Электро-гальванический датчик кислорода - Electro-galvanic oxygen sensor

Электрогальванический топливный элемент, используемый в дайвинге ребризер для измерения парциального давления кислорода.
Две кислородные ячейки, используемые анализаторами кислорода для подводного газа, с изображением часто используемых разъемов

An электрогальванический топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, которое потребляет топливо для выработки электроэнергии в результате химической реакции. Одна из форм электрогальванического топливного элемента, основанная на окислении свинца, обычно используется для измерения концентрации кислород газ в подводное плавание и медицинский дышащие газы.

Подводное плавание с электронным наблюдением или контролем ребризер системы,[1] системы насыщения водолазов,[2] и многие медицинские системы жизнеобеспечения используют гальванические кислородные датчики в своих цепях управления для непосредственного контроля кислорода частичное давление во время операции.[3] Они также используются в анализаторах кислорода в развлекательный, технический дайвинг и погружения на смешанном газе с поверхностной подачей для анализа доли кислорода в найтрокс, гелиокс или же тримикс дыхательный газ перед погружением.[4]

Эти ячейки представляют собой гальванические ячейки свинец / кислород, в которых молекулы кислорода диссоциируют и восстанавливаются до гидроксильных ионов на катоде. Ионы диффундируют через электролит и окисляют свинцовый анод. Когда катод и анод электрически соединены через резистор, генерируется ток, пропорциональный скорости потребления кислорода.[1]

Функция

Реакция ячейки для ячейки свинец / кислород: 2Pb + O2 → 2PbO, образованный катодной реакцией: O2 + 2H2O + 4e− → 4OH−, и анодная реакция: 2Pb + 4OH− → 2PbO + 2H2O + 4e−.[1]

Ток ячейки пропорционален скорости восстановления кислорода на катоде, но не зависит линейно от парциального давления кислорода в газе, которому подвергается ячейка: линейность достигается за счет установки диффузионного барьера между газом и катод, который ограничивает количество газа, достигающего катода, до количества, которое может быть полностью уменьшено без значительной задержки, делая парциальное давление в непосредственной близости от электрода близким к нулю. В результате этого количество кислорода, достигающего электрода, следует Законы диффузии Фика и пропорционален парциальному давлению газа за мембраной. Это делает ток пропорциональным PО2. Нагрузочный резистор над элементом позволяет электронике измерять напряжение, а не ток. Это напряжение зависит от конструкции и возраста датчика и обычно колеблется от 7 до 28 мВ для PО2 0,21 бар[1]

Диффузия линейно зависит от градиента парциального давления, но также зависит от температуры, и ток возрастает примерно на два-три процента на каждый градус повышения температуры. Для компенсации используется резистор с отрицательным температурным коэффициентом, и для его эффективности он должен иметь ту же температуру, что и элемент. Кислородные элементы, которые могут подвергаться относительно большим или быстрым изменениям температуры, например ребризеры, обычно используют теплопроводящую пасту между схемой компенсации температуры и элементом для ускорения температурного баланса.[1]

Температура также влияет на время отклика сигнала, которое обычно составляет от 6 до 15 секунд при комнатной температуре для 90% отклика на скачкообразное изменение парциального давления. Холодные камеры реагируют намного медленнее, а горячие - намного быстрее. По мере окисления анодного материала выходной ток падает и в конечном итоге полностью прекращается. Скорость окисления зависит от кислорода, достигающего анода от мембраны сенсора. Срок службы измеряется в кислородных часах, а также зависит от температуры и влажности.[1]

Приложения

Анализ газовой смеси

Смотрите также: Смесь газов для подводного плавания § Анализ газов

Содержание кислорода в хранимой газовой смеси можно проанализировать, пропустив небольшой поток газа через недавно откалиброванную ячейку в течение достаточно длительного времени, чтобы выходной сигнал стабилизировался. Стабильный выходной сигнал представляет собой долю кислорода в смеси. Необходимо следить за тем, чтобы поток газа не разбавлялся окружающим воздухом, так как это может повлиять на показания.[нужна цитата ]

Мониторинг состава дыхательного газа

Парциальное давление кислорода в анестезирующих газах контролируется путем размещения ячейки в газовом потоке, который находится под местным атмосферным давлением, и может быть откалибровано для прямого указания доли кислорода в смеси.[нужна цитата ]

Парциальное давление кислорода в водолазные камеры и смеси газов для дыхания с поверхностной подачей также можно контролировать с помощью этих ячеек. Это можно сделать, поместив ячейку непосредственно в гипербарическую среду, подключив провод через корпус к монитору, или косвенно, путем отвода газа из гипербарической среды или подачи водолазного газа и анализа при атмосферном давлении с последующим вычислением парциального давления в гипербарическая среда. Это часто требуется в насыщение дайвинг и коммерческое погружение на смешанном газе с поверхностной ориентацией.[5][2]

Системы управления ребризерами для дайвинга

Смесь газов для дыхания в контуре дыхательного аппарата для дайвинга обычно измеряется с помощью кислородных ячеек, а выходной сигнал ячеек используется либо дайвером, либо электронной системой управления для управления добавлением кислорода для увеличения парциального давления, когда оно ниже выбранного нижнего заданного значения. или для промывки газом-разбавителем, когда оно превышает верхнее заданное значение. Когда парциальное давление находится между верхним и нижним заданными значениями, оно подходит для дыхания на этой глубине и остается до тех пор, пока оно не изменится в результате потребления водолазом или изменения давления окружающей среды в результате изменения глубины. .[нужна цитата ]

Точность и надежность измерения важны в этом приложении по двум основным причинам. Во-первых, если содержание кислорода будет слишком низким, дайвер потеряет сознание из-за гипоксия и, наверное, умру,[6] или если содержание кислорода слишком высокое, риск поражения центральной нервной системы кислородное отравление вызывает судороги и потерю сознания, при этом повышается риск утопления, становится недопустимым.[6] Во-вторых, декомпрессия обязательства не могут быть точно или надежно рассчитаны, если состав дыхательного газа неизвестен.[6] Калибровка ячеек перед погружением позволяет проверить реакцию только на парциальное давление до 100% при атмосферном давлении или 1 бар. Поскольку уставки обычно находятся в диапазоне от 1,2 до 1,6 бар,[6] Для надежного тестирования отклика при заданных значениях потребуется специальное оборудование для калибровки гипербарических условий. Это оборудование есть в наличии, но оно дорогое и редко используется, и требует, чтобы элементы были сняты с ребризера и установлены в испытательной установке. Чтобы компенсировать возможность отказа ячейки во время погружения, обычно устанавливаются три ячейки, исходя из принципа, что отказ одной ячейки за раз наиболее вероятен, и что если две ячейки показывают одинаковое PО2, они с большей вероятностью будут правильными, чем одна ячейка с другим чтением. Логика голосования позволяет системе управления управлять схемой до конца погружения в соответствии с двумя ячейками, которые считаются правильными. Это не совсем надежно, так как две ячейки могут выйти из строя при одном и том же погружении.[6]

Датчики должны быть размещены в ребризере, где не будет температурного градиента между газом и электроникой в ​​задней части ячеек.[1]

Срок жизни

Кислородные элементы ведут себя так же, как электрические батареи, в том смысле, что они имеют ограниченный срок службы, который зависит от использования. В химическая реакция описанное выше заставляет ячейку создавать электрический выходной сигнал, который имеет прогнозируемое напряжение, которое зависит от используемых материалов. Теоретически они должны подавать это напряжение со дня их изготовления до тех пор, пока они не разрядятся, за исключением того, что один компонент запланированной химической реакции был исключен из сборки: кислород.

Кислород является одним из видов топлива ячейки, поэтому чем больше кислорода находится на поверхности реакции, тем больше вырабатывается электрического тока. Химия устанавливает Напряжение а концентрация кислорода контролирует электрический ток выход. Если электрическая нагрузка подключен через ячейку, он может потреблять этот ток, но если ячейка перегружена, напряжение упадет. Когда свинцовый электрод в значительной степени окислен, максимальный ток, который может производить ячейка, упадет, и в конечном итоге линейность выходного напряжения относительно парциального давления кислорода на реакционной поверхности будет нарушена в пределах требуемого диапазона измерения, и ячейка больше не будет быть точным.

Существует два обычно используемых способа указать ожидаемый срок службы сенсора: время в месяцах при комнатной температуре на воздухе или объемное процентное содержание кислорода в часах (об.% O2час). Хранение при низком парциальном давлении кислорода, когда он не используется, может показаться эффективным способом продления срока службы элемента, но при хранении в бескислородных условиях ток датчика прекратится, и поверхность электрода может пассивироваться, что может привести к отказу датчика. Высокая температура окружающей среды увеличивает ток датчика и сокращает срок службы элемента. При водолазной службе камера обычно длится от 12 до 18 месяцев, при этом около 150 часов работы в водолазном контуре при парциальном давлении кислорода около 1,2 бар, а остальное время - на воздухе при комнатной температуре.[1]

Сбои в работе клеток могут быть опасными для жизни технических дайверов и, в частности, ребризер дайверы.[7] Общие для этих ячеек режимы отказа: отказ с выходным сигналом, превышающим ожидаемый, из-за электролит утечки, которые обычно связаны с физическим повреждением, загрязнением или другими дефектами производства,[нужна цитата ] или ограничение тока из-за истощенного срока службы элемента и нелинейного выхода во всем диапазоне.[1]

Срок годности можно увеличить, храня ячейку в запечатанном пакете, поставляемом производителем, до ввода в эксплуатацию, храня ячейку до и между использованием при комнатной температуре или ниже, - диапазон от 10 до 22 ° C рекомендуется производителя - и избегайте длительного хранения элемента в теплой или сухой среде, особенно в местах, подверженных воздействию прямых солнечных лучей.[8]

Режимы отказа

Новый датчик может выдавать линейный выходной сигнал для парциального давления кислорода более 4 бар, и по мере того, как анод израсходован, линейный выходной диапазон падает, в конечном итоге до ниже диапазона парциальных давлений, которые можно ожидать при эксплуатации, на каком этапе он больше не подходит для управления системой. Максимальный выходной ток в конечном итоге падает ниже величины, необходимой для отображения полного диапазона парциальных давлений, ожидаемых при работе. Это состояние называется ограниченный током. Когда датчик с ограничением тока больше не может надежно активировать систему управления на верхнем заданном значении в системе жизнеобеспечения, существует серьезный риск возникновения чрезмерного парциального давления кислорода, которое не будет замечено, что может быть опасно для жизни.[1]

Другие виды отказов включают механические повреждения, такие как обрыв проводов, корродированные контакты и потеря электролита из-за повреждения мембран.[1]

Низкий уровень неизменно является результатом производственного брака или механического повреждения. В ребризерах отказ высокого уровня приведет к тому, что ребризер будет считать, что в контуре больше кислорода, чем есть на самом деле, что может привести к гипоксия.[нужна цитата ]

Ячейки с ограничением по току не дают достаточно высокого выхода при высоких концентрациях кислорода.[1] Контур управления ребризером реагирует так, как будто в контуре недостаточно кислорода, и впрыскивает больше кислорода для достижения заданного значения, которое элемент никогда не может указать, что приводит к гипероксия.[нужна цитата ]

Нелинейный элементы не работают ожидаемым образом в требуемом диапазоне парциальных давлений кислорода. Двухточечная калибровка по разбавителю и кислороду при атмосферном давлении не обнаружит эту неисправность, которая приведет к неточному содержанию контура ребризера. Это дает возможность возникновения декомпрессионной болезни, если в контуре поддерживается более низкое парциальное давление, чем указано на выходе ячейки, или гипероксии, если в контуре поддерживается более низкое парциальное давление, чем указано на выходе ячейки.[нужна цитата ]

Тестирование клеток в полевых условиях

Предотвратить несчастные случаи в ребризерах из-за отказа ячеек в большинстве случаев можно путем точного тестирования ячеек перед использованием.[нужна цитата ] Некоторые дайверы проводят проверки в воде, доводя содержание кислорода в контуре до давления, превышающего давление чистого кислорода на уровне моря, чтобы указать, способна ли ячейка обеспечивать высокую производительность.[нужна цитата ] Этот тест является только выборочной проверкой и не позволяет точно оценить качество этой ячейки или предсказать ее отказ.[нужна цитата ] Единственный способ точно проверить ячейку - это использовать испытательную камеру, которая может удерживать калиброванное статическое давление выше верхнего заданного значения без отклонений, а также возможность записывать выходное напряжение во всем диапазоне рабочих парциальных давлений и строить их график.[нужна цитата ]

Управление отказом ячеек в системе жизнеобеспечения

Если используется более одной статистически независимой ячейки, маловероятно, что одновременно произойдет сбой более одной. Если предположить, что только одна ячейка выйдет из строя, то сравнение трех или более выходов, которые были откалиброваны в двух точках, вероятно, выберет ячейку, которая вышла из строя, если предположить, что любые две ячейки, которые производят одинаковый выход, являются правильными, а та, которая выдает другой выход неисправен. Это предположение обычно верно на практике, особенно если есть некоторые различия в истории задействованных клеток.[9] Концепция сравнения выхода из трех ячеек в одном месте в контуре и управления газовой смесью на основе среднего выхода двух с наиболее похожим выходом в любой момент времени известна как логика голосования и является более надежной, чем управление. на основе одной ячейки. Если выход третьей ячейки существенно отличается от выхода двух других, аварийный сигнал указывает на возможную неисправность ячейки. Если это происходит до погружения, ребризер считается небезопасным и его не следует использовать. Если это происходит во время погружения, это указывает на ненадежную систему управления, и погружение следует прервать. Продолжение погружения с использованием ребризера при отказе сигнализации ячейки значительно увеличивает риск фатального отказа системы управления контура. Эта система не совсем надежна. Сообщается как минимум об одном случае, когда две ячейки вышли из строя одинаково, а система управления выбрала оставшуюся исправную ячейку.[6]

Если бы вероятность отказа каждой ячейки была статистически независимой от других, и каждой ячейки было бы достаточно для обеспечения безопасной работы ребризера, использование трех полностью резервированных ячеек параллельно снизило бы риск отказа на пять или шесть порядков. .[6]

Логика голосования это существенно меняет. Большинство ячеек не должны выходить из строя для безопасной работы устройства. Чтобы решить, правильно ли работает ячейка, ее необходимо сравнить с ожидаемым результатом. Это делается путем сравнения с выходами других ячеек. В случае двух ячеек, если выходы различаются, то, по крайней мере, одна должна быть неправильной, но неизвестно, какая из них. В таком случае дайвер должен предположить, что устройство небезопасно, и выйти из строя, чтобы разомкнуть цепь. В случае трех ячеек, если все они различаются в пределах допустимого отклонения, все они могут считаться функциональными. Если два различаются в пределах допуска, а третий - нет, два в пределах допуска могут считаться исправными, а третий - неисправным. Если ни один из них не находится в пределах допустимого отклонения друг от друга, все они могут быть неисправными, а если один - нет, нет способа его идентифицировать.[6]

При использовании этой логики повышение надежности, достигаемое за счет использования логики голосования, когда для функционирования системы должны функционировать как минимум два датчика, значительно снижается по сравнению с версией с полным резервированием. Улучшения возможны только на один-два порядка. Это было бы большим улучшением по сравнению с одиночным датчиком, но приведенный выше анализ предполагает статистическую независимость отказа датчиков, что обычно нереально.[6]

Факторы, которые делают выходы ячеек в ребризере статистически зависимыми, включают:[6]

  • Общий калибровочный газ - все они калибруются вместе при проверке перед погружением с использованием одного и того же разбавителя и подачи кислорода.
  • Датчики часто производятся из одной партии - компоненты, материалы и процессы могут быть очень похожими.
  • Датчики часто устанавливаются вместе и с тех пор подвергаются воздействию одного и того же PО2, профиль температуры в последующее время.
  • Обычная рабочая среда, особенно в отношении температуры и относительной влажности, поскольку они обычно устанавливаются в непосредственной близости от контура, чтобы гарантировать, что они измеряют одинаковый газ.
  • Общие системы измерения
  • Общая прошивка для обработки сигналов

Эта статистическая зависимость может быть минимизирована и смягчена следующими способами:[6]

  • Использование датчиков от разных производителей или партий, чтобы не было двух из одной партии
  • Смена датчиков в разное время, поэтому у каждого из них своя история
  • Обеспечение правильности калибровочных газов
  • Добавление статистически независимого PО2 Измерительная система подключена к контуру в другом месте, с использованием датчика другой модели и с использованием другой электроники и программного обеспечения для обработки сигнала.
  • Калибровка этого датчика с использованием другого источника газа по сравнению с другими

Альтернативный метод обеспечения избыточности в системе управления состоит в периодической повторной калибровке датчиков во время погружения, подвергая их воздействию потока либо разбавителя, либо кислорода, либо того и другого в разное время, и используя выходные данные, чтобы проверить, правильно ли реагирует ячейка на известный газ как известная глубина. Дополнительным преимуществом этого метода является возможность калибровки при более высоком парциальном давлении кислорода, чем 1 бар.[6] Эта процедура может выполняться автоматически, если система предназначена для этого, или дайвер может вручную выполнить промывка разбавителем на любой глубине, на которой разбавитель дышит, чтобы сравнить ячейку PО2 показания против известного FО2 и абсолютное давление для проверки отображаемых значений. Этот тест не только проверяет ячейку. Если датчик не отображает ожидаемое значение, возможно, датчик кислорода, датчик давления (глубины) или газовая смесь FО2, или любая их комбинация может быть ошибочной. Поскольку все три из этих возможных неисправностей могут быть опасными для жизни, испытание очень мощное.[6]

Тестирование

Устройство для проверки гальванических кислородных ячеек

Первое сертифицированное устройство для проверки ячеек, которое было коммерчески доступно, было выпущено в 2005 году компанией Narked в возрасте 90 лет.Проверка сотовой связи но коммерческого успеха не добился. Сильно переработанная модель была выпущена в 2007 году и выиграла «Премию Гордона Смита» за инновации на выставке производителей оборудования для дайвинга во Флориде.[10] Компания Narked at 90 Ltd получила награду за инновации за «продукт для технического дайвинга, который сделал дайвинг более безопасным» на выставке EUROTEK.2010 за их устройство проверки кислородных клеток.[1]. Теперь используется во всем мире такими организациями, как Теледайн, Вандаграф,[нужна цитата ] Национальное управление океанических и атмосферных исследований,[нужна цитата ] NURC (Центр подводных исследований НАТО ),[нужна цитата ] и Центр изучения дайвинг-болезней.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л Зибер, Арне (18–20 мая 2012 г.). Ванн, Ричард Д .; Denoble, Petar J .; Поллок, Нил В. (ред.). Технология кислородного датчика для ребризеров (PDF). Ребризер Форум 3 Труды. Дарем, Северная Каролина: AAUS / DAN / PADI. С. 185–192. ISBN  978-0-9800423-9-9.
  2. ^ а б IMCA D 022 (май 2000 г.), Руководство дайв-супервайзера «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-10-17. Получено 2011-11-06.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  3. ^ Гобл, Стив (2003). "Ребризеры". Южнотихоокеанское общество подводной медицины Журнал. 33 (2): 98–102. Архивировано из оригинал на 2008-08-08. Получено 2009-03-20.
  4. ^ Ланг, М.А. (2001). Материалы семинара DAN Nitrox. Дарем, Северная Каролина: Сеть оповещения водолазов. п. 197. Получено 2009-03-20.
  5. ^ IMCA D030 Ред. 1, (август 2005 г.); Водолазные работы на смеси газов с поверхности «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-10-17. Получено 2011-11-06.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  6. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Джонс, Найджел А. (18–20 мая 2012 г.). Ванн, Ричард Д .; Denoble, Petar J .; Поллок, Нил В. (ред.). Резервирование датчика PO2 (PDF). Ребризер Форум 3 Труды. Дарем, Северная Каролина: AAUS / DAN / PADI. С. 193–292. ISBN  978-0-9800423-9-9.
  7. ^ Ванн Р.Д., Поллок Н.В., Denoble PJ (2007). Н. В. Поллок, Дж. М. Годфри (ред.). "Расследование смертельных случаев с ребризером". Труды Американской академии подводных наук. Дайвинг ради науки 2007. Остров Дофин, Алабама: Американская академия подводных наук (двадцать шестой ежегодный симпозиум по научному дайвингу). ISBN  0-9800423-1-3. Получено 2009-03-20.
  8. ^ сотрудники. «Рекомендации по хранению микротопливных элементов». Аналитические приборы Teledyne. Получено 14 января 2018.
  9. ^ Ячейки из одного пакета с одинаковой историей с большей вероятностью выйдут из строя таким же образом, чем ячейки с другой историей
  10. ^ «ПОВТОРНИКИ - из двадцати тысяч лье под водой и за ее пределами ...» Международный журнал Defense & Community. Получено 2009-03-20.[постоянная мертвая ссылка ]