Электрогальванический датчик кислорода
Электрогальванический топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое потребляет топливо для производства электрической энергии посредством химической реакции. Одна из форм электрогальванических топливных элементов, основанная на окислении свинца, обычно используется для измерения концентрации газообразного кислорода в газах для подводного плавания и медицинских дыхательных газах .
для дайвинга с электронным контролем или управлением , Ребризерные системы [1] водолазные системы насыщения, [2] и многие медицинские системы жизнеобеспечения используют гальванические датчики кислорода в своих цепях управления для непосредственного контроля парциального давления кислорода во время работы. [3] Они также используются в анализаторах кислорода при рекреационном , техническом дайвинге и дайвинге на смесевых газах с поверхности для анализа доли кислорода в найтрокс , гелиокс или тримикс дыхательном газе перед погружением. [4]
Эти элементы представляют собой свинцово-кислородные гальванические элементы, в которых молекулы кислорода диссоциируют и восстанавливаются до гидроксильных ионов на катоде. Ионы диффундируют через электролит и окисляют свинцовый анод. Ток, пропорциональный скорости потребления кислорода, генерируется при электрическом соединении катода и анода через резистор. [1]
Функция [ править ]
Реакция ячейки для свинцово-кислородного элемента: 2Pb + O 2 → 2PbO, состоящая из катодной реакции: O 2 + 2H 2 O + 4e. − → 4ОН − , и анодная реакция: 2Pb + 4OH − → 2PbO + 2H 2 O + 4e − . [1]
Ток ячейки пропорционален скорости восстановления кислорода на катоде, но он не зависит линейно от парциального давления кислорода в газе, воздействию которого подвергается ячейка: линейность достигается за счет размещения диффузионного барьера между газом и катод, который ограничивает количество газа, попадающего на катод, до количества, которое можно полностью уменьшить без значительной задержки, в результате чего парциальное давление в непосредственной близости от электрода становится близким к нулю. В результате количество кислорода, достигающего электрода, подчиняется законам диффузии Фика и пропорционально парциальному давлению газа за мембраной. Это делает ток пропорциональным P O 2 . Нагрузочный резистор над ячейкой позволяет электронике измерять напряжение, а не ток. Это напряжение зависит от конструкции и возраста датчика и обычно варьируется от 7 до 28 мВ при P O 2 0,21 бар. [1]
Диффузия линейно зависит от градиента парциального давления, но также зависит от температуры, и ток увеличивается примерно на два-три процента на каждый кельвин повышения температуры. Для компенсации используется резистор с отрицательным температурным коэффициентом, и для того, чтобы он был эффективным, 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 контуром температурной компенсации и элементом для ускорения балансировки температуры. [1]
Температура также влияет на время отклика сигнала, которое обычно составляет от 6 до 15 секунд при комнатной температуре для 90% реакции на ступенчатое изменение парциального давления. Холодные камеры реагируют гораздо медленнее, а горячие гораздо быстрее. По мере окисления материала анода выходной ток падает и в конечном итоге полностью прекращается. Скорость окисления зависит от количества кислорода, поступающего на анод из сенсорной мембраны. Срок службы измеряется в кислородо-часах, а также зависит от температуры и влажности. [1]
Приложения [ править ]
Анализ газовой смеси [ править ]
Содержание кислорода в хранимой газовой смеси можно проанализировать, пропуская небольшой поток газа через недавно откалиброванную ячейку в течение достаточно долгого времени, чтобы выходной сигнал стабилизировался. Стабильный выход представляет собой долю кислорода в смеси. Необходимо следить за тем, чтобы поток газа не разбавлялся окружающим воздухом, поскольку это может повлиять на показания. [ нужна ссылка ]
Мониторинг состава дыхательных газов [ править ]
Парциальное давление кислорода в анестезирующих газах контролируется путем помещения ячейки в поток газа, который находится при местном атмосферном давлении, и может быть откалиброван для непосредственного указания доли кислорода в смеси. [ нужна ссылка ]
парциальное давление кислорода в камерах для дайвинга и смесях дыхательных газов, подаваемых на поверхность С помощью этих ячеек также можно контролировать . Это можно сделать, поместив ячейку непосредственно в гипербарическую среду, подключив ее через корпус к монитору, или косвенно, стравив газ из гипербарической среды или подав газ водолазом и проведя анализ при атмосферном давлении, а затем рассчитав парциальное давление в гипербарическая среда. Это часто требуется при погружениях с насыщением и коммерческом дайвинге с поверхностной подачей смешанного газа. [5] [2]
Системы управления дайвинга для ребризерами
Смесь дыхательного газа в контуре ребризера для дайвинга обычно измеряется с помощью кислородных ячеек, а выходные данные ячеек используются либо дайвером, либо электронной системой управления для управления добавлением кислорода для увеличения парциального давления, когда оно ниже выбранного нижнего значения. -точку или промыть газом-разбавителем, когда она превышает верхнюю уставку. 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 дайвером или изменения давления окружающей среды в результате изменения глубины. . [ нужна ссылка ]
Точность и надежность измерений важны в этом приложении по двум основным причинам. Во-первых, если содержание кислорода слишком низкое, дайвер потеряет сознание из-за гипоксии и, вероятно, умрет. [6] или если содержание кислорода слишком велико, риск кислородного отравления центральной нервной системы, вызывающего судороги и потерю сознания, с высоким риском утопления, становится неприемлемым. [6] Во-вторых, обязательства по декомпрессии не могут быть точно и 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 заданные значения обычно находятся в диапазоне от 1,2 до 1,6 бар, [6] для надежной проверки реакции в заданных точках потребуется специальное гипербарическое калибровочное оборудование. Это оборудование доступно, но оно дорогое и не широко используется и требует снятия элементов с ребризера и установки в испытательную установку. Чтобы компенсировать возможность отказа ячейки во время погружения, обычно устанавливаются три ячейки, исходя из того, что наиболее вероятен отказ одной ячейки за раз, и что, если две ячейки показывают одинаковое P O 2 , они более вероятны. быть правильным, 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 при одном погружении могут выйти из строя две ячейки. [6]
Датчики следует размещать в ребризере там, где не будет возникать температурного градиента между газом и электроникой в задней части ячеек. [1]
Продолжительность жизни [ править ]
Кислородные элементы ведут себя аналогично электрическим батареям, поскольку имеют ограниченный срок службы, который зависит от использования. Описанная выше химическая реакция заставляет элемент создавать электрический выходной сигнал с прогнозируемым напряжением, которое зависит от используемых материалов. Теоретически они должны давать это напряжение со дня их изготовления до тех пор, пока они не исчерпаются, за исключением того, что в сборке не учтен один компонент запланированной химической реакции: кислород. [7]
Кислород является одним из видов топлива клетки, поэтому чем больше кислорода на реакционной поверхности, тем больше генерируется электрический ток. Химический процесс устанавливает напряжение , а концентрация кислорода контролирует выходной электрический ток . Если к ячейке подключена электрическая нагрузка , она может потреблять этот ток, но если ячейка перегружена, напряжение упадет. Когда свинцовый электрод существенно окислен, максимальный ток, который может производить ячейка, упадет, и в конечном итоге линейность выходного тока к парциальному давлению кислорода на реактивной поверхности выйдет из строя в требуемом диапазоне измерений, и ячейка больше не будет работать. будьте точными. [7]
Существует два обычно используемых способа указать ожидаемый срок службы датчика: время в месяцах при комнатной температуре на воздухе или объемный процент кислорода в часах (объемный %O 2 ч). Хранение при низком парциальном давлении кислорода, когда он не используется, может показаться эффективным способом продлить срок службы элемента, но при хранении в бескислородных условиях ток датчика прекращается, и поверхность электрода может пассивироваться, что может привести к выходу датчика из строя. Высокие температуры окружающей среды увеличивают ток датчика и сокращают срок службы элемента. В водолазной службе срок службы элемента обычно составляет от 12 до 18 месяцев, из них около 150 часов службы в контуре водолазного обслуживания при парциальном давлении кислорода около 1,2 бар, а остальное время - при хранении на воздухе при комнатной температуре. [1]
Отказы в клетках могут быть опасными для жизни технических дайверов и, в частности, дайверов с ребризерами . [8] Общими для этих элементов являются следующие виды отказов: отказ с выходной мощностью выше ожидаемой из-за утечек электролита , что обычно связано с физическим повреждением, загрязнением или другими производственными дефектами; [7] или ограничение тока из-за исчерпания срока службы элемента и нелинейного выходного сигнала во всем его диапазоне. [1] [7]
Срок хранения можно максимально увеличить, если хранить элемент в запечатанном пакете, поставляемом производителем, до момента ввода в эксплуатацию, храня элемент до и между использованием при комнатной температуре или ниже - диапазон от 10 до 22 °C рекомендуется производителем - и избегайте хранения элемента в теплых или сухих помещениях в течение длительного времени, особенно в местах, подверженных воздействию прямых солнечных лучей. [9]
Режимы отказа [ править ]
Новый датчик может выдавать линейный выходной сигнал при парциальном давлении кислорода более 4 бар, а по мере износа анода диапазон линейного выходного сигнала падает, в конечном итоге до уровня ниже диапазона парциальных давлений, которые можно ожидать при эксплуатации, на этом этапе он больше не подходит для управления системой. Максимальный выходной ток со временем падает ниже величины, необходимой для отображения всего диапазона парциальных давлений, ожидаемых в работе. Это состояние называется токоограниченным . Современные ограниченные ячейки не дают достаточно высокой мощности при высоких концентрациях кислорода. [1] [7] Схема управления ребризером реагирует так, как будто в контуре недостаточно кислорода, и вводит больше кислорода, пытаясь достичь заданного значения, которое клетка никогда не сможет указать, что приводит к гипероксии . Когда датчик с ограничением тока больше не может надежно активировать систему управления при верхнем заданном значении в системе жизнеобеспечения, существует серьезный риск возникновения избыточного парциального давления кислорода, которое не будет замечено, что может быть опасным для жизни. [1] [10]
Другие виды отказов включают механические повреждения, такие как обрыв проводников, коррозия контактов и потеря электролита из-за повреждения мембран. [1] [7]
Невысокий уровень – выходной сигнал, показывающий, что парциальное давление выше реального – всегда является результатом производственного сбоя или механического повреждения. В ребризерах отказ на высоком уровне приведет к тому, что ребризер будет считать, что в контуре больше кислорода, чем есть на самом деле, что может привести к гипоксии . [7]
Нелинейные ячейки не работают ожидаемым образом в требуемом диапазоне парциальных давлений кислорода. Двухточечная калибровка по дилуенту и кислороду при атмосферном давлении не выявляет эту неисправность, что приводит к неточному содержимому контура ребризера. Это создает возможность развития декомпрессионной болезни, если в контуре поддерживается более низкое парциальное давление, чем указано на выходе ячейки, или гипероксии, если в контуре поддерживается более высокое парциальное давление, чем указано на выходе ячейки. [7]
Тестирование клеток в полевых условиях [ править ]
Предотвратить несчастные случаи в ребризерах из-за отказа ячеек в большинстве случаев возможно путем точного тестирования ячеек перед использованием. [7] Некоторые дайверы проводят проверки в воде, повышая содержание кислорода в контуре до давления, превышающего давление чистого кислорода на уровне моря, чтобы указать, способна ли ячейка работать на высокую мощность. [11] Этот тест является лишь выборочной проверкой и не позволяет точно оценить качество ячейки или предсказать ее отказ. [11] Единственный способ точно протестировать 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 отображать их в виде графика. [ нужна ссылка ]
Управление отказом ячеек в системе жизнеобеспечения [ править ]
Если используется более одной статистически независимой ячейки, маловероятно, что более одной из них выйдет из строя одновременно. Если предположить, что только одна ячейка выйдет из строя, то сравнение трех или более выходных сигналов, откалиброванных в двух точках, скорее всего, выявит неисправную ячейку, предполагая, что любые две ячейки, которые выдают одинаковый выходной сигнал, являются правильными, и та, которая выдает другой результат, неисправен. На практике это предположение обычно верно, особенно если есть некоторая разница в истории задействованных клеток. [12] [7] Концепция сравнения выходных сигналов трех ячеек в одном и том же месте контура и управления газовой смесью на основе среднего выходного сигнала двух ячеек с наиболее похожим выходным сигналом в любой момент времени известна как логика голосования и более надежна, чем управление. на основе одной ячейки. Если выходной сигнал третьей ячейки существенно отличается от двух других, сигнал тревоги указывает на вероятный отказ ячейки. Если это произойдет перед погружением, ребризер считается небезопасным и его нельзя использовать. Если это происходит во время погружения, это указывает на ненадежную систему управления, и погружение следует прервать. Продолжение погружения с использованием ребризера при неисправной ячейке сигнализации значительно увеличивает риск фатального отказа управления контуром. Эта система не совсем надежна. Сообщалось как минимум об одном случае, когда две ячейки вышли из строя аналогичным образом, и система управления проголосовала за оставшуюся исправную ячейку. [6] [10]
Если бы вероятность отказа каждой ячейки была статистически независимой от других и каждой ячейки в отдельности было бы достаточно для обеспечения безопасного функционирования ребризера, параллельное использование трех полностью резервированных ячеек снизило бы риск отказа на пять или шесть порядков. . [6]
Логика голосования существенно меняет ситуацию. Большинство ячеек не должны выходить из строя для безопасного функционирования устройства. Чтобы решить, правильно ли функционирует ячейка, ее необходимо сравнить с ожидаемым результатом. Это делается путем сравнения его с выходными данными других ячеек. В случае двух ячеек, если выходы различаются, то как минимум одна должна быть неправильной, но неизвестно какая. В таком случае дайверу следует предположить, что устройство небезопасно, и выпрыгнуть с парашютом, чтобы разомкнуть цепь. В случае трех ячеек, если все они различаются в пределах допустимого допуска, все они могут считаться функциональными. Если два из них отличаются в пределах допуска, а третий — нет, то два в пределах допуска можно считать работоспособными, а третий — неисправным. Если ни один из них не находится в пределах допуска друг к другу, все они могут быть неисправны, а если один из них не находится в пределах допуска, то невозможно его идентифицировать. [6]
При использовании этой логики повышение надежности, достигаемое за счет использования логики голосования, при которой для функционирования системы должны работать как минимум два датчика, значительно снижается по сравнению с версией с полным резервированием. Улучшения происходят лишь на один-два порядка. Это было бы большим улучшением по сравнению с одним датчиком, но приведенный выше анализ предполагал статистическую независимость от отказа датчиков, что, как правило, нереально. [6]
Факторы, которые делают выходные данные клеток в ребризере статистически зависимыми, включают: [6] [7]
- Общий калибровочный газ. Все они калибруются вместе при проверке перед погружением с использованием одного и того же разбавителя и источника кислорода.
- Датчики часто изготавливаются из одной и той же производственной партии. Компоненты, материалы и процессы могут быть очень похожими.
- Датчики часто устанавливаются вместе и с тех пор подвергаются воздействию одного и того же температурного профиля P O 2 в течение последующего времени.
- Общая рабочая среда, особенно в отношении температуры и относительной влажности, поскольку они обычно устанавливаются в непосредственной близости в контуре, чтобы обеспечить измерение одинакового газа.
- Общие системы измерения
- Общая прошивка для обработки сигналов
Эту статистическую зависимость можно свести к минимуму и смягчить за счет: [6] [7]
- Использование датчиков разных производителей или партий, чтобы не было двух датчиков из одной партии.
- Датчики меняются в разное время, поэтому у каждого из них своя история.
- Проверка правильности калибровочных газов
- Добавление статистически независимой системы измерения P O 2 в контур в другом месте, использование датчика другой модели и использование другой электроники и программного обеспечения для обработки сигнала.
- Калибровка этого датчика с использованием источника газа, отличного от других
Альтернативный метод обеспечения резервирования в системе управления заключается в периодической повторной калибровке датчиков во время погружения, подвергая их воздействию потока либо разбавителя, либо кислорода, либо того и другого в разное время, а также используя выходной сигнал для проверки того, правильно ли реагирует ячейка на известный газ как известная глубина. Этот метод имеет дополнительное преимущество, позволяя проводить калибровку 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 промывку дилуентом на любой глубине, на которой дилуент пригоден для дыхания, чтобы сравнить показания ячейки P O 2 с известными F O 2 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 газовой смеси F O 2 неисправен , или любая их комбинация. Поскольку все три возможных неисправности могут быть опасными для жизни, тест является весьма эффективным. [6]
Тестирование [ править ]
Первое коммерчески доступное сертифицированное устройство для проверки кислородных элементов было выпущено в 2005 году компанией Narked в 90 лет. [11] но коммерческого успеха не добился. Значительно переработанная модель была выпущена в 2007 году и получила «Премию Гордона Смита» за инновации на выставке производителей оборудования для дайвинга во Флориде. [13] Компания Narked at 90 Ltd также получила награду за инновации за «продукт для технического дайвинга, который сделал дайвинг более безопасным» на выставке EUROTEK.2010 за свой прибор для проверки кислородных клеток. [1] Архивировано 23 января 2021 г. в Wayback Machine . Cell Checker использовался такими организациями, как Teledyne , Vandagraph , [ нужна ссылка ] Национальное управление океанических и атмосферных исследований , [11] НУРК ( Центр подводных исследований НАТО ), [11] и научно-исследовательский центр дайвинг-болезней . [11]
Также доступен небольшой сосуд под давлением для гипербарических испытаний клеток, в котором можно использовать атмосферу кислорода под давлением до 2 бар для проверки линейности при более высоких давлениях с помощью электроники ребризера. [14]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Зибер, Арне (18–20 мая 2012 г.). Ванн, Ричард Д.; Денобль, Петар Дж.; Поллок, Нил В. (ред.). Технология датчиков кислорода для ребризеров (PDF) . Материалы форума ребризера 3. Дарем, Северная Каролина: AAUS/DAN/PADI. стр. 185–192. ISBN 978-0-9800423-9-9 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2014 г. Проверено 15 января 2018 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б IMCA D 022 (май 2000 г.), Руководство для супервайзера по дайвингу. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 октября 2011 г. Проверено 6 ноября 2011 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Гобл, Стив (2003). «Ребризеры» . Журнал Общества подводной медицины Южно-Тихоокеанского региона . 33 (2): 98–102. Архивировано из оригинала 8 августа 2009 г. Проверено 20 марта 2009 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ Ланг, Массачусетс (2001). Материалы семинара DAN Nitrox . Дарем, Северная Каролина: Сеть оповещения дайверов. п. 197. Архивировано из оригинала 24 октября 2008 года . Проверено 20 марта 2009 г.
{{cite book}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ IMCA D030 Ред. 1 (август 2005 г.); Водолазные работы на смесях газа с поверхности «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 октября 2011 г. Проверено 6 ноября 2011 г.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м Джонс, Найджел А. (18–20 мая 2012 г.). Ванн, Ричард Д.; Денобль, Петар Дж.; Поллок, Нил В. (ред.). Резервирование датчика PO2 (PDF) . Материалы форума ребризера 3. Дарем, Северная Каролина: AAUS/DAN/PADI. стр. 193–292. ISBN 978-0-9800423-9-9 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2014 г. Проверено 15 января 2018 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Раймакерс, Пол (18 октября 2010 г.). «Понимание датчиков кислорода и почему НЕ менять их все одновременно» (PDF) . www.revo-rebreathers.com . Проверено 28 сентября 2021 г.
- ^ Ванн Р.Д., Поллок Н.В., Денобл П.Дж. (2007). Н. В. Поллок, Дж. М. Годфри (ред.). «Расследование гибели ребризера» . Труды Американской академии подводных наук . Дайвинг ради науки 2007 (Двадцать шестой ежегодный симпозиум по научному дайвингу). Остров Дофин, Алабама: Американская академия подводных наук. ISBN 978-0-9800423-1-3 . Архивировано из оригинала 22 ноября 2008 года . Проверено 20 марта 2009 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ персонал. «Рекомендации по хранению микротопливных элементов» . Аналитические инструменты Теледайн . Проверено 14 января 2018 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Митчелл, Саймон (апрель 2015 г.). «Эксплуатационные аспекты технического дайвинга» . www.youtube.com . ДАН Южная Африка. Событие происходит в 48:00 . Проверено 28 сентября 2021 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж «Представляем программу проверки сотовой связи, удостоенную дважды наград, от Narked at 90» . www.narkedat90.com . Проверено 29 сентября 2021 г.
- ^ Ячейки из одной партии с одинаковой историей с большей вероятностью выйдут из строя одинаково, чем ячейки с другой историей.
- ^ «РЕДЫШАЮЩИЕ - Из двадцати тысяч лье под водой и за ее пределами...» Международный журнал Defense & Community . Проверено 20 марта 2009 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «Представляем мини-чек» . www.narkedat90.com . Проверено 29 сентября 2021 г.
