'écoulement est influencée par la forme et la taille des passages de gaz, ainsi que par la pression, la densité, la viscosité et la vitesse du gaz. La pression de fissuration des soupapes est un facteur de conception et de réglage des mécanismes de soupapes. La performance respiratoire des détendeurs suppose que la densité du gaz est spécifiée et mesure la résistance au débit pendant le cycle respiratoire complet avec un débit volumétrique donné sous forme de chute de pression entre l'embout buccal et l'environnement extérieur.

La mesure

Travail de respiration

Article principal: Travail de respiration

Le travail de respiration (WOB) est l'énergie dépensée pour inspirer et expirer un gaz respiratoire . Il est généralement exprimé en travail par unité de volume, par exemple, joules / litre, ou en tant que taux de travail (puissance), tel que joules / min ou unités équivalentes, car il n'est pas particulièrement utile sans référence au volume ou au temps. Elle peut être calculée en termes de pression pulmonaire multipliée par la variation du volume pulmonaire, ou en termes de consommation d'oxygène attribuable à la respiration.

Le travail total de respiration lors de l'utilisation d'un appareil respiratoire est la somme du travail physiologique de la respiration et du travail mécanique de la respiration de l'appareil. Dans un état de repos normal, le travail physiologique de la respiration constitue environ 5% de la consommation totale d'oxygène du corps. Il peut augmenter considérablement en raison de maladies ou de contraintes sur le débit de gaz imposées par un appareil respiratoire, la pression ambiante ou la composition du gaz respiratoire.

Test de fonctionnement à l'eau froide

Les procédures de test d'eau froide sans pilote de l' Unité de plongée expérimentale de l'US Navy (1994) ont été utilisées comme norme non officielle pour les tests d'eau froide par divers utilisateurs militaires et les principaux fabricants d'équipement.

La norme européenne CE en circuit ouvert EN 250 de 1993 a établi un niveau plus élevé pour les tests de plongée en circuit ouvert pour les performances respiratoires, les tests à l'eau froide, la preuve, la pression, les températures de stockage et les tests de lavage au CO 2 . La norme fixe également des exigences pour les modes de défaillance et l'analyse des effets , ainsi que d'autres problèmes liés à la fabrication, à l'assurance qualité et à la documentation. Cette norme a attiré l'attention sur des problèmes avec de nombreux équipements existants et a conduit à des améliorations majeures des performances des régulateurs de circuit ouvert.

Les premiers tests effectués par l'US Navy ont été à l'origine des tests de simulation d'appareils respiratoires sous-marins à la fin des années 1970. Les systèmes de simulateur de respiration construits par Stephen Reimers ont été achetés par le ministère de la Défense du Royaume-Uni et par certains fabricants d'équipements privés comme Kirby Morgan Diving Systems , et ont aidé à développer des normes européennes au début des années 1990, mais l'introduction d'un système de simulateur de respiration complet par ANSTI Test Systems Ltd au Royaume-Uni a rendu possible le test précis du simulateur de respiration qui est la pratique actuelle. Les systèmes informatisés de simulation respiratoire ANSTI ont rendu possible des tests plus rapides, plus faciles et plus précis, et sont conçus pour des tests à toutes les températures d'eau réalistes.

Le système comprend un contrôle précis de l'humidité et de la température d'expiration, ainsi qu'un contrôle de la température environnementale de l'eau de 0 à 50 ° C (32 à 122 ° F), des installations pour l'analyse du CO 2 souffle par cycle et le contrôle du point de consigne du recycleur en circuit fermé et des tests d'endurance de l'épurateur. Ni la norme EN250 ni les procédures de test sans pilote de l'US Navy n'utilisent aucun type de scénario de plongée humaine réel comme base pour les tests, y compris les tests en eau froide. La procédure de l'US Navy a consisté à tester les régulateurs principalement à une profondeur de 190 fsw (58 msw) dans de l'eau de 28 à 29 ° F (-2 à -2 ° C) à une fréquence respiratoire très élevée de 62,5 lpm pour un minimum de 30 minutes, avec une pression d'entrée au premier étage de 1500 livres par pouce carré (100 bar), ce qui se traduit par une température moyenne d'entrée au deuxième étage d'environ 7 ° F (-14 ° C), comparée à une moyenne de -13 ° F (-25 ° C) si 3000 livres par pouce carré (210 bar) étaient utilisés. Les critères de test de l'eau froide de la marine américaine et les critères de test de l'UE EN250 sont basés sur le fait que le détendeur satisfait aux exigences minimales de performance respiratoire et si un écoulement libre démarre ou non. Très peu de régulateurs peuvent passer ce test car tous les régulateurs formeront de la glace au deuxième étage dans des conditions de test extrêmes, bien que cela puisse ne pas entraîner la libre circulation du régulateur ou sortir des critères de performance.

Les tests d'eau froide spécifiés dans la norme EN250: 2000 ont des détendeurs de plongée testés dans de l'eau à 4 ° C (39 ° F) ou moins. Les régulateurs sont testés à la fois face à l'avant et face vers le bas. Le test commence à (50 msw) 165 fsw et le régulateur est respiré à 62,5 lpm pendant cinq minutes. Pour réussir, le détendeur doit rester dans les limites du travail de la respiration et ne doit pas s'écouler librement. La formation de glace n'est pas prise en compte tant que la glace ne dégrade pas les performances respiratoires au-delà des exigences de performance minimales et qu'elle ne s'écoule pas librement.

Le test CE utilise une alimentation en air commençant à la pression la plus élevée pour laquelle le régulateur est conçu et est respiré pendant cinq minutes à 62,5 l / min en utilisant une température d'expiration de 28 ± 2 ° C (82,4 ± 3,6 ° F) et une humidité relative d'expiration de non moins de 90%.

Machine ANSTI

Le simulateur de respiration ANSTI est évalué à une pression de service maximale de 100 msw. Il utilise un mécanisme à piston pour fournir un déplacement de volume précis et reproductible avec un mécanisme d'entraînement à onde sinusoïdale. Il a des réglages de volume courant et de fréquence respiratoire réglables qui peuvent fournir des taux de ventilation de 10 à 180 litres par minute.

Normes UE

Dans l' Union européenne, la norme EN250: 2000 Appareils respiratoires. Appareil de plongée autonome à air comprimé à circuit ouvert. Les exigences, les essais et le marquage définissent les normes de performance minimales pour les «appareils de plongée à air comprimé autonomes en circuit ouvert», et la norme BS 8547: 2016 définit les exigences relatives aux détendeurs à la demande à utiliser à des profondeurs supérieures à 50 m. La norme EN 13949: 2003 - Équipement respiratoire - Appareil de plongée autonome à circuit ouvert à utiliser avec le nitrox et l'oxygène comprimés - Exigences, tests, marquage définit les exigences pour les détendeurs à utiliser avec des niveaux élevés d'oxygène.

La norme contient des limites sur les pressions d'inhalation et d'expiration et le travail global de respiration. Elle spécifie ce qui suit, dans des conditions d'essai d'un rythme respiratoire de 62,5 litres (2,2 pi3) par minute et d'une pression ambiante de 6 bars (600 kPa):

  • Travail de respiration: <3,0 joules par litre
  • Pression respiratoire de pointe: ± 25 mbar (± 2,5 kPa) (inhalation ou expiration)
  • Travail d'inhalation de la respiration: <0,3 joule par litre
  • Pics de pression sans travail respiratoire positif mesurable: <10 mbar (1 kPa)
  • Pics de pression avec travail respiratoire positif mesurable: <5 mbar (0,5 kPa)

Bien qu'un régulateur répondant aux limites ci-dessus fournisse suffisamment d'air là où le premier étage alimente un seul deuxième étage, il n'est pas nécessairement capable de fournir suffisamment d'air en toutes circonstances lorsqu'un seul premier étage alimente deux seconds étages simultanément.

Normes connexes

En Europe, la norme EN 250: 2014 - Équipement respiratoire - Appareil de plongée autonome à air comprimé à circuit ouvert - Exigences, tests et marquage définit les exigences minimales pour les performances respiratoires des détendeurs, et BS 8547: 2016 définit les exigences pour les détendeurs à la demande à utiliser à profondeurs supérieures à 50 m. EN 13949: 2003 - Équipement respiratoire - Appareil de plongée autonome à circuit ouvert à utiliser avec le nitrox et l'oxygène comprimés - Exigences, tests, marquage. définit les exigences relatives aux détendeurs à utiliser avec des niveaux élevés d'oxygène.

EN 15333-1: 2008 COR 2009 - Équipement respiratoire - Appareil de plongée à gaz comprimé à alimentation ombilicale à circuit ouvert - Partie 1: Appareil à la demande. et EN 15333-2: 2009 - Équipement respiratoire - Appareil de plongée à gaz comprimé à alimentation ombilicale à circuit ouvert - Partie 2: Appareil à écoulement libre.

La norme IS EN 14143: 2013 - Équipement respiratoire - L'appareil de plongée autonome à re-respiration définit les exigences minimales pour les recycleurs.

Armée américaine

Dans l'armée américaine, la norme pour les détendeurs de plongée à tuyau unique était le MIl-R-24169B, maintenant retiré.

Voir également

Les références