Давление, расход и газовые законы; чтение пневмосхемы

Переводить единицы давления и расхода, которые встречаются на медицинской технике, применять те немногие газовые законы, что нужны на стенде, и прослеживать по реальному аппарату пневмосхему, нарисованную условными обозначениями по ISO 1219.

Давление и расход — два разных вопроса

Любой аппарат на газе, который вы будете обслуживать, — аппарат ИВЛ, наркозная станция, регулятор вакуума, кислородный концентратор, стоматологическая установка, лабораторный анализатор с пневмоклапанами — собран из одного и того же набора: источник газа под давлением, сужения, клапаны, которые открывают и закрывают пути, датчики, которые измеряют, и объёмы между ними. Прежде чем во всём этом разбираться, нужно чётко развести в голове две величины.

Давление — это сила на единицу площади, то есть напор, который может двигать газ. Расход — это количество газа, проходящего через точку за единицу времени. Электрическая аналогия полезна, хотя и не идеальна: давление ведёт себя как напряжение, расход — как ток, а сужение — как сопротивление. Газовая розетка, к которой ничего не подключено, может показывать полное давление при нулевом расходе — так же, как батарейка без нагрузки показывает полное напряжение. Как только вы начинаете отбирать расход, каждое сужение между источником и точкой измерения съедает часть давления.

Большинство ошибок в пневматике на выездах — от смешения этих двух величин. «Давление в норме», измеренное статическим манометром, ничего не говорит о том, сможет ли подача дать расход, который аппарат ИВЛ требует на пике вдоха. «Расход выставлен правильно» ничего не говорит о том, хватит ли давления после него, чтобы открыть клапан. Всегда выясняйте, о какой из двух величин на самом деле жалоба, и измеряйте именно её — в тех условиях, при которых проявляется неисправность.

Избыточное, абсолютное и дифференциальное давление

Значение давления ничего не значит, пока не известно, относительно чего оно измерено. Избыточное (манометрическое) давление отсчитывается от окружающей атмосферы: открытый порт показывает ноль. Абсолютное давление отсчитывается от полного вакуума: открытый порт показывает барометрическое давление — около 101 кПа на уровне моря и заметно меньше в горах. Дифференциальное давление — это разность между двумя точками, и именно её на самом деле измеряет большинство датчиков потока.

Документация, манометры и сервисные экраны не всегда уточняют, какое давление имеется в виду. Давление в трубопроводе и в баллоне почти всегда избыточное. Газовые законы работают только с абсолютными значениями. Датчики кислорода реагируют на парциальное давление кислорода, которое зависит от абсолютного давления. Если два показания расходятся примерно на одну атмосферу, первым делом подозревайте, что одно из них абсолютное, а другое избыточное. Отсасыватели добавляют путаницы: вакуум часто показывают как отрицательное избыточное давление, иногда как положительное число с подписью «вакуум», и правило знаков у разных аппаратов разное.

Единицы, которые вы встретите, и как их переводить

Медицинская техника с разных рынков использует разные единицы для одной и той же величины, иногда на одном аппарате: давление подачи — в кПа, бар или psi; давление в дыхательных путях — в см вод. ст., гПа или мбар; вакуум — в кПа, мм рт. ст. или дюймах рт. ст.; расход — в л/мин или мл/с. Выучите несколько переводов ниже настолько, чтобы делать их в уме с точностью до двух значащих цифр, и всегда пишите единицу рядом с каждым записанным числом. Число без единицы в сервисном акте — не измерение.

• 1 бар = 100 кПа = 1000 гПа = 1000 мбар, около 14,5 psi.
• 1 psi — около 6,89 кПа; 50 psi — около 345 кПа, или 3,45 бар.
• 1 см вод. ст. — около 0,98 гПа (98 Па); для давлений в дыхательных путях гПа, мбар и см вод. ст. отличаются примерно на 2%.
• 1 кПа — около 10,2 см вод. ст.; 1 мм рт. ст. — около 0,133 кПа, или 1,36 см вод. ст.
• Стандартная атмосфера = 101,325 кПа = 1,013 бар, около 760 мм рт. ст., или 14,7 psi.
• 1 л/мин — около 16,7 мл/с; 60 л/мин = 1 л/с.
• Расход также приводят к разным условиям газа (ATPS, BTPS, STPD или «стандартные литры»); прежде чем сравнивать два показания, проверьте, к каким.

Газовые законы, которыми инженер реально пользуется

Закон Бойля — Мариотта: при постоянной температуре произведение давления на объём для данного количества газа постоянно (давление абсолютное). Отсюда повседневная оценка содержимого баллона: объём свободного газа примерно равен водяной ёмкости баллона, умноженной на давление в баллоне в барах (при высоком давлении наполнения для оценки годится и избыточное давление). 10-литровый баллон при 150 бар содержит примерно 1500 литров газа при атмосферном давлении. Реальные газы при высоком давлении отклоняются от закона, и последнее слово за этикеткой или таблицей поставщика, но такой оценки хватает, чтобы сказать медсестре, хватит ли баллона на транспортировку. Для закиси азота и углекислого газа, которые хранятся в жидком виде, это не работает: давление в их баллоне почти не меняется, пока не кончится жидкость, поэтому содержимое определяют взвешиванием.

Законы для температуры: при постоянном объёме абсолютное давление растёт и падает пропорционально абсолютной температуре. Вы встретите это в двух местах. Баллон, оставленный на солнце, показывает больше, чем баллон на прохладном складе. А при проверке на утечку газ, быстро закачанный в замкнутый объём, нагревается, затем остывает до комнатной температуры, и его давление падает — это выглядит в точности как утечка, если запустить секундомер слишком рано. К этому вернёмся в уроке 7.

Закон Дальтона: общее давление смеси равно сумме парциальных давлений её компонентов. Датчики кислорода измеряют парциальное давление, а не процент. В горах или когда датчик стоит в участке контура под давлением, те же 21% дают другое парциальное давление и другой сигнал датчика. Поэтому датчики кислорода калибруют там и так, где и как ими пользуются, и поэтому часть аппаратов компенсирует барометрическое давление.

Как газ проходит через сужение

Газ, который медленно и плавно течёт по длинному узкому каналу, течёт ламинарно: падение давления пропорционально расходу и очень чувствительно к диаметру канала — в круглой трубке оно зависит от четвёртой степени радиуса, поэтому если вдвое уменьшить внутренний диаметр шланга или импульсной трубки, сопротивление вырастет примерно в шестнадцать раз. Более быстрый поток через короткие отверстия и изгибы становится турбулентным: падение давления тогда растёт примерно как квадрат расхода. Частично перегнутый шланг или грязный металлокерамический фильтр ведут себя нормально на малом расходе и «проваливаются» на большом — вот почему подачу проверяют под расходом.

Когда абсолютное давление перед маленьким отверстием примерно вдвое или больше превышает абсолютное давление за ним, поток через него становится критическим (запертым): в самом узком месте газ достигает скорости звука, и расход перестаёт зависеть от давления после отверстия. Конструкторы пользуются этим, чтобы делать простые и стабильные источники расхода: калиброванное отверстие, питаемое от редуктора, даёт почти постоянный расход независимо от того, что к нему подключено дальше. Для вас это значит две вещи: расход напрямую зависит от давления, которым редуктор питает отверстие, поэтому дрейфующий редуктор уводит и расход; а частично забитое отверстие снижает расход без каких-либо других симптомов.

Чтение пневмосхемы

Сервисная документация показывает газовый тракт в виде пневмосхемы. Производители используют обозначения на основе ISO 1219-1 — международного стандарта на условные графические обозначения гидро- и пневмоприводов — со своими вариациями. Схема — это карта функций, а не физического расположения: два клапана, нарисованные рядом, могут стоять в разных концах аппарата, а один блок на чертеже может оказаться коллектором из десяти деталей. Схемы рисуют в исходном состоянии — питание выключено, давления нет, пружины разжаты, — поэтому нормально закрытый клапан нарисован закрытым.

Клапан изображают одним квадратом на каждую позицию переключения. Внутри квадрата стрелки показывают пути потока, а Т-образные знаки — заглушённые порты. Квадрат, который касается соединительных линий, — исходная позиция; представьте, что при срабатывании клапана квадраты сдвигаются. Обозначение «клапан 3/2» означает три порта и две позиции. Приводы рисуют по краям: пружина, электромагнит (небольшой прямоугольник с диагональной линией), пилотная линия, ручная кнопка. В промышленной пневматике порты нумеруют по общей схеме — 1 подача, 2 и 4 выходы, 3 и 5 выхлоп, — но производители медтехники часто используют свои обозначения, поэтому читайте легенду.

• Сплошная линия — основной газовый тракт. Штриховая линия — пилотная или управляющая линия либо измерительная линия.
• Круг со стрелкой — манометр. Ромб с линией — фильтр; с дренажом — влагоотделитель.
• Шарик на V-образном седле — обратный клапан; с пружиной ему нужно давление открытия.
• Квадрат со смещённой стрелкой, пружиной и штриховой пилотной линией от входа — предохранительный клапан.
• Сужение между двумя дугами — постоянный дроссель; с диагональной стрелкой через него — регулируемый.
• Квадрат с пружиной и пилотной линией от выхода — редуктор (регулятор давления, редукционный клапан).
• Клапан с наклонной стрелкой через привод или корпус — пропорциональный (плавно регулируемый) клапан.

Чек-лист на объекте

• Носите с собой карточку перевода кПа, бар, psi, см вод. ст., гПа, мм рт. ст. и л/мин.
• Рядом с каждым записанным давлением пишите единицу и «изб.» или «абс.».
• Пользуйтесь поверенным эталонным манометром с подходящим диапазоном (не читайте 5 см вод. ст. на манометре на 10 бар).
• Измеряйте давление подачи под расходом, а не только в статике.
• Держите пневмосхему каждой обслуживаемой модели со своими пометками о физическом расположении деталей.

Проверьте себя