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 .
Системы ребризера для дайвинга с электронным контролем или управлением , [1] системы погружения с насыщением, [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 смешанном газе с поверхности для анализа доли кислорода в дыхательном газе найтрокс , гелиокс или тримикс 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]
Реакция ячейки для свинцово-кислородного элемента: 2Pb + O 2 → 2PbO, состоящая из катодной реакции: O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − и анодной реакции: 2Pb + 4OH − → 2PbO + 2H. 2 О + 4е - . [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 этого 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 схемой 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].
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 цитата ]
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 цитата ]
С помощью этих ячеек также можно контролировать парциальное давление кислорода в камерах для дайвинга и смесях дыхательных газов, подаваемых на поверхность . 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]
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 цитата ]
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] , а если содержание кислорода слишком высокое, существует риск кислородного отравления центральной нервной системы , вызывающего судороги и потерю сознания, с высокий риск 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] потребуется специальное гипербарическое калибровочное оборудование для надежной проверки реакции на заданные значения. 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]
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 подавать это напряжение со дня их создания до тех пор, пока они не исчерпаются, за исключением того, что в сборке исключен 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 продления срока 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. При 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: выход из строя с более высокой, чем ожидалось, выходной мощностью из-за утечек электролита , что обычно связано с физическим повреждением, загрязнением или другими производственными дефектами, [7] или ограничением тока из-за истощения элемента. срок службы и нелинейная выходная мощность во всем 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 - рекомендованный диапазон от 10 до 22 °C. производителем - и избегайте хранения элемента в теплых или сухих помещениях в течение длительного времени, особенно в местах, подверженных воздействию прямых солнечных лучей. [9]
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 производительности при высоких концентрациях кислорода. [1] [7] Схема управления ребризером реагирует так, как будто в контуре недостаточно кислорода, и впрыскивает 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 обрывы 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 брака 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]
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 определить, 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 цитата ]
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 одна из них, 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 надежен, чем контроль на основе одной клетки. 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 ненадежность системы 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 отклонила 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]
Эту статистическую зависимость можно свести к минимуму и смягчить следующим образом: [6] [7]
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 известным F O 2 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 газовой смеси F O 2 , или любая их комбинация. Поскольку все три возможных неисправности могут быть опасными для жизни, тест является весьма эффективным. [6]
Первое коммерчески доступное сертифицированное устройство для проверки кислородных элементов было выпущено в 2005 году компанией Narked в 90 году [11] , но не достигло коммерческого успеха. 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 свою программу проверки кислородных клеток.[1] Архивировано 23 января 2021 г. в Wayback Machine . Cell Checker использовался такими организациями, как Teledyne , Vandagraph , Национальное управление океанических и атмосферных исследований , [11] NURC ( Центр подводных исследований НАТО ), [11] и Исследовательский центр болезней дайвинга . [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]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )