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                                  JÖRG ZIMMERMANN poseidon 2&3/1970

Prüfgerät 1965
Prüfgerät 1968

MessgerätEines der Hauptkriterien für die Qualität eines Lungenautomaten ist der Atemwiderstand. Ihn so klein wie möglich zu machen, ist bei allen Eigenbauten das Bestreben und oft leider unerreichtes Ziel.
Der folgende Beitrag befaßt sich daher mit einigen Fragen des Atemwiderstandes bei Lungenautomaten, beginnend mit der Messung bis zu Methoden seiner Verringerung durch konstruktive Maßnahmen.

I. Prüfgerät für Lungenautomaten - selbstgebaut

Bild1Viel ist schon über Reglerprüfgeräte geschrieben worden (poseidon 5/65, 5/68, 5/69), doch noch immer überprüfen die meisten Taucher ihre Geräte vor dem Einstieg, nach Überholungen, manche sogar einen neuen Lungenautomaten nach der Fertigstellung nur durch mehrmaliges Durchatmen. Dabei wird dann festgestellt, daß bei einem tiefen Atemzug das Einatmen schwerer wird - objektive Werte aber erhält man nicht. Im folgenden soll daher ein einfaches Prüfgerät für Lungenautomaten zum Selbstbau mit einfachsten Mitteln beziehungsweise im Haushalt vorhandenen Geräten beschrieben werden.
Doch zuvor noch einiges zu prinzipiellen Meßverfahren und Meßgrößen.
Unter "Atemwiderstand" verstehen wir den Druckabfall, dem ein bestimmter Luftstrom beim Passieren der Atemwege unterliegt (anlog zur Elektrotechnik: An einem Widerstand entsteht bei Fließen eines Stromes ein Spannungsabfall U = R x I, Bild 1).
Der Atemwiderstand eines PTG von 40mmWS bedeutet also, daß beim Einatmen in der Mundstückkammer ein Unterdruck von 40mmWS erzeugt werden muß, damit eine bestimmte Luftmenge je Zeiteinheit (Luftstrom) aus dem Regler durch Einatemschlauch, -Ventil und Mundstückkammer in die Atemwege des Menschen gelangen kann.
Der Druckabfall läßt sich als Funktion des Luftstromes darstellen, er wächst mit steigendem Luftstrom, aber nicht wie im einfachen Stromkreis dem Spannungsabfall proportional, sondern wesentlich stärker (Bild 2).
Bild 2Für Berechnungen (z.B. Tauchzeit) legen wir ein Atemminutenvolumen von 30l zugrunde. Dieser Wert läßt aber keine Rückschlüsse auf die Luftmenge zu, die die Atemwege in einem bestimmten Zeitpunkt passiert: Zu Beginn der Einatmung beträgt die Strömungsmenge 0, steigt auf ein Maximum, um dann wieder auf 0 zurückzugehen, die Ausatmung erfolgt genauso.
Wird zur Prüfung des Reglers ein gleichmäßiger Luftstrom verwendet (statische Meßmethode), muß dieser so groß sein wie das Maximum bei der Atmung. Nehmen wir an, daß der Verlauf des Luftstromes bei der Atmung etwa einer Sinus-Kurve folgt, läßt sich ein Spitzenwert von 94,2 l/min errechnen [1]. In anderen Angaben wird von 85 bzw. 100 l/min gesprochen [2, 3]. Die bei einem Luftstrom von 100 l/min gemessenen Werte des Atemwiderstandes eines Gerätes liegen dann im Bereich der Spitzenwerte des Druckabfalls bei der Beatmung durch den Menschen.
Es ist also nicht ausreichend, den Regler mit einem konstanten Luftstrom von 30l/min zu überprüfen, die so erhaltenen Werte sind wesentlich kleiner als die im Betrieb auftretenden Spitzenwerte.
In Wirklichkeit weicht die Luftstromkurve der Atmung wesentlich von der Sinusform ab, so daß es günstiger wäre, den Lungenautomaten an einer künstlichen Lunge zu überprüfen, gleichzeitig ließen sich dabei die Einschwingvorgänge des Reglers erfassen (dynamische Meßmethode). Das ist jedoch apparativ wesentlich aufwendiger. Ein vereinfachtes Gerät für solche Messungen wird in einer der folgenden Ausgaben beschrieben, hier wird dann auch auf die Messung der zur Atmung aufzuwendenden Arbeit eingegangen.
Bild 3 & 4Für den Tauchsportler reicht im allgemeinen die statische Messung aus, selbst die mit einfachsten Geräten erhaltenen Meßwerte sind hinreichend genau. Die zu erfassenden Parameter sind Durchflußmenge und Atemwiderstand.

1. Das Flüssigkeitsmanometer

Zur Messung des Atemwiderstandes benötigt man ein Manovakuummeter mit einem Meßbereich von etwa +/- 100mmWS. Zeigermanometer für diesen Bereich sind meist teuer und schwer zu beschaffen, doch für unsere Zwecke reicht ein Flüssigkeitsmanometer (U-Rohr) vollständig aus (Bild 3).
Hierzu wird ein Glasrohr (Innendurchmesser drei bis fünf Millimeter) U-förmig so gebogen, daß die Schenkel eine Länge von 200 bis 250 mm haben. Neben einem Schenkel wird eine Skala mit Millimeterteilung befestigt. Sie soll nach oben und unten verschiebbar sein, damit der Nullpunkt nach dem Füllen des Rohres mit dem Wasserstand in Übereinstimmung gebracht werden kann. Die Nullmarke soll sich in der Mitte der Skala befinden, ausgehend davon trägt man den Unter- und Überdruckbereich auf. Um besser ablesen zu können, färbt man das Wasser mit etwas Tusche oder ähnlichem an. Ein Schenkel des Rohres wird über einen dünnen Gummischlauch mit dem Mundstück verbunden, wer viele Geräte des gleichen Typs zu prüfen und eine Mundstückkammer übrig hat, lötet in diese ein kurzes Anschlußrohr ein. Die Atemschläuche des zu prüfenden Gerätes werden dann jeweils mit dieser Kammer verbunden. Wem das zu aufwendig ist, der nimmt einfach das Mundstück in den Mund und schiebt den Schlauch mit zwischen die Lippen. Beim gleichmäßigen, tiefen Atmen wird nun der Ein- und Ausatemwiderstand gemessen.

Vorsicht: Wer vergißt, die Flaschen aufzudrehen, atmet die Meßflüssigkeit ein!

Wer kein Glasrohr zur Hand hat oder befürchtet, daß dies zu leicht zerbricht, kann sich auch anders helfen: Er kauft im nächsten Kfz-Geschäft ein Stück durchsichtigen Benzinschlauch und verwendet ihn in der gleichen Form. Das so ausgeführte Gerät ist sehr robust und wird sich auch unter harten Bedingungen im Taucherlager gut bewähren.
Diese "dynamische" Prüfmethode gestattet zwar hinreichend genau die Messung des Ein- und Ausatemwiderstandes, doch ist das Ablesen durch das ständige Schwanken des Wasserstandes nicht leicht, es kommt schnell zu Meßfehlern, und außerdem bleibt die Durchflußmenge nicht bestimmt.

2. Das Gebläse

Um auch die Durchflußmenge messen zu können, ist es notwendig, einen größenmäßig regelbaren Luftstrom aus dem Gerät abzusaugen.
Gut eignet sich dazu ein Staubsauger, seine Leistung reicht bei weitem aus und bei schonender Behandlung ist er sogar anschließend im Haushalt noch zu verwenden.
Die Saugleistung ist je nach Typ und Alter verschieden, aber im allgemeinen weit höher als die für unseren Zweck erforderlichen 100 l/min. Daher ist es notwendig, ein Manipulierventil (Dreiwegehahn) zwischenzuschalten, damit zusätzlich Luft aus der Atmosphäre angesaugt werden kann (Bild 4).
Eine Drossel (Querschnittsverengung) ist zwar einfacher, überlastet aber den Staubsauger (fehlende Kühlung durch zu geringen Luftstrom, Motorwicklungen können durchbrennen).
Bei Staubsaugern mit eingebauter Saugluftregulierung übernimmt diese die Funktion des Dreiwegehahns (z. B. Omega-Handstaubsauger 7000.8).

Die Messung der Luftmenge kann auf verschiedene Weise erfolgen, apparativ am einfachsten ist sie über das Gerätefinimeter. 100 l/min Luftdurchsatz entsprechen bei einer 7-l-Flasche einem Absinken des Flaschendrucks um etwa 14 kp/cm2 in der Minute. Diese Luftmenge mit dem Manipulierventil einzustellen, erfordert einiges Fingerspitzengefühl. Vorteilhaft verwendet man statt des Gerätefinimeters ein größeres, genaueres Manometer.
Einfacher wird das Messen bei dem in Bild 3 gezeigten Verfahren. Hier wird durch ein zweites Flüssigkeitsmanometer der Druckunterschied, der beim Durchtritt der Luft durch eine Drossel (Querschnittsverengung) entsteht, gemessen. Wird die Skala des U-Rohres entsprechend geeicht, kann der Luftstrom direkt abgelesen werden.
Als Drossel kann ein Stück PVC-Rohr verwendet werden, das an einer Stelle erwärmt und etwas zusammengedrückt wird. Stehen keine weiteren Meßgeräte zum Eichen des Gerätes zur Verfügung, muß das Eichen wie oben beschrieben oder Zeit- und Flaschendruckmessung mit Umrechnung erfolgen, die Skala wird dann entsprechend markiert.

Beim Einschalten des Gebläses müssen das Manipulierventil ganz geöffnet und die Flaschenventile ebenfalls offen sein, sonst wird die Meßflüssigkeit in die Leitung gesaugt. Das passiert auch, wenn beim Messen der Luftvorrat zu Ende geht und nicht rechtzeitig abgeschaltet wird. Bei Durchflußmengen über 20 l/min kann der Regler einfrieren! Mit diesem Aufbau läßt sich auch der Ausatemwiderstand messen, hier wird nur der Anschluß am Gebläse geändert.

Es ist nun möglich, Reglerkennlinien - Atemwiderstand in Abhängigkeit von Durchflußmenge und Flaschendruck - aufzunehmen und Widerstände von Bauteilen, wie Atemschläuche und Ventile, einzeln zu messen.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 2. Teil, neue Bildnummerierung

Nachdem bisher einige grundlegende Fragen zum Begriff des Atemwiderstandes behandelt und ein Gerät zur Messung des Atemwiderstandes für den Selbstbau beschrieben wurde, sollen im Weiteren einige Gründe, die zur Entstehung des Atemwiderstandes führen, untersucht werden.

II. Wege zur Verringerung des Atemwiderstandes

Um den Atemwiderstand bei gleich großer Durchflußmenge (Luftstrom) zu verringern, müssen die im Luftweg Luftvorratsbehälter - Regler - Schlauch - Ventil - Mundstück - Ventil - Schlauch - Wasser vorhandenen Widerstände so klein wie möglich gemacht bzw. ausgeschaltet werden.

Prinzipiell ist es durch entsprechende konstruktive Maßnahmen möglich, Tauchgeräte mit minimalem Atemwiderstand zu bauen. Doch auch aus fertigen industriell hergestellten oder Eigenbaureglern läßt sich meist noch einiges "herausholen". Dazu wird untersucht, in welchen Bauteilen und warum Druckabfall entsteht.

1. Die Lageabhängigkeit der Lungenautomaten

Bild II-1Der Atemwiderstand jedes Lungenautomaten setzt sich im Grunde aus zwei Komponenten zusammen:

a) dem Druckabfall, verursacht durch mechanische und strömungstechnische Einflüsse, wie Federdruck und Druck des Atemgasvorrates auf Ventile und Hebel, mechanische Reibung in Lagern, Masse und Trägheit der Hebel, Wirbelbildung in Faltenschläuchen u. a. m.

Dieser Atemwiderstand wird bei der Prüfung des Reglers an der Wasseroberfläche mit dem Meßgerät gemessen.

b) dem Atemwiderstand unter Wasser, verursacht durch den Höhenunterschied zwischen Lungenmittelpunkt und Regler oder genauer gesagt der Reglermembrane.

Bei den herkömmlichen Tauchgerätetypen (MEDI 713, Hydromat TB 01 bis 03, Ukraina, Atlantik) befindet sich der Regler auf dem Rücken des Tauchers in Höhe der Schulterblätter, liegt also h = 250...300 mm über dem Lungenmittelpunkt, wenn sich der Taucher in Schwimmlage befindet.
Der Einatemwiderstand wird in diesem Fall 250...300mmWS größer als der an der Luft gemessene Atemwiderstand sein [1]. Diese Vergrößerung wird allerdings von einem geübten Taucher meist nicht wahrgenommen, da sie der Zunahme des Atemwiderstandes beim Schnorcheltauchen entspricht, also zum Aufenthalt unter Wasser "dazugehört".
Bei dieser Anordnung des Lungenautomaten wird das Verhältnis bei einem aufrecht stehenden Taucher besser (h wird kleiner) und kehrt sich in Rückenlage des Tauchers um. Ist h (mm) dann größer als der Ansprechdruck des Reglers (Mindestdruck, bei dem der Regler Luft abgibt) - und das wird meist der Fall sein -, "schiebt" der Lungenautomat. Günstigere Werte sind mit Reglern zu erreichen, die auf der Brust des Tauchers getragen werden, oder mit sogenannten "Einschlauchreglern" (MEDI Hydromat 66 (Bild II-1).

atembremsen1b.jpg (95119 Byte) Dieser Reglertyp besitzt gegenüber dem herkömmlichen Lungenautomaten eine Reihe Vorteile, die ihn immer breitere Anwendung finden lassen. Da er aber gegenüber dem Zwei-Schlauch-Automaten keine zusätzlichen Bauteile aufweist, soll er im Rahmen dieses Beitrages nicht näher untersucht werden.

Es gibt eine Reihe von Versuchen, die Lageabhängigkeit der Zwei-Schlauch-Regler zu kompensieren (Anordnung zusätzlicher Ventile im Regler, gewichtsbelastete Membranen). Breiten Eingang in die Praxis hat bisher keine dieser Methoden gefunden.

2. Druckabfall in Atemschläuchen, Ventilen und Mundstückkammern

Einige grundlegende Fragen zur Strömung von Gasen wurden von PADELT [2] behandelt und sollen hier nicht weiter berücksichtigt werden.
Bei der in den Faltenschläuchen vorhandenen turbulenten Strömung ist die je Zeiteinheit durchfließende Luftmenge abhängig von Druckdifferenz, Gasdichte und Innendurchmesser des Schlauches. Die Luftmenge resultiert aus der Arbeitsleistung des Tauchers, die Gasdichte ist durch das verwendete Gasgemisch (im allgemeinen Preßluft) und die Tauchtiefe gegeben, die Druckdifferenz soll möglichst klein werden - so bleibt nur der Ausweg, Faltenschläuche mit großem Innendurchmesser zu verwenden.
Hierdurch steigt allerdings das Schlauchvolumen, wodurch der Wasserwiderstand beim Schwimmen und Auftrieb größer werden, und daraus resultiert stärkerer Zug am Mundstück.

atembremsen1c.jpg (78703 Byte) Auf einen weiteren Nachteil, der mit dem größeren Volumen in Verbindung steht, wird später eingegangen.

Messungen an verschiedenen in Tauchgeräten verwendeten Faltenschläuchen zeigen, daß die in den Schläuchen auftretenden Atemwiderstände beträchtliche Werte erreichen können (Bild 2).
Brauchbare Werte werden mit dem Hydromat-Schlauch erzielt (IV). Bessere Ergebnisse sind mit innen glatten Schläuchen zu erreichen (V).

Bild 3, innen glatter FaltenschlauchBild 3

Diese besitzen eine in Bild 3 dargestellte Form und werden z.B. in Höhenatmern von Flugzeugen verwendet.
Eine andere, oft recht erhebliche Quelle für den Atemwiderstand stellen Mundstückkammer und Ventile dar. Durch richtige Bemessung und Formgebung ist auch hier einiges zu erreichen.

Bild 5, Mundstücke Hauptmangel vieler Mundstückkammern sind die zu geringen Querschnitte des Luftweges (besonders des Ventilhalters, z. B. MEDI 713), enge, winklige Kanäle (Ukraina) sowie die scharfkantigen Übergänge zwischen verschiedenen Durchmessern (Hydromat). Ein weiterer Nachteil der Hydromat-Mundstückkammer ist ihre Größe und das zu hohe Gewicht. Die Ventilquerschnitte sind ausreichend (Bild 4 und 5).
Die Schlauchstutzen der Mundstückkammer sollen unbedingt V-förmig angeordnet sein, um damit einer Knickung des Faltenschlauches vorzubeugen und geringere Faltenschlauchlängen zu ermöglichen.
Bild II-6 Gute Ergebnisse bei der Senkung des Atemwiderstandes der Mundstückkammer erreichte Netzel durch den Einbau von Leitblechen (3). Die Widerstände der Ausatemventile (Bild 6) liegen in brauchbaren Grenzen, gute Werte wurden mit dem Hydromat-Entenschnabelventil erreicht (II).
Das bei einer bestimmten Durchflußmenge beginnende Flattern des Ventils III (AWM, Ukraina) wird durch die Form des Ventils begünstigt (Bild 7). Neben dem stärkeren Ansteigen des Atemwiderstandes treten Schwingungen auf, die sich beim Atmen sehr unangenehm bemerkbar machen.
Bild 6 7 8 (Bild 6 im Original zweimal)

3. Einflüsse mechanischer Größen
Ein Teil des Atemwiderstandes entsteht im Regler selbst. Seine Größe ist meßbar, wenn das Meßgerät direkt mit dem Reglerinneren verbunden wird.
In diesem Fall wird die Vielzahl der Einflüsse erfaßt, die in der Reglerkonstruktion begründet sind. Einige der hauptsächlichsten "Schwächen" sollen hier untersucht werden.
Bei vielen Eigenbauten, aber auch bei industriell hergestellten und "reparierten" Reglern wird der zu hohe Atemwiderstand durch falsche Formgebung der Membrane verursacht. Keinesfalls darf hierfür einfach irgend ein Stück Gummi verwendet werden. Die Membrane muß eine solche Form haben, daß sie dem ganzen Hebelweg leicht folgen kann, ohne sich dehnen zu müssen. Ausführlich wurde dieses Problem von MÖNKE (4) behandelt.
Da es für den Bastler gar nicht so einfach ist, gute Membranen selbst herzustellen, sollte man bei allen Eigenkonstruktionen auf industriell hergestellte zurückgreifen, also Form und Abmessung der Reglertöpfe denen industrieller Automaten anpassen.
Die Masse der Hebel und ihre Lagerung üben einen nicht zu unterschätzenden Einfluß auf den Atemwiderstand aus. Da im Rahmen dieses Beitrages keine Fragen der Berechnung von Lungenautomaten behandelt werden sollen, hier nur soviel: Masse und Reibung so gering wie möglich! Ein gutes Beispiel dazu ist das in Bild 8 gezeigte Hebelsystem eines einstufigen Reglers.

Bild II-9Ein weiteres Problem ist das der verwendeten Federn. In der lungenautomatischen Stufe hat die Hilfsfeder des Ventils (Bild 9) die Aufgabe, sicheres Abdichten zu gewährleisten. Bei mit dem Druck dichtenden Ventilen ist der von ihr auszuübende Druck abhängig von Qualität der Oberflächenverarbeitung, von Ventilstein und Kraterrand und dem Material des Ventilsteins. In gegen den Druck dichtenden Ventilen (Hydromat 2. Stufe, MEDI 713) muß sie auch noch den auf den Ventilstein wirkenden Luftdruck mit überwinden. Aus diesem Grund sind einstufige Lungenautomaten, bei denen das Ventil gegen den Druck dichtet, abzulehnen. Bei ihnen muß die Federkraft bei maximalem Druck des Luftvorrates für sichere Abdichtung sorgen.
Der Atemwiderstand steigt stark an, da zum Öffnen des Ventils ein größerer Unterdruck auf die Membrane wirken muß (MEDI 713). Bei mit dem Druck dichtenden Ventilen ist die Feder für den Minimaldruck zu berechnen, da der hohe Druck zu Beginn die Abdichtung unterstützt. Einstufige Regler mit einer solchen Ventilkonstruktion haben bei vollem Flaschendruck einen etwas höheren Atemwiderstand, liegen aber insgesamt in einem günstigeren Bereich.

Die Berechnung der Federkraft kann nach folgender Formel erfolgen :    FFeder > PLuft x AVentil

Sinkt der Druck in den Vorratsbehältern, wird             FFeder >> PLuft x AVentil                  Ff = As x ro + p x Av x 1,2

Hierin sind:

Ff - Federkraft, die zum sicheren Schließen des Ventils benötigt wird (kp)
As - Berührungsfläche des Ventilkraters mit Ventilstein,
       zu berechnen wie ein Kreisring mit dem Innendurchmesser = Ventilbohrung und einer Wandstärke von 0,2 bis 0,3 mm (cm2)
ro - benötigter Anpreßdruck (kp/cm2)
p - Gasdruck vor dem Ventil (kp/cm2)
Av - Ventilfläche (cm2)

ro wird für das als Ventilstein verwendete Material berechnet:

a) Für hartes Dichtungsmaterial  ro = a x p + c

b) für weiches Dichtungsmaterial  ro = a x pb

Dichtungsmaterial

weich a b hart a b
Gummi 1,70 52 Blei 5400 -0,667
weiches, fiber-ähnliches Mat. 0,90 90 Rotkupfer
geglüht
2100 -0,168
Leder 1,75 52 Ebonit 200 -0,121

Für diese Ventile finden Federn mit kleiner Federkonstante Verwendung, so daß die aufzuwendende Kraft über den Federweg bei der Öffnung des Ventils annähernd gleich bleibt. Keinesfalls sollte man bei im Laufe der Zeit entstehenden Undichtigkeiten des Ventils diese durch Verstärkung der Feder zu beseitigen versuchen. Meist ist die Ursache nicht im Erschlaffen der Feder zu suchen, sondern in der Abnutzung oder Beschädigung des Ventilsteines oder des Kraters.

Hier hilft nur sorgfältiges Nacharbeiten der Teile - Erhöhen des Federdruckes bedeutet in jedem Fall Ansteigen des Atemwiderstandes.

4. Ermüdung durch CO2

Bisher sprachen wir über Größen, die direkt den Atemwiderstand betrafen. Ein anderer Grund, der zur vorzeitigen Ermüdung des Tauchers führen kann, ist das ständige Einatmen einer gewissen CO2-Menge aus seiner eigenen Ausatemluft. Die Ausatemluft des Menschen enthält etwa 16% O2 und 5% CO2. Dabei wird die größte CO2-Menge nicht zu Beginn, sondern in der zweiten Hälfte des Ausatemvorganges abgegeben. Dieses Gas füllt die Mundstückkammer und bei Fehlen des Einatemventils in der Mundstückkammer auch einen Teil des Einatemschlauches aus. Bei erneuter Einatmung wird diese CO2-reiche Luft wieder eingeatmet, erst danach strömt frische Luft aus dem Regler nach. Besitzt die Mundstückkammer kein Ausatemventil, wird auch Luft aus dem Ausatemschlauch zurückgesaugt. Dies führt besonders bei unökonomischer, flacher, schneller Atmung zu höherem Luftverbrauch und zur vorzeitigen Ermüdung, hat also die gleiche Wirkung wie zu hoher Atemwiderstand.

5. Atemarbeit

Bild II- 10 11Nachdem einige Ursachen für den Atemwiderstand untersucht wurden und mit ihrer Beseitigung bzw. Einschränkung eine gewisse Verringerung erreicht wurde, bleibt festzustellen, daß eine generelle Verbesserung so nicht zu erzielen ist. Bei allen Lungenautomaten muß die Lunge des Tauchers einen - wenn auch noch so geringen - Unterdruck erzeugen, damit die Einatmung stattfinden kann, durch den Unterdruck wird der Regler gesteuert.

Die Größe dieses Unterdruckes wurde dabei bisher als Kriterium angesehen.

Betrachtet man in diesem Zusammenhang die Oszillogramme des Druckverlaufes eines Einatemvorganges aus zwei verschiedenen Lungenautomaten (Bild 10), wird weiter sichtbar

a) Lungenautomat ohne Ejektordüse

P? auf der Ordinate entspricht dem Einatemwiderstand, der Unterdruck bleibt während des ganzen Einatemvorganges annähernd gleich groß.

b) Lungenautomat mit Ejektordüse

P? ist zu Beginn des Einatemvorganges etwa genau so groß wie im ersten Fall, sinkt dann aber stark ab. Am Ende der Einatmung entsteht eine kurzzeitige Druckspitze im Überdruckbereich. Die Zeit für die Einatmung ist geringer (trotz gleicher Luftmenge).

Rufen wir uns kurz die Wirkungsweise einer Ejektordüse ins Gedächtnis:

- Beim Einatmen erzeugt der Taucher einen Unterdruck im Lungenautomaten, dadurch wird der Regelvorgang eingeleitet. Nun reißt ein starker, aus der Ejektordüse austretender Luftstrom Luft aus dem Reglerinneren in den Einatemstutzen mit und erzeugt so künstlich einen zusätzlichen Unterdruck. Die Membran wird dadurch weiter in durchgebogener Stellung gehalten, und der Regler gibt selbsttätig Luft ab - erzeugt also eine ähnliche Erscheinung wie beim "Schieben" in Rückenlage. Die Ejektordüse erleichtert dem Taucher die Atmung, indem sie einen Teil der Arbeit seiner Lunge zur Erzeugung des Unterdrucks abnimmt.

Jeder Taucher weiß, daß es sich aus einem Lungenautomaten mit Ejektoreinrichtung "leichter" atmen läßt. Andererseits zeigen die Oszillogramme, daß der zu erzeugende Unterdruck zur Einleitung des Einatemvorganges in beiden Fällen etwa gleich ist.

Daraus ist zu schlußfolgern, daß die bisherige Voraussetzung - Atemwiderstand - Druckabfall = zu erzeugender Unterdruck, um einen bestimmten Luftstrom zum Fließen zu bringen - nicht ausreichend ist.

Tatsächlich ist die durch den Taucher zu Ieistende Atemarbeit der ausschlaggebende Faktor.

Die Atemarbeit ist dabei proportional der Fläche unter der Kurve.

Bei einem Vergleich der Kurven wird sichtbar, daß die Atemarbeit bei dem Lungenautomaten mit Ejektordüse nur etwa 1/3 der des Reglers ohne Ejektoreinrichtung beträgt.

Die Druckspitze zum Ende der Einatmung entsteht dadurch, daß der Einatemvorgang des Tauchers beendet ist, der Lungenautomat aber noch Luft abgibt, bis die Trägheit des Systems überwunden und das Ventil geschlossen ist.

Aus den Oszillogrammen lassen sich einige weitere Schlußfolgerungen ableiten:

Draeger-Regler-Prüfgerät, nicht im OriginalartikelDie Lungenarbeit ist um so geringer, je früher die Ejektordüse die Förderung der Luft übernimmt. Dieser Moment tritt ein, wenn der Unterdruck so groß ist, daß der Regler eine genügend große Luftmenge abgibt. Das wird um so eher der Fall sein, je kleiner das in Regler und Schläuchen vorhandene Luftvolumen und je stärker die Einatmung des Tauchers ist. Es ist also ungünstig, lange Faltenschläuche mit großem Innendurchmesser zu verwenden. Die Falten begünstigen einerseits die Turbulenz der Strömung, andererseits stellen sie einen nicht unerheblichen Totraum dar. Für den in Bild 11 gezeigten Schlauch beträgt er bei 40 Falten etwa 200 cm3. Auch hieraus ist wieder die Forderung nach glatten Schläuchen abzuleiten.

Einen weiteren Totraum stellt der Reglertopf dar. Eine Verkleinerung des Durchmessers ist indiskutabel, da hierdurch die Kraft der Membrane bei gleichen Druckverhältnissen sinken und damit der Atemwiderstand steigen würde. Gut möglich ist aber eine Formänderung. Flache abgerundete Töpfe kommen dieser Forderung nach und sind zudem auch technologisch leichter zu fertigen.

Die Vorteile, die eine Ejektoreinrichtung bietet, sind natürlich nur dann auszunutzen, wenn Ejektordüse und Luftwege gut aufeinander abgestimmt sind. Erprobung und Einstellng müssen daher immer mit dem Schlauch- und Mundstücktyp erfolgen, mit denen der Lungenautomat später ausgerüstet werden soll. Eine weitere Bedingung ist die richtige Atmung. Flaches Atmen läßt die Ejektoreinrichtung nicht ansprechen und ihre Vorteile nicht ausnutzen. Wer aber einmal unter Wasser schwer arbeiten mußte, weiß ihre Vorteile zu schätzen...

Zusammenfassung

  • Die vorhandenen Lungenautomaten gewährleisten nicht in allen Fällen eine genügend freie Atmung unter Wasser.
  • Unter dem Begriff "Atemwiderstand" ist nicht nur der zur Atmung zu erzeugende Unter- bzw. Überdruck zu verstehen, sondern eine komplexe Größe, die in erster Linie durch die zur Atmung aufzuwendende Arbeit der Lunge zur Erzeugung dieses Druckes charakterisiert wird.
  • Zur Verringerung der Atemarbeit ist der Lungenautomat mit einer Ejektoreinrichtung auszurüsten. Reglervolumen und Schlauchinhalt sind möglichst klein zu halten.
  • Als Aus- und Einatemschlauch sind möglichst glatte Schläuche zu verwenden.
  • Die Mundstückkammer soll ein Aus- und Einatem-Ventil besitzen.

...und so könnte man die Messungen heute machen, natürlich mit Computer ;-)) Atmungssimulator
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Letzte Änderung: 02.01.2015