전기 갈바닉 산소 센서

Electro-galvanic oxygen sensor
산소 분압을 측정하기 위해 다이빙 리브레이터에 사용되는 전기 갈바닉 연료 전지.
일반적으로 사용되는 커넥터를 나타내는 다이빙 가스용 산소 분석기에서 사용하는 산소 전지 2개

전기갈바닉 연료전지는 화학반응에 의해 전기출력을 생성하기 위해 연료를 소비하는 전기화학장치이다.납의 산화에 기초한 전기 갈바닉 연료 전지의 한 가지 형태는 수중 잠수 및 의료용 호흡 가스의 산소 가스 농도를 측정하는 데 일반적으로 사용됩니다.

전자적으로 모니터링되거나 제어되는 다이빙 역호흡 시스템,[1][2] 포화 다이빙 시스템 및 많은 의료용 생명 유지 시스템은 [3]작동 중 산소 분압을 직접 모니터링하기 위해 제어 회로에 갈바닉 산소 센서를 사용합니다.또한 레크리에이션, 기술 다이빙 및 수면 공급 혼합 가스 다이빙에서 산소 분석기에 사용되어 [4]다이빙 전에 니트로크스, 헬리옥스 또는 트리믹스 호흡 가스의 산소 비율을 분석합니다.

이 세포들은 산소 분자가 분해되어 음극에서 수산화 이온으로 환원되는 납/산소 갈바닉 세포입니다.이온은 전해질을 통해 확산되어 납 양극을 산화시킵니다.음극과 양극이 저항을[1] 통해 전기적으로 연결되어 있을 때 산소 소비율에 비례하는 전류가 발생한다.

기능.

납/알루미늄 셀의 셀 반응은 2Pb + O2 → 2PbO이며, 음극 반응으로 구성됩니다.O2 + 2HO2 + 4e− → 4OH−, 양극 반응: 2Pb + 4OH− → 2PbO + 2HO2 + 4e−.[1]

셀 전류는 음극에서의 산소 감소 속도에 비례하지만, 셀이 노출되는 가스의 산소 부분 압력에 선형적으로 의존하지는 않습니다.가스와 음극 사이에 확산 장벽을 배치함으로써 직선성을 얻을 수 있으며, 이는 음극에 도달하는 가스의 양을 크게 지연하지 않고 완전히 감소시킬 수 있는 양으로 제한하여 전극 바로 근처의 부분 압력을 0에 가깝게 만든다.그 결과 전극에 도달하는 산소의 양은 Fick의 확산 법칙을 따르며 막 너머 기체의 부분 압력에 비례합니다.그러면 전류가 P에O2 비례하게 됩니다.셀 위의 로드 저항을 통해 전자 장치가 전류가 아닌 전압을 측정할 수 있습니다.이 전압은 센서의 구조와 사용 기간에 따라 달라지며, 일반적으로 P가O2 0.21bar일[1] 경우 7~28mV 사이에서 변화합니다.

확산은 부분 압력 구배에 선형적으로 의존하지만 온도에도 의존하며, 전류는 켈빈 온도 상승당 약 2~3% 상승합니다.음의 온도계수 저항을 사용하여 보상합니다.이것을 유효하게 하려면 , 셀과 같은 온도에 있을 필요가 있습니다.리브리저와 같이 비교적 크거나 급격한 온도 변화에 노출될 수 있는 산소 셀은 일반적으로 온도 보상 회로와 셀 사이에 열 전도성 페이스트를 사용하여 [1]온도 밸런싱을 가속화합니다.

온도도 신호 응답 시간에 영향을 미칩니다.일반적으로 실온에서는 6초에서 15초 사이이며, 부분 압력의 스텝 변화에 대한 90%의 응답입니다.차가운 세포는 훨씬 더 느리게 반응하고 뜨거운 세포는 훨씬 더 빠르게 반응한다.양극 재료가 산화되면 출력 전류가 떨어지고 결국 완전히 중단됩니다.산화율은 센서 막에서 양극에 도달하는 산소에 따라 달라집니다.수명은 산소 시간으로 측정되며 온도와 습도에[1] 따라 달라집니다.

적용들

가스 혼합물 분석

시동 점검을 보여주는 Trimix 가스 분석기
보정 옵션을 보여주는 Trimix 가스 분석기
1점 산소 보정을 보여주는 Trimix 가스 분석기
산소 및 헬륨 부분 압력을 나타내는 Trimix 가스 분석기
참고 항목 : 스쿠버 다이빙용 가스 블렌딩 for 가스 분석

저장된 가스 혼합물의 산소 함량은 출력이 안정될 때까지 소량의 가스 흐름을 최근 보정된 셀 위로 통과시켜 분석할 수 있습니다.안정적인 출력은 혼합물 내 산소 비율을 나타냅니다.가스 흐름이 외부 공기에 의해 희석되지 않도록 주의해야 합니다.[citation needed] 측정값에 영향을 미치기 때문입니다.

호흡가스 성분 모니터링

마취 가스의 산소 부분 압력은 국소 대기압인 가스 흐름 내에 셀을 배치하여 모니터링하며 [citation needed]혼합물의 산소 비율을 직접 표시하도록 보정할 수 있습니다.

다이빙 챔버 내의 산소 부분 압력과 표면 공급 호흡 가스 혼합물도 이러한 셀을 사용하여 모니터링할 수 있습니다.이는 셀을 고압 환경에 직접 배치하여 선체를 통해 모니터에 배선하거나 고압 환경 또는 다이버 가스 공급에서 가스를 블리딩하여 대기압으로 분석한 다음 고압 환경에서 부분 압력을 계산함으로써 수행할 수 있습니다.이는 포화 다이빙 및 수면 지향형 혼합 가스 상업 [5][2]다이빙에서 자주 필요합니다.

잠수 역호흡기 제어 시스템

잠수 역호흡기 루프의 호흡 가스 혼합물은 보통 산소 셀을 사용하여 측정되며, 셀의 출력은 다이버 또는 전자 제어 시스템에 의해 산소 첨가를 제어하여 선택된 하한 설정 지점 아래에 있을 때 부분 압력을 증가시키거나 상한 설정 지점 위에 있을 때 희석 가스로 플러싱합니다.t. 부분 압력이 상한과 하한 설정 지점 사이에 있을 경우, 그 깊이에서의 호흡에 적합하며 다이버의 소비 또는 깊이 [citation needed]변화에 따른 주변 압력의 변화로 인해 변화할 때까지 유지됩니다.

측정의 정확성과 신뢰성은 두 가지 기본적인 이유로 이 애플리케이션에서 중요합니다.첫째, 산소 함량이 너무 낮으면 잠수부가 저산소증으로 의식을 잃고 [6]사망하거나 산소 함량이 너무 높으면 중추신경계 산소 독성이 경련과 의식 상실을 일으켜 익사 위험이 [6]높아진다.둘째, 호흡 가스 성분을 알 [6]수 없는 경우 감압 의무를 정확하거나 신뢰성 있게 계산할 수 없습니다.셀의 잠복 전 보정은 대기압에서 최대 100% 또는 1bar의 부분 압력에 대한 반응만 확인할 수 있습니다.설정값이 일반적으로 1.2~[6]1.6bar 범위이므로 설정값에서 응답을 신뢰성 있게 테스트하기 위해 특별한 고압 교정 장비가 필요합니다.이 장치는 사용 가능하지만 비싸고 일반적으로 사용되지 않으므로 리브리터에서 셀을 분리하여 테스트 장치에 설치해야 합니다.다이브 중 셀 장애 가능성을 보상하기 위해 한 번에 하나의 셀이 고장날 가능성이 가장 높고 두 셀이 동일한O2 P를 나타낼 경우 서로 다른 판독값을 가진 단일 셀보다 정확할 가능성이 높다는 원칙에 따라 일반적으로 3개의 셀이 적합하다.투표 로직은 제어 시스템이 정확하다고 가정된 2개의 셀에 따라 나머지 다이빙 동안 회로를 제어할 수 있도록 합니다.2개의 셀이 같은 [6]다이빙에서 실패할 가능성이 있기 때문에 이것은 완전히 신뢰할 수 있는 것은 아닙니다.

센서는 가스와 셀 뒷면에 있는 전자 장치 사이의 온도 경사가 [1]발생하지 않는 리브리처에 배치해야 합니다.

수명

산소 전지는 사용에 따라 제한된 수명을 가진다는 점에서 전기 배터리와 유사한 방식으로 작동합니다.위에서 설명한 화학 반응은 셀이 사용되는 재료에 따라 예측 전압을 갖는 전기 출력을 생성하게 합니다.이론적으로 계획된 화학 반응의 한 가지 성분인 [7]산소가 어셈블리에서 제외된 것을 제외하고 제조된 날부터 소진될 때까지 전압을 공급해야 합니다.

산소는 전지의 연료 중 하나이기 때문에 반응 표면에 산소가 많을수록 더 많은 전류가 발생합니다.화학은 전압을 설정하고 산소 농도는 전류 출력을 제어합니다.셀을 통해 전기 부하가 연결된 경우 이 전류까지 끌어올 수 있지만 셀에 과부하가 걸리면 전압이 떨어집니다.납 전극이 상당히 산화되면 셀이 생성할 수 있는 최대 전류가 떨어지고, 결과적으로 반응 표면에서 산소 부분 압력에 대한 출력 전류의 선형성이 필요한 측정 범위 내에서 실패하여 셀이 더 이상 [7]정확하지 않게 됩니다.

예상 센서 수명을 지정하려면 일반적으로 사용되는 두 가지 방법이 있습니다.공기 중 실온에서 월 단위 시간 또는 체적 백분율 산소 시간(Vol%Oh2).사용하지 않을 때는 낮은 산소 분압에서 보관하는 것이 셀 수명을 연장하는 효과적인 방법처럼 보이지만, 무독성 상태에서 보관하면 센서 전류가 중단되고 전극 표면이 소극적으로 변하여 센서 고장으로 이어질 수 있습니다.주변 온도가 높으면 센서 전류가 증가하고 셀 수명이 줄어듭니다.다이빙 서비스에서는 셀이 일반적으로 12개월에서 18개월 동안 지속되며, 약 1.2bar의 산소 분압으로 다이빙 루프에서 150시간 동안 작동하며, 나머지 시간은 상온의 [1]공기에 보관됩니다.

세포고장은 기술 다이버, 특히 재호흡 [8]다이버에게 생명을 위협할 수 있다.이러한 셀에 공통되는 고장 모드는 전해질 누출에 의한 예상보다 높은 출력의 고장입니다.전해질 누출은 일반적으로 물리적 손상, 오염 또는 기타 [7]제조상의 결함 또는 셀의 수명 소진과 [1][7]그 범위에 걸친 비선형 출력에 의한 전류 제한에 기인합니다.

저장 수명은 제조자가 공급한 밀봉된 봉투에 셀을 보관하고, 사용 전 및 사용 간 상온 또는 상온 이하로 보관하고, 제조자가 권장하는 10 ~ 22 °C 범위 내에서 셀을 장기간 따뜻하고 건조한 환경에 보관하지 않음으로써 최대화할 수 있습니다.직사광선을 [9]쬐는 희미한 지역

장애 모드

새로운 경우 센서는 산소 분압 4bar 이상에 대해 선형 출력을 생성할 수 있으며, 양극이 소비되면 선형 출력 범위가 감소하여 결국 사용 중인 것으로 예상될 수 있는 분압 범위 아래로 떨어지며, 이 단계에서는 더 이상 시스템을 제어하기에 적합하지 않습니다.최대 출력 전류는 동작 시 예상되는 모든 부분압 범위를 나타내는 데 필요한 양 이하로 떨어집니다.이 상태를 전류 제한 상태라고 합니다.전류 제한 셀은 고농도의 [1][7]산소에서 충분히 높은 출력을 제공하지 않습니다.재호흡 제어 회로는 루프에 산소가 부족한 것처럼 반응하여 셀이 결코 나타낼 수 없는 설정점에 도달하기 위해 더 많은 산소를 주입하여 과산화증을 일으킵니다.전류 제한 센서가 생명 유지 시스템의 상위 설정 지점에서 제어 시스템을 더 이상 안정적으로 활성화할 수 없는 경우, 알아차리지 못할 과도한 산소 부분 압력이 발생하여 생명을 [1][10]위협할 수 있습니다.

기타 고장 모드로는 도체 파손, 접점 부식, [1][7]막 손상으로 인한 전해질 손실 등의 기계적 손상이 있습니다.

실제보다 높은 부분 압력을 나타내는 출력을 생성하는 높은 고장은 항상 제조상의 결함 또는 기계적 손상의 결과입니다.재호흡기에서 높은 수치가 나오지 않으면 재호흡기는 실제 산소량보다 더 많은 산소가 루프에 있다고 가정하여 저산소증을 [7]일으킬 수 있습니다.

비선형 셀은 필요한 산소 분압 범위에서 예상된 방식으로 작동하지 않습니다.대기압에서 희석액 및 산소에 대한 2점 보정은 이 결함을 포착하지 못해 재호흡기의 루프 내용이 부정확해집니다.이는 루프가 셀 출력보다 낮은 부분 압력으로 유지되는 경우 감압 질환의 가능성이 있으며, 루프가 셀 [7]출력보다 높은 부분 압력으로 유지되는 경우 과산화증을 일으킬 수 있습니다.

현장에서 셀 테스트

대부분의 경우 세포고장에 의한 재호흡기의 사고를 예방하는 것은 [7]세포고장에 대한 정확한 테스트로 가능하다.일부 다이버들은 루프의 산소 함량을 해수면에서 순수한 산소보다 높은 압력으로 밀어내 셀이 높은 출력을 [11]낼 수 있는지 여부를 표시함으로써 수중 점검을 수행합니다.이 테스트는 스폿체크일 뿐 셀의 품질을 정확하게 평가하거나 [11]고장을 예측하지 않습니다.셀을 정확하게 테스트하는 유일한 방법은 보정된 정적 압력을 편차 없이 상한 설정점 이상으로 유지할 수 있는 테스트 챔버를 사용하는 것입니다. 또한 작동 부분 압력의 전체 범위에 걸쳐 출력 전압을 기록하고 [citation needed]그래프로 표시할 수 있습니다.

생명 유지 시스템에서의 셀 장애 관리

통계적으로 독립된 셀이 여러 개 사용되는 경우 한 번에 여러 개 장애가 발생할 가능성은 거의 없습니다.1개의 셀만 고장난다고 가정할 경우, 2개의 포인트에서 보정된3개 이상의 출력을 비교함으로써 동일한 출력을 생성하는2개의 셀이 올바르고 다른 출력을 생성하는 셀이 고장난 셀이 선택될 가능성이 있습니다.이 가정은 특히 [12][7]관련된 세포의 이력에 차이가 있는 경우, 일반적으로 실제로 정확하다.루프의 같은 위치에 있는 3개의 셀로부터의 출력을 비교하고 주어진 시간에 가장 유사한 출력을 가진 2개의 평균 출력에 기초하여 가스 혼합물을 제어하는 개념을 투표 로직이라고 하며, 단일 셀에 기초한 제어보다 신뢰성이 높습니다.세 번째 셀 출력이 다른 두 개의 셀 출력에서 충분히 벗어날 경우, 알람은 셀 장애 가능성을 나타냅니다.다이빙 전에 이 문제가 발생하면 재호흡기는 안전하지 않은 것으로 간주되므로 사용하지 마십시오.다이빙 중에 발생하는 경우, 이는 신뢰할 수 없는 제어 시스템이므로 다이빙을 중단해야 합니다.장애가 발생한 셀알람이 있는 재호흡기를 사용하여 다이브를 계속하면 치명적인 루프 제어 장애가 발생할 위험이 크게 높아집니다.이 시스템은 완전히 신뢰할 수 있는 것은 아니다.2개의 셀이 유사한 장애를 일으켜 제어 시스템이 나머지 양호한 [6][10]셀을 제외시킨 사례가 적어도1건 보고된 적이 있습니다.

각 셀의 고장 확률이 통계적으로 다른 셀과 독립적이고 각 셀만으로도 재호흡기의 안전한 기능을 하기에 충분하다면, 3개의 완전 중복 셀을 병렬로 사용하면 고장 위험을 5~[6]6배 줄일 수 있을 것이다.

투표 논리는 이것을 상당히 변화시킨다.장치의 안전한 기능을 위해 대부분의 셀이 고장나서는 안 됩니다.셀이 올바르게 기능하고 있는지 어떤지를 판단하려면 셀을 예상 출력과 비교해야 합니다.이것은, 다른 셀의 출력과 비교하는 것으로 행해집니다.2개의 셀의 경우, 출력이 다르면 적어도 1개는 틀릴 필요가 있지만, 어느 쪽이 틀릴지는 알 수 없습니다.이러한 경우 다이버는 장치가 안전하지 않다고 가정하고 개방 회로로 돌출해야 합니다.3개의 셀이 모두 허용 오차 내에서 다르면 모두 기능하는 것으로 간주될 수 있습니다.두 개가 공차 내에서 다른 경우, 세 번째가 공차 내에서 다른 경우 공차 내에서 두 개는 작동 가능한 것으로 간주되고 세 번째가 고장 난 것으로 간주될 수 있습니다.둘 다 서로 허용 범위 내에 있는 경우 모두 불량일 수 있으며, 그렇지 않은 경우 [6]이를 식별할 수 있는 방법이 없습니다.

이 논리를 사용하면 시스템이 기능하기 위해서는 적어도 2개의 센서가 기능해야 하는 투표 로직을 사용함으로써 얻을 수 있는 신뢰성 향상이 완전 장황 버전에 비해 크게 감소합니다.개선은 1~2배 정도만 가능합니다.이는 단일 센서에 비해 크게 개선되지만 위의 분석에서는 센서 고장과 통계적으로 무관하다고 가정하고 있으며, 이는 일반적으로 [6]현실적이지 않다.

재호흡기의 셀 출력을 통계적으로 종속시키는 요인은 다음과 같습니다.[6][7]

  • 공통 보정 가스 - 동일한 희석액 및 산소 공급 장치를 사용하여 투여 전 점검에서 모두 함께 보정됩니다.
  • 센서는 종종 동일한 제조 배치에서 생산됩니다. 구성 요소, 재료 및 프로세스는 매우 유사할 수 있습니다.
  • 센서는 종종 함께 설치되며 이후 동일한 PO2, 온도 프로파일에 노출됩니다.
  • 공통 작업 환경, 특히 온도와 상대 습도에 관한 환경. 일반적으로 루프의 매우 가까운 곳에 설치되므로 유사한 가스를 측정할 수 있습니다.
  • 공통 측정 시스템
  • 신호 처리를 위한 공통 펌웨어

이 통계의존성은 다음과 [6][7]같이 최소화하고 완화할 수 있다.

  • 동일한 배치의 2개가 없도록 서로 다른 제조업체 또는 배치의 센서 사용
  • 다른 시간에 센서를 바꾸면 각각 다른 이력을 갖게 됩니다.
  • 보정 가스가 올바른지 확인
  • 통계적으로 독립적인O2 P 측정 시스템을 다른 장소의 루프에 추가하고, 다른 모델 센서를 사용하며, 다른 전자 장치와 소프트웨어를 사용하여 신호를 처리합니다.
  • 다른 가스 소스를 사용하여 이 센서 보정

제어시스템에 용장성을 제공하는 대체방법은 다이브 중에 센서를 다른 시간에 희석액 또는 산소 또는 양쪽의 흐름에 노출시킴으로써 센서를 정기적으로 재보정하고, 그 출력을 사용하여 셀이 알려진 깊이로서 알려진 가스에 적절하게 반응하고 있는지 확인하는 것이다.이 방법에는 [6]1bar보다 높은 산소 분압에서 보정이 가능하다는 추가적인 장점이 있습니다.이 절차는 시스템이 실행되도록 설계된 경우 자동으로 수행하거나 다이버가 희석액이 통기 가능한 깊이에서 희석액 플러시를 수동으로 수행하여 셀 PO2 판독값을 알려진O2 F 및 절대 압력과 비교하여 표시된 값을 확인할 수 있습니다.이 테스트에서는 셀만 검증되는 것은 아닙니다.센서에 기대치가 표시되지 않으면 산소 센서, 압력 센서(깊이) 또는 가스 혼합물O2 F 또는 이들의 조합에 이상이 있을 수 있습니다.이 세 가지 결함 모두 생명에 위협이 될 수 있기 때문에 테스트는 [6]매우 강력합니다.

테스트

갈바닉 산소 전지 검사기
고압 산소 셀 테스트 압력 포트

최초의 시판 인증 산소 전지 검사 장치는 2005년 [11]90세의 나르케드에 의해 출시되었지만 상업적인 성공을 거두지는 못했다.2007년에 많이 수정된 모델이 출시되어 플로리다에서 [13]열린 다이빙 장비 제조업체 박람회에서 혁신 부문 "고든 스미스 상"을 수상했습니다.Narked at 90 Ltd는 또한 산소 셀 체커로 EUROTEK.2010에서 "다이빙을 더 안전하게 만든 기술 다이빙 제품"으로 혁신상을 수상했습니다.[1] 세포 검사기는 텔레다인, 반다그래프,[citation needed] 국립해양대기청,[11] NURC(NATO 해저 연구 센터),[11] 다이빙 질병 연구 [11]센터와 같은 기관에서 사용되어 왔다.

세포 고압시험을 위한 작은 압력용기도 이용할 수 있으며, 여기서 최대 2bar의 가압산소 분위기를 사용하여 재호흡기의 [14]전자장치를 사용하여 보다 높은 압력에서의 직선성을 확인할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f g h i j k l Sieber, Arne (18–20 May 2012). Vann, Richard D.; Denoble, Petar J.; Pollock, Neal W. (eds.). Oxygen sensor technology for rebreathers (PDF). Rebreather Forum 3 Proceedings. Durham, North Carolina: AAUS/DAN/PADI. pp. 185–192. ISBN 978-0-9800423-9-9.
  2. ^ a b IMCA D 022 (2000년 5월),다이빙 슈퍼바이저 매뉴얼: CS1 유지보수: 타이틀로서의 아카이브 카피 (링크)
  3. ^ Goble, Steve (2003). "Rebreathers". South Pacific Underwater Medicine Society Journal. 33 (2): 98–102. Archived from the original on 2009-08-08. Retrieved 2009-03-20.
  4. ^ Lang, M.A. (2001). DAN Nitrox Workshop Proceedings. Durham, NC: Divers Alert Network. p. 197. Retrieved 2009-03-20.
  5. ^ IMCA D030 Rev. 1 (2005년 8월)표면 공급 혼합 가스 다이빙 작업: CS1 유지보수: 제목으로 보관된 복사본(링크)
  6. ^ a b c d e f g h i j k l m Jones, Nigel A. (18–20 May 2012). Vann, Richard D.; Denoble, Petar J.; Pollock, Neal W. (eds.). PO2 sensor redundancy (PDF). Rebreather Forum 3 Proceedings. Durham, North Carolina: AAUS/DAN/PADI. pp. 193–292. ISBN 978-0-9800423-9-9.
  7. ^ a b c d e f g h i j k l Raymaekers, Paul (18 October 2010). "Understanding oxygen sensors and why NOT change them all at the same time" (PDF). www.revo-rebreathers.com. Retrieved 28 September 2021.
  8. ^ Vann RD, Pollock NW, Denoble PJ (2007). NW Pollock, JM Godfrey (eds.). "Rebreather Fatality Investigation". Proceedings of the American Academy of Underwater Sciences. Diving for Science 2007. Dauphin Island, Ala.: American Academy of Underwater Sciences (Twenty-sixth annual Scientific Diving Symposium). ISBN 978-0-9800423-1-3. Retrieved 2009-03-20.
  9. ^ staff. "Storage Recommendations for Micro-Fuel Cells". Teledyne Analytical Instruments. Retrieved 14 January 2018.
  10. ^ a b Mitchell, Simon (April 2015). "Operational Aspects of Technical Diving". www.youtube.com. DAN Southern Africa. Event occurs at 48:00. Retrieved 28 September 2021.
  11. ^ a b c d e f "Introducing The Twice Award Winning Cell Checker From Narked at 90". www.narkedat90.com. Retrieved 29 September 2021.
  12. ^ 같은 이력을 가진 같은 배치의 셀은 다른 이력을 가진 셀보다 같은 방법으로 함께 실패할 가능성이 높다.
  13. ^ "REBREATHERS - From Twenty Thousand Leagues Under The Sea & Beyond..." Defence & Community International Magazine. Retrieved 2009-03-20.[영구 데드링크]
  14. ^ "Introducing The Mini Check". www.narkedat90.com. Retrieved 29 September 2021.