Войти
Электро-гальванический топливный элемент как используется в водолазном ребризере для измерения парциального давления кислорода. 
Две кислородные ячейки, используемые анализаторами кислорода для подводного газа, с часто используемыми разъемами электрогальванический топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, которое потребляет топливо для выработки электроэнергии в результате химической реакции. Один из видов электрогальванических топливных элементов, основанный на окислении свинца, обычно используется для измерения концентрации газа кислорода при подводном плавании и в медицине дыхательные газы.
Подводное плавание с электронным мониторингом или контролем ребризеры, системы насыщенного погружения и многие медицинские системы жизнеобеспечения используют гальванические датчики кислорода в своих цепях управления для непосредственного контроля кислорода парциального давления во время операции. Они также используются в анализаторах кислорода в рекреационном, техническом дайвинге и погружениях на смешанных газах с поверхностной подачей для анализа содержания кислорода в нитроксе, гелиоксе. или trimix дыхательный газ перед погружением.
Эти элементы представляют собой гальванические элементы свинца / кислорода, 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
Реакция ячейки для ячейки свинец / кислород: 2Pb + O 2 → 2PbO, состоящая из катодной реакции: O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH, и анодная реакция: 2Pb + 4OH → 2PbO + 2H 2 O + 4e.
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 законам диффузии Фика и пропорционально парциальному давлению газа за мембраной. Это делает ток пропорциональным P O2. 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 P O20,21 бар
Диффузия линейно зависит от градиента парциального давления, но также зависит от температуры., и ток возрастает примерно на два-три процента при повышении температуры по Кельвину. Для компенсации используется резистор с отрицательным температурным коэффициентом, и для его эффективности он должен иметь ту же температуру, что и элемент. Кислородные ячейки, которые могут подвергаться относительно большим или быстрым перепадам температуры, например ребризеры, обычно используют теплопроводящую пасту между схемой компенсации температуры и ячейкой, чтобы ускорить балансировку температуры.
Температура также влияет на реакцию сигнала время, которое обычно составляет от 6 до 15 секунд при комнатной температуре для 90% реакции 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
Содержание кислорода в хранимой газовой смеси может быть проанализировано путем небольшой поток газа через недавно откалиброванную ячейку в течение достаточно длительного времени, чтобы выход стабилизировался. Стабильный выходной сигнал представляет собой долю кислорода в смеси. Необходимо следить за тем, чтобы поток газа не разбавлялся окружающим воздухом, поскольку это может повлиять на показания.
Контролируется парциальное давление кислорода в анестезирующих газах путем размещения ячейки в потоке газа, который находится под местным атмосферным давлением и может быть откалиброван для непосредственного определения доли кислорода в смеси.
Парциальное давление кислорода в камерах для дайвинга и дыхательные газовые смеси, подаваемые с поверхности, 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 при погружении с насыщением и коммерческом погружении на смешанном газе с поверхностно ориентированной поверхностной подачей газа.
Дыхательная газовая смесь в контуре водолазного дыхательного аппарата обычно является измеряется с помощью кислородных ячеек, и выход ячеек используется либо дайвером, либо электронной системой управления для контроля добавления кислорода для увеличения парциального давления, когда оно ниже выбранного нижнего заданного значения, или для промывки газом-разбавителем, когда оно выше верхней уставки. 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..
Точность и надежность измерения важны в этом приложении по двум основным причинам. Во-первых, если содержание кислорода слишком низкое, дайвер потеряет сознание из-за гипоксии и, вероятно, умрет, или, если содержание кислорода будет слишком высоким, риск отравления центральной нервной системой кислородным отравлением вызвать судороги и потерю сознания, с высоким риском утопления становится недопустимым. Во-вторых, обязательства по декомпрессии нельзя точно или надежно рассчитать, если состав дыхательного газа неизвестен. 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, потребуется специальное оборудование для гипербарической калибровки, чтобы надежно проверить реакцию при уставках. 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 того принципа, что отказ одной ячейки за раз наиболее вероятен, и что если две ячейки показывают одно и то же P O2, они больше скорее всего будет правильным, чем отдельная 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.
Датчики следует размещать в ребризере, где существует температурный градиент между газом и электроникой в задней части ячеек. не произойдет.
Кислородные элементы ведут себя так же, как электрические батареи, в том смысле, что они имеют ограниченный срок службы, который зависит от использования. химическая реакция, описанная выше, заставляет ячейку создавать электрический выход, 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 будут исчерпаны, за исключением того, что один компонент запланированной химической реакции был исключен из сборки: кислород.
Кислород является одним из видов топлива элемента, поэтому чем больше кислорода находится на поверхности реакции, тем больше генерируется электрический ток. Химия устанавливает напряжение, а концентрация кислорода регулирует выход электрического тока. Если к ячейке подключена электрическая нагрузка, она 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 датчика: время в месяцах при комнатной температуре на воздухе или часы объемного процента кислорода (об.% O 2 ч). Хранение при низком парциальном давлении кислорода, когда оно не используется, могло бы показаться эффективным способом продления срока службы элемента, но при хранении в бескислородных условиях ток датчика пропадет, и поверхность электрода может пассивироваться, что может привести к отказу датчика. Высокая температура окружающей среды увеличивает ток датчика и сокращает срок службы элементов. В водолазном режиме 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 хранится на воздухе при комнатной температуре.
Сбои в работе камер могут быть опасными для жизни технических дайверов, в частности, дайверов с ребризером. Общие для этих ячеек режимы отказа: выход из строя с выходом выше ожидаемого из-за утечек электролита, что обычно связано с физическим повреждением, загрязнением или другими производственными дефектами, или ограничением тока из-за истощенного элемента. срок службы и нелинейный выход во всем диапазоне.
Срок годности можно увеличить, храня ячейку в запечатанном пакете, поставляемом производителем, до ввода в эксплуатацию, храня ячейку до и между использованием в помещении или ниже температура, - производитель рекомендует диапазон от 10 до 22 ° C, - и избегайте длительного хранения ячейки в теплой или сухой среде, особенно в местах, подверженных воздействию прямых солнечных лучей.
Новый датчик может выдавать линейный выходной сигнал для парциального давления кислорода более 4 бар, и по мере расходования анода диапазон линейного выходного сигнала падает, в конечном итоге, ниже диапазона парциальных давлений, которые можно ожидать при эксплуатации, при на каком этапе это больше не f это 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 ограниченным по току. 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.
К другим видам отказа относятся механические повреждения, такие как обрыв проводов, корродированные контакты и потеря электролита из-за повреждения мембран.
Сбой высокого уровня 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 гипоксии..
Ячейки с ограниченным током не дают достаточно высокого выхода при высоких концентрациях кислорода. Контур управления ребризером реагирует так, как будто в контуре недостаточно кислорода, и впрыскивает больше кислорода для достижения заданного значения, которое ячейка никогда не может указать, что приводит к гипероксии.
Нелинейные ячейки не работают должным 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 создает вероятность 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.
Предотвращение аварий в дыхательных аппаратах из-за отказов ячеек в большинстве случаев возможно путем точного тестирования ячеек перед использованием. 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. Этот тест является только выборочной проверкой и не позволяет точно оценить качество этой ячейки или спрогнозировать ее отказ. Единственный способ точно проверить ячейку - это испытательная камера, которая может удерживать калиброванное статическое давление выше верхнего заданного значения без отклонений и возможность записывать выходное напряжение во всем диапазоне рабочих парциальных давлений и строить их график.
Если используется несколько статистически независимых ячеек, маловероятно, что одновременно откажется 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. 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. Сообщалось по крайней мере об одном случае, когда две ячейки вышли из строя одинаково, и система управления выбрала оставшуюся исправную ячейку.
Если вероятность отказа каждой ячейки была статистически независимой от других, и каждая ячейка отдельно была Достаточно для обеспечения безопасной работы ребризера, использование трех полностью резервированных ячеек параллельно снизило бы риск отказа на пять или шесть порядков.
Логика голосования это значительно 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 выходными данными 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 отличаются 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.
Используя эту логику, повышение надежности достигается за счет использования логики голосования, где По крайней мере, два датчика должны функционировать, чтобы система функционировала, что значительно сокращается по сравнению с версией с полным резервированием. Улучшения возможны только на один-два порядка. Это было бы значительным улучшением по сравнению с одиночным датчиком, но приведенный выше анализ предполагает статистическую независимость отказа датчиков, что обычно нереально.
Факторы, которые делают выходы ячеек в ребризере статистически зависимыми, включают:
Это статистическое зависимость может быть минимальной исправлено и смягчено:
Альтернативный метод обеспечения избыточности в системе управления заключается в периодической повторной калибровке датчиков во время погружения, подвергая их потоку либо разбавителя, либо кислорода, либо обоих в разное время и используя выходные данные, чтобы проверить, реагирует ли ячейка должным образом на газ, известный как известная глубина. Дополнительным преимуществом этого метода является возможность калибровки при более высоком парциальном давлении кислорода, чем 1 бар. Эта процедура может выполняться автоматически, если система была разработана для этого, или дайвер может вручную выполнить промывку разбавителя на любой глубине, на которой разбавитель пригоден для дыхания, чтобы сравнить показания ячейки P O2с известным значением F <122.>и абсолютное давление для проверки отображаемых значений. Этот тест не только проверяет ячейку. Если датчик не отображает ожидаемое значение, возможно, неисправен датчик кислорода, датчик давления (глубины) или газовая смесь F O2, или любая их комбинация. Поскольку все три из этих возможных неисправностей могут быть опасными для жизни, этот тест весьма эффективен.
Устройство проверки кислородных гальванических элементов Первое сертифицированное устройство для проверки элементов, которое было коммерчески доступно, было выпущено в 2005 г., Narked at 90, Cell checker, 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. Компания Narked at 90 Ltd получила награду за инновации за «изделие для технического дайвинга, которое сделало дайвинг более безопасным» на выставке EUROTEK.2010 за устройство для проверки кислородных клеток. [1]. В настоящее время используется во всем мире такими организациями, как Teledyne, Национальное управление океанических и атмосферных исследований, NURC (Центр подводных исследований НАТО ) и Diving Diseases. Исследовательский центр.
