用于控制呼吸气体供应的方法

用于控制呼吸气体供应的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于控制向紧急供氧装置的一个或多个呼吸面罩供应呼吸气体的方法以及一种用于执行这种方法的紧急供氧装置。
【背景技术】
[0002]目前，常规的、巡航高度在10000米以及以上的喷气式飞机配有加压舱，在有充足新鲜空气供应的情况下，在加压舱中会产生用于确保对乘客供氧的机舱压力。当压力在这种高度下意外下降时，为了确保对乘客的供氧而设有紧急供氧系统，当发生减压，即机舱压力下降时，利用这些系统可以向乘客供应足量的氧气。这样的系统通常具有氧气压力容器或化学氧气发生器，其将足量的呼吸气体或氧气通过管道系统输送到用于向乘客供氧而设置的呼吸面罩上。在此，将紧急氧气系统设计为，在最大的预期飞行高度上确保对乘客有充足的氧气供应。但是，随着飞行高度的降低，由于环境大气中的氧气含量增加，因此对氧气的需求也将减少。
[0003]由于无论是在压力容器中还是在发生器中，氧气的携带都是一个不小的重量，其必须在飞机中随飞机携带并且不再能够补充充气，因此始终需要尽力使所携带的氧气或呼吸气体的量保持在尽可能低的水平。为了实现这一目的，可以按照相关规定根据机舱压力来控制要输送到呼吸面罩的氧气或呼吸气体的量。在减压情况下，机舱压力很大程度上与周围环境中的空气压力相符，而空气压力基本上与高度相关。在相关规定中已设定了根据高度、也就是根据机舱压力来对乘客供应的氧气量。在此，始终不仅需要努力使氧气量尽可能地接近最低的规定值，以使氧气消耗尽可能保持在较低的水平，而且还要尽力使所需要的相关技术设备构造得轻便、廉价。
[0004]在现有技术中，专利文献EP 2004294B1提出根据机舱压力、即高度并利用开/关阀来控制对呼吸面罩的氧气供应，在此，通过阀门的脉冲宽度调制来实现量的控制。
[0005]这样做的缺点在于:一方面，生成脉冲宽度调制信号所需要的PID模块相对昂贵，另一方面，操作阀门所需要的能量是相对高的，因为必须按照脉冲宽度调制的频率来控制这些阀门非常短时地接连打开，并根据键控度(Tastgrad)使阀门在一个时长内保持打开。相应地，阀门必须具有较高的开关使用寿命。

【发明内容】

[0006]在这样的背景下，本发明的目的在于提供一种用于控制呼吸气体供应的方法，即，其一方面利用这种低成本、耐用的开/关阀工作，而另一方面又具有较低的能量消耗并且在控制技术上适于实现。
[0007]此外还提供了一种用于紧急供氧的装置，该装置按照所述的方法工作且制造成本低廉、能耗少，但同时能够实现精确控制，以使氧气消耗尽可能得低。
[0008]本发明的目的的方法部分和本发明的目的的装置部分通过本申请给出的方案来实现。在此，在本申请中给出的多个特征可以分别自身但还在合适的组合中设计根据本发明的技术方案。
[0009]根据本发明的方法用于在飞行器、特别是飞机上控制从压力输送供应管道向紧急供氧装置的一个或多个呼吸面罩供应呼吸气体、特别是氧气，其中，在供应管道与一个或多个呼吸面罩之间设有开/关阀，通过该开/关阀可以截断或开放管道连接，在该方法中，预先设定与机舱压力相关的额定质流(Soll-Massenfluss，质量流)，例如在相关规定中给出的用于紧急供应乘客的额定质流，并确定实际质流(Ist-Massenfluss)，即针对一个或多个氧气面罩的质流。在此，在根据本发明的第一方法步骤中，控制阀门长时间地打开，直至实际质流与额定质流之间在时间上的累加误差超过预设的最大误差值，此后在第二方法步骤中，控制阀门关闭，直至实际质流与额定质流之间在时间上的累加误差超过预设的最小误差值，之后重复以第一方法步骤开始的该循环。
[0010]对实际质流的确定可以例如通过质量或体积流量传感器来实现，或者也可以其他合适的方式来实现。例如，如果在开/关阀与去往呼吸面罩的一个或多个供应管道之间设有喷嘴，则将该喷嘴设计为，其能够在所期望的工作范围内以超音速、即超临界地(Uberkritisch)被流过，则喷嘴之前的压力基本上与通过喷嘴的质量流即质流成比例，由此使得可以根据压力来确定去往乘客氧气面罩的质流。
[0011]因此，不同于现有技术中的根据固定频率来调整矩形脉冲的采样度，即脉冲的宽度，而根据本发明的方法的基本思想在于，首先控制阀门长时间地打开，直至在实际质流与根据机舱压力预先设定的额定质流之间在时间上的累加误差超过预设的最大误差值，也就是说，阀门长时间地保持打开，直至有比根据机舱压力所需要的更多的氧气被输送给一个或多个氧气面罩。只有当实际质流，即在时间上累加的氧气量超过针对该时间所设定的额定质流一定的程度，即预设的最大误差值时，阀门将换向，以便在第二方法步骤中控制阀门长时间地关闭，直至在实际质流与额定质流之间在时间上的累加误差超过预设的最小误差值，即，阀门长时间地保持关闭，直至有比根据机舱压力所需要的更少的氧气被输送到一个或多个氧气面罩，此后重复始于第一方法步骤的该循环。在此，在后续的方法步骤中需要对之前过多的供应或之后过少的供应加以考虑。很明显，通过阀门的交替换向，可以使先前基于设定的误差值而过多供给的氧气量在接下来的控制阀门关闭的方法步骤中加以考量，从而即使在开关循环数量相对较少的情况下仍然能够实现非常高的调节精度。
[0012]根据本发明的方法本身原则上是适于用来控制呼吸气体供应的，S卩，其可以可选地用于对几乎任意的呼吸气体、但特别是氧气的供应控制。在供氧过程中，呼吸面罩以公知的方式配备有前置连接的被看做是用于氧气供应的缓冲器的呼吸袋并具有空气补充阀，其原则上被视为现有技术。
[0013]需要指出的是，根据本发明的方法尽管是基于实际质流和额定质流来工作，但是这些值也可以通过体积值，也就是体积式的流量检测来实现。
[0014]在根据本发明的方法的一种有利扩展方案中，利用计算单元来确定额定质流，在此，默认值是通过表格式存储的值即表格并利用曲线或计算规则根据机舱压力来确定。机舱压力在此取决于飞行高度和由其得出的周围空气中的氧气含量，该氧气含量原则上也可以通过测量技术来检测。
[0015]根据本发明的方法可以确保始终有足够的氧气供应给乘客。这一点可以在连续地或在足够短的时间间隔内(例如在I毫秒至10ms之间)进行实际质流测量时来保证。最大误差值有利地设置为介于超过额定质流10%与100%之间。该最大误差值越高，开关循环的数量就越少。最小误差值应该有利地位于低于额定质流10%与50%之间，在此适用的是，阀门的开关频率随着误差大小的增大而降低。
[0016]误差值应该适宜地选择为，在平均时间内，实际质流至少与额定质流相符或有利地略大于额定质流，以确保能够在任何情况下向乘客提供足够的氧气。
[0017]在此，有利地将误差值选择为，在第一循环之后，使实际质流与额定质流相符或大于额定质流。
[0018]与根据现有技术的方法相比，根据本发明的方法可以降低开/关阀的开关频率。因此可以使用开关使用寿命较短的阀门，或者说在开关使用寿命相同的情况下保证更高的可靠性。
[0019]当使用双稳态开/关阀、优选为双稳态开/关电磁阀时，采用根据本发明的方法是特别有利的，因为利用这样的阀可以进一步地节约能源，这是由于此时仅产生一个开关脉冲来使阀门换向，在此，特别是在打开状态下不需要提供更多的能量，这与通常使用简单的电磁阀时的情况相同。
[0020]本发明还提出了一种用于执行根据本发明的方法的装置，如本发明一样还设置为，该装置具有氧气或呼吸气体储存器或氧气发生器以及用于输送氧气或呼吸气体的压力管道，该压力管道用于供应一个或多个呼吸面罩并具有用于使压力管道打开或关闭的开/关阀。该装置还具有用于确定通过阀门的质流(实际质流)的器件和控制与调节电子器件，该控制与调节电子器件根据机舱压力传感器的信号来确定额定质流，并根据所确定的实际质流来控制阀门。在此，对控制与调节电子器件进行调整，以能够执行根据本发明的方法，也就是说，被设计用于预设最小误差值和最大误差值。此外，将控制与调节电子器件设计为，在时间上累加实际质流以及由此确定实际质流与额定质流之间的误差值，并将该误差值与事先设定的误差值进行比较。
[0021]根据本发明的一种有利扩展方案，开/关阀是双稳态开/关阀，优选为双稳态开/关电磁阀。这种电磁阀对于换向只需要一个开关脉冲，即在运行中是非常节能的，这使得能够节约用于紧急供应的电力资源。
[0022]为了执行根据本发明的方法，有利地将根据本发明的装置的控制与调节电子器件设计为用于确定和/或设定误差值，当达到和超过该误差值时，阀门换向。即，控制与调节电子器件被设计用于随时间累加所确定的实际质流以及用于设定相应的误差值。
[0023]原则上，连接在压力管道上的呼吸面罩的数目可以是任意的，但如果在压力输送管道上连接二至六个呼吸面罩并通过一个开/关阀来控制是特别有利的。在此有利地，对呼吸面罩的供给分别通过前置连接的呼吸袋来实现，如原则上在这种装置中将其视为现有技术一样。
[0024]实际质流可以有利地通过流量传感器来确定，流量传感器设置在开/关阀与呼吸面罩特别是连接于呼吸面罩的管道之间的管路中。
[0025]由于流量传感器在技术上相对复杂，因此在本发明的一种扩展方案中，有利地可以使喷嘴后置连接开/关阀，并将喷嘴的尺寸确定为，在所要求的操作范围内能够设置超音速流，即超临界的流动，其中，流量基本上是与出现在喷嘴上的压力成比例的。有利地，在开/关阀与喷嘴之间设有压力传感器，在此，根据压力的时间进程来确定实际质流。
【附图说明】
[0026]下面将参照附图中所示的实施例对本发明做详细说明。在附图中:
[0027]图1示出了在飞机上用于紧急供氧的装置的线路图，
[0028]图2示出了依赖于机舱压力的额定质流的曲线，
[0029]图3示出了与时间进程相匹配的三个图表，即
[0030]图3a示出了累加实际质流，
[0031]图3b示出了在时间上的实际质流，
[0032]图3C示出了