재호흡기 내에서의 산소 센서 및 사용

재호흡기 내에서의 산소 센서 및 사용

저자 – Kevin Gurr
날짜 – 2013
번역 – 구글 번역기, 파파고 번역기
번역 작업 – 이성섭(Sapo)
번역일 – 2022. 04. 19

목차

역사 ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 1
컨셉 …………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1
작동 원리 …………………………………………………………………………………………………………………………………. 1
개념 요약 …………………………………………………………………………………………………………………………………. 3
기계적 구조 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 4
센서 구성 …………………………………………………………………………………………………………………………………. 6
전기적 구성 …………………………………………………………………………………………………………………………….. 7
전자 기능 …………………………………………………………………………………………………………………………………. 7
센서를 재호흡기에 연결하기…………………………………………………………………………………………………. 8
일반 센서 사양 ……………………………………………………………………………………………………………………….. 9
센서의 응답 시간 이해 ………………………………………………………………………………………………………. 10
센서 수명 ………………………………………………………………………………………………………………………………. 11
고장(에러) 실제 예 ………………………………………………………………………………………………………………. 12
습도 …………………………………………………………………………………………………………………………………………. 12
전류 제한 ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 14
재호흡기에서 산소 센서 사용하기 …………………………………………………………………………………… 14
캘리브레이션(Calibration) …………………………………………………………………………………………………… 16
보관 및 센서 수명 ………………………………………………………………………………………………………………. 17
재호흡기 제어 시스템 …………………………………………………………………………………………………………. 18
          전제 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 19
          산소센스 고장 모드 ……………………………………………………………………………………………….. 19
예시 ……………………………………………………………………………………………………………………………. 20
골든 룰 …………………………………………………………………………………………………………………………………… 20

역사
산소 센서는 1960년대에 발명되었습니다.

재호흡기의 첫 번째 사용은 Electrolung의 Walter Stark였습니다. Electrolung의 개발은 1968년 초 바하마에서 Ed Link의 잠수 연구선에서 John Kanwisher와 Walter Stark의 우연한 만남을 통해 이루어졌습니다. Ed는 그의 새로운 잠수잠수함 ‘Deep Diver’를 시험해 보고 있었고, 관련 관심사를 가진 여러 연구원들을 초대했습니다. Walter는 심층 생물학적 수집을 하기 위해 그곳에 있었고 John은 그가 개발한 새로운 음향 원격 측정 장비를 사용하여 다이버의 심박수/호흡 측정을 하기 위해 그곳에 있었습니다. 두 사람 모두 산소 분압(PPO₂)을 제어하기 위해 전자 센서를 사용하는 혼합 가스 폐쇄 회로 재호흡기(CCRB)의 실현 가능성을 고려했던 것으로 밝혀졌습니다. 그래서 Electrolung이 탄생했습니다.

산소 센서는 최대 1 표준 대기(atm) 또는 해수면에서 100% 산소를 측정하기 위한 대기압 장치로 개발되었습니다. 산소 센서는 40년 이상 동안 매우 안정적인 것으로 입증되었습니다. 영국 내에서만 한 번에 20,000개 이상이 사용됩니다. 의료 산업에서 많은 생명 유지 시스템; 마취 기계, 인공 호흡기, 인큐베이터에는 적어도 하나, 때로는 두 개가 있습니다.

현재 전 세계적으로 여러 산소 센서 제조업체가 있습니다.

개념
산소 센서는 갈바닉 연료 전지(‘습식 요소’)와 전자 패키지로 구성됩니다. 여러 부품들을 결합하여 산소 센서를 만듭니다. 산소 전지는 전기 화학 장치입니다. 아마도 산소센서를 생각하는 가장 좋은 방법은 배터리를 연상하는 것입니다. 배터리는 완전한 전기 화학 장치이며 설계 사양에 따라 최대 전압과 전류를 제공할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 출력이 감소(감쇠)되고 결국 0으로 떨어집니다. 그러나 배터리와 달리 산소 전지는 초기에 비활성화되어 있고, 화학 반응을 시작하여 전기 출력을 생성하기 위해서는 추가 촉매(산소)가 필요합니다. 산소 세포의 출력이 붕괴되는 시간은 주로 노출된 산소의 양에 따라 달라집니다.

작동 원리
산소(O2)는 기체입니다. 그것은 대부분의 살아있는 유기체의 신진 대사에 필수적이며 강력한 산화제입니다. 산소가 산소 센서 내의 화학 원소에 노출되면 화학 반응을 일으킵니다. 산소 전지에서 일반적으로 발견되는 화학 원소는 다음과 같습니다.

납(PB) – 양극
백금(PT) – 음극
수산화칼륨(KOH) – 전해질

음극과 접촉하는 산소는 양극에서 납 산화의 균형 반응과 함께 수산기 이온으로 환원됩니다. 반응 방정식은 다음과 같습니다.

음극 O2 + 2H₂O + 4e- → 4OH
양극 2Pb + 4OH- → 2PbO + 2H₂O+ 4e-
전체 O2 + 2Pb → 2PbO

그 결과 산소 센서는 전류(전압이 아님)를 생성하며, 이는 산소 소비율에 비례합니다. 이 전류는 음극과 양극(산소 전지의 ‘습식 요소’에 있는 2개의 핀) 사이에 부하 저항을 배치하고 저항 양단의 결과적인 전압 강하를 측정하여 쉽게 측정할 수 있습니다.

양극은 납으로 만들어지지만 단단하지 않습니다. 그것은 도넛으로 압축된 작은 납 공의 모음입니다. 이는 센서 수명 전반에 걸쳐 납 사용을 균일하게 하는 효과가 있습니다. 전기화학 반응 동안 산소는 납을 납 산화물로 변환하고, 이는 차례로 센서에서 나오는 전류를 생성합니다.

납을 사용함에 따라 양극의 표면적이 줄어들어 전기 출력이 떨어집니다. 접합된 리드(리드 볼이 압축되어 서로 ‘붙어 있음’)를 사용하면 이러한 효과를 줄일 수 있으므로 센서 수명이 끝날 때까지 상당히 일정한 출력을 유지합니다. 센서는 수명이 다할 때까지 측정 가능한 출력 감소를 나타내지만 연속적인 선형 감소는 아닙니다.

대부분의 갈바닉 산소 센서는 천공되고 볼록한 금 또는 백금 도금(또는 다른 귀금속) 소결 강철 음극을 사용합니다. 캐소드는 전해질을 통과시키고 캐소드 상단을 지속적으로 젖게 유지(전해액 포함)하여 산소 감지 동작 동안 내부 저항을 최소화합니다. 이것은 산화 가능한 납 양극과 결합하여 전기화학 반응을 완료합니다. 언급한 바와 같이 센서의 수명은 양극에 남아 있는 납의 양에 따라 달라지며 대부분의 납이 산화될 때까지 출력이 거의 일정하게 유지되기 때문에 산소 센서의 ‘수명 종료’를 예측하기 어렵습니다.

산소 센서에 사용되는 가장 일반적인 전해질은 수산화칼륨(KOH)입니다. 약산도 사용할 수 있지만 pH 10에서 12 사이의 전해질에서 납 산화가 가장 잘 제어되기 때문입니다.

납이 산화됨에 따라 산화물은 순수한 납보다 더 많은 부피를 차지하므로 산소 센서 내부의 결합된 양극 및 전해질 부피가 확장됩니다. 센서가 올바르게 설계되지 않으면 내부 압력이 상승하여 센서가 부정확해지고 결국 장치가 손상될 수 있습니다. 유연한 후면 멤브레인을 사용하면 볼륨을 균등화하는 데 도움이 됩니다.

재호흡기에 사용하려면 부분 압력 센서 설계가 필요합니다. 가스가 센서로 확산되는 ‘테플론과 같은’ 고체 고분자 멤브레인이 사용됩니다. 소수성 멤브레인이 추가되어 테플론 멤브레인이 응축되지 않도록 합니다. 멤브레인을 가로지르는 PPO2 압력 구배는 멤브레인 양쪽의 산소 부분압에 선형 비례합니다. 확산 속도는 또한 온도에 크게 의존합니다. 가스는 먼저 이 멤브레인을 통과해야 하므로 멤브레인은 멤브레인과 음극 사이의 전해질과 함께 센서의 응답 시간을 제어합니다. 멤브레인은 제조 시 설정되며 멤브레인을 통과하는 가스의 속도는 멤브레인이 노화되거나 응축 또는 오염의 영향을 받지 않는 한 변경할 수 없습니다.

멤브레인 표면의 물은 장벽 역할을 하며, 산소는 일정한 속도로 물을 통과한 다음 멤브레인을 통해 센서로 이동합니다.

음극에서 산소 소비는 주변 PPO₂에 정비례하는 멤브레인을 가로질러 부분 압력 구배를 유지합니다. 셀이 올바르게 작동하면 셀 출력은 주변 PPO₂에 정비례하여 증가합니다.

간단한 예는 다음과 같습니다.

산소 센서는 해수면에서 10mv를 읽습니다(PPO₂ = 0.20945 atm). PPO₂가 1.0 atm으로 올라가면 센서 출력은 47.74mv로 올라갑니다.

1.0 ÷ 0.20945 = 4.774
4.774 × 10mv = 47.74mv

개념 요약
재호흡기 갈바닉 산소 센서는 다음과 같은 특성을 나타냅니다.

1. 일정한 산소 농도(산소 비율)에서 출력은 주변 압력이 증가함에 따라 선형적으로 계속 증가합니다(산소 비율이 변하지 않더라도). 따라서 출력은 PPO2에 따라 선형적으로 변합니다.
2. 대기압의 변화는 산소 분압에 선형적으로 영향을 미치므로 센서도 주변 압력에 선형적으로 의존합니다.
3. 기체는 고체 고분자 막을 통해 확산되어야 하므로 확산 속도는 기체 분압뿐만 아니라 막의 확산도에 따라 달라집니다.

가. 고분자막의 확산도는 온도에 따라 크게 달라지며 일반적으로 2.5%/C입니다. 이것은 온도 변화를 보상하기 위해 산소 센서 본체 내부에 음의 온도 계수(NTC) 서미스터 센서를 사용하여 수정됩니다.

나. 열 과도 상태(급격한 열 변화) 동안 멤브레인 확산과 NTC 서미스터는 위상이 다를 수 있고 상당한 PPO₂ 변화가 발생할 수 있습니다.

4. 고분자 막을 통한 확산은 상대적으로 느리고 산소 분압의 약 90%에 빠르게(10초 이내) 반응하지만 나머지 10%는 완전히 기록하는 데 20-60분이 소요될 수 있습니다. 확산 속도는 멤브레인의 응축수의 함수이기도 합니다.
5. 부분 압력 센서는 압력에 선형적으로 의존합니다. 재호흡기 애플리케이션에서 센서는 ‘밸런스’를 맞춰야 합니다. 이것은 주변 압력이 장치의 양쪽 끝에 허용되어야 함을 의미합니다. 한쪽이 주위 압력에 대해 닫히면 밸런서에서와 같이 PPO₂뿐만 아니라 압력(깊이)과 PPO₂와 함께 출력이 상승합니다.

요약하자면; 부분 압력 센서는 PPO₂의 변화에 선형적으로 반응하고, 온도 보상이 필요하고, 응답 시간이 느리고, 올바르게(균형화된) 설계된 경우 주변 압력 변화에 노출되었을 때 출력의 변화를 나타내지 않습니다. 그들은 염소와 높은 수준의 CO₂(재호흡기 시스템에서 경험하는 생리학적 수준보다 훨씬 높음)를 제외한 대부분의 다른 가스의 영향을 받지 않습니다.

알려진 환경과 장치 작동 한계 내에서 매우 안정적이고 신뢰할 수 있습니다. 그들은 ‘수명'(주로 노출되는 산소 수준의 함수로)이 있습니다.

설계 사양을 벗어나 작동하면 신뢰성이 떨어지고 부정확해질 수 있습니다.

기계적 구조
센서 케이스는 일반적으로 폴리에틸렌과 같은 플라스틱으로 구성됩니다. 전해질이 센서 내에 남아 있도록 하기 위해 두 개의 고체 고분자 멤브레인이 양극/음극/전해질 어셈블리의 양쪽에 배치됩니다.

그림 1 상단 커버가 제거된 센서 및 센서 전기 연결 및 인쇄 회로 기판(PCB)

그림 2 전면 및 후면 덮개가 제거된 센서

그림 3 저항과 NTC 서미스터를 보여주는 전자 인쇄 회로 기판(PCB)

센서 케이스는 일반적으로 폴리에틸렌과 같은 플라스틱으로 구성됩니다. 전해질이 센서 내에 남아 있도록 하기 위해 두 개의 고체 고분자 멤브레인이 양극/음극/전해질 어셈블리의 양쪽에 배치됩니다.

센서 구성

그림 4 센서 단면

이 후면 멤브레인이 막히지 않는 것이 중요합니다. 센서가 올바르게 작동하려면 부피가 일정해야 하며 그렇지 않으면 센서에서 생성된 압력이 추가 출력으로 표시됩니다. 다이빙 센서 뒷면을 보면 PCB에 두 개의 작은 구멍이 있습니다. 이를 통해 전면 및 후면 멤브레인이 균등화되어 센서 내에서 일정한 볼륨을 유지할 수 있습니다.

일부 센서의 경우 커넥터 근처의 케이스에 작은 구멍도 뚫려 있습니다. 이 구멍도 열려 있어야 합니다(일부는 멤브레인에 밀봉을 만들 수 있으므로 장착된 커넥터 유형에 따라 다름).

음극은 얇은 전해질 갭에 의해 분리되는 전면 멤브레인 아래에 있습니다. 음극은 금, 은 또는 로듐과 같은 귀금속으로 도금된 소결 강철 격자입니다.

양극은 리드 볼로 구성됩니다. 양극과 음극에는 인터페이스 전기 회로에 연결하기 위해 부착된 가는 와이어가 있습니다.

센서 후면에는 전자 부품(온도 보상 네트워크)을 운반하는 작은 인쇄 회로 기판(PCB)이 있습니다. 이 보드는 등각 코팅되어 있습니다.

전기적 구조

그림 5 저항과 NTC 서미스터를 보여주는 전자 인쇄 회로 기판(PCB)

PCB에는 일련의 저항과 NTC 서미스터가 있습니다. NTC 서미스터는 온도에 따라 저항이 변하는 저항입니다. NTC 서미스터(온도 보상 네트워크의 일부)는 전해질의 온도를 기록할 수 있도록 가능한 한 후면 멤브레인에 가깝게 배치됩니다.

또한 PCB에 장착된 전기 커넥터에 연결하는 두 개의 와이어가 있습니다.

전자 기능

그림 6 일반적인 회로

논의한 바와 같이 센서의 전기 출력은 온도가 섭씨 1도 상승할 때마다 약 2.5%씩 변하므로 온도 보상 방법을 사용해야 합니다.

위의 회로도에서 센서가 두 부분으로 분리되어 있음을 알 수 있습니다. 왼쪽에는 갈바니 전지(전류 소스) ‘습식 소자’가 있고 그 옆에는 저항 네트워크(R1 R2, R3, NTC)가 있습니다.

옴의 법칙을 사용하고 NTC의 저항이 온도가 증가함에 따라 감소함에 따라 네트워크의 전체 저항도 감소합니다.

센서 내부의 구성 요소 및 메커니즘의 다양한 임피던스, 즉 리드 음극의 표면적, 내부 연결 와이어의 저항 및 전해액을 통한 전자 및 이온의 전달에 의해 발생하는 ‘가상’ 내부 직렬(전류 발생기와 일렬로 정렬된) 부하 저항기가 있습니다.

PPO2가 일정하다고 가정하면 온도가 상승하면 갈바닉 센서에 의해 공급되는 전류가 증가하고 이를 보정해야 한다는 이전 논의를 통해 알 수 있습니다. 이것은 저항 네트워크를 사용하여 달성됩니다.

옴의 법칙에 따르면 저항(네트워크)에서 측정된 전압은 저항에 전류를 곱한 값(V=IxR)과 같습니다.

네트워크의 총 저항(R)은 온도에 따라 변하므로(NTC 서미스터로 인해) 전압(V)은 일정하게 유지됩니다. 따라서 저항 네트워크를 사용하여 온도에 따른 출력 상승을 보정합니다.

이와 같은 시스템을 사용하면 상당히 넓은 범위(일반적으로 섭씨 0~40도/50도)에서 온도 상승을 보정하도록 센서를 만들 수 있습니다. 즉, 보상된 온도 범위에서 상승하는 PPO2에 대해 선형 전압 상승을 제공합니다. NTC 서미스터 특성에 의해 제한됩니다.

센서를 재호흡기에 연결하기

그림 7 센서 회로도

그림 7에서 RL(외부 부하 저항)이 추가되었음을 알 수 있습니다. 재호흡기가 전자 장치를 구동하는 데 사용하는 전압은 이 저항기에서 측정됩니다. 이 부하 저항은 센서 내부에 위치하지 않고 측정 전자 장치 내부에 있습니다.

일반적으로 센서와 전자 장치(종종 케이블 및 커넥터 포함) 사이에 약간의 거리가 있으므로 이 부하 저항은 케이블에 대한 외부 영향(전기 노이즈 등)의 영향을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이 저항은 연결 케이블을 따라 매우 작은 전류가 공급되도록 하여 부하 저항 양단의 전압으로 측정할 수 있습니다.

이 저항은 일반적으로 10.000옴의 최소값입니다. 이 값은 센서 저항 네트워크의 값(종종 10배 더 큼)보다 훨씬 크기 때문에 센서 전류의 98% 이상이 저항 네트워크를 통해 흐르고 아주 작은 부분만 부하 저항을 통과합니다.

일반적인 센서 사양

센서의 응답 시간 이해
산소 센서는 PPO₂의 변화에 매우 빠르게 반응합니다. 사양에 따라 단계 변경 테스트가 참조됩니다.

센서는 먼저 짧은 시간 동안 건조한 공기(20.9% 산소)에 노출된 다음 100% 산소가 적용됩니다. 센서는 6초 이내에 측정 중인 가스의 90%(100% 산소)에 해당하는 전압을 표시합니다. 측정의 나머지 10%는 최대 1분이 소요될 수 있으며 마지막 1mV에 대해서는 10~60분이 소요될 수 있습니다. 이것은 분명히 큰 변화이며 한 수준에서 다른 수준으로의 작은 변화는 상대적으로 빠릅니다.

그렇다면 센서가 응답하는 데 시간이 걸리는 이유는 무엇입니까? 앞서 언급했듯이 가스는 먼저 멤브레인을 통과해야 합니다. 둘째, Fick의 법칙이 적용되는 전해질로 확산되어야 합니다. 멤브레인이 손상/오염되거나 습기가 차면 이러한 모든 문제가 응답 시간에 영향을 미칩니다. 또한 센서의 수명은 리드 표면적에 영향을 미치므로 응답 시간에 다시 영향을 줄 수 있습니다.

센서 수명
센서의 수명은 사용자 남용을 포함한 많은 요인에 따라 달라지며 이론적으로 계산할 수 있습니다. 궁극적으로 양극에 남아 있는 납의 양과 측정하는 최대 PPO₂에 따라 다릅니다.

새 센서가 3.5의 PPO₂ 한계를 가질 수 있다고 가정하면 이는 공급할 수 있는 최대 전류를 반영한 ​​것입니다. 센서가 노후화되면 이 ‘전류 제한’이 줄어들고 1년 후에 동일한 센서는 1.5atm의 PPO₂만 표시할 수 있습니다.

이것은 센서를 언제 교체해야 하는지에 대한 질문으로 이어집니다. 센서 노화 과정(사용자 남용 무시)은 주로 PPO₂의 영향을 받습니다(100% 산소에 남아 있는 센서는 21% 산소에 남아 있는 센서보다 수명이 더 짧습니다). 더 높은 PPO₂는 양극을 더 빨리 감소시킵니다. 그러나 제조 공정 개선으로 인해 3개의 센서가 정확히 동일한 환경(재호흡기에서와 같이)에 장기간 노출되면 합리적으로 짧은 시간 내에 모두 고장날 수 있습니다.

다시 말해서 ‘놀라운’ 센서 교체를 채택할 수 있는 것은 유용한 기술이지만 이것이 다이빙에서 실패 확률을 크게 줄인다는 데이터는 없습니다. 더 중요한 것은 전체 교체 시기입니다.

재호흡기(빠른 반응 센서)에 사용되는 센서의 정상적인 예상 수명은 표면(1.0atm)의 100% 산소에서 약 30주입니다. 재호흡기 환경에서 사용하면 이것을 줄일 수 있지만 얼마나 예측하기 어렵습니다.

제조 데이터에 따르면 센서(재호흡기에 사용)가 12-18개월마다(18 다이빙 개월 시간이 아니라 설치된 날짜로부터 18개월) 센서 및 다중 – 센서 고장률이 매우 낮습니다. 대부분의 사람들에게 이것은 시즌 다이빙과 동일합니다.

고장(에러) 실제 예
센서 제조업체는 모두 재호흡기에 사용된 10,000개의 산소 센서 샘플 세트에 대해 다음과 같은 반품률(고장률 아님)을 보고했습니다.

총 반품률은 0.35%로 보고되었습니다.

분석에서 0.19%는 결함이 발견되지 않았거나 과도한 수분(침수)의 결과였습니다. 이들 센서 중 일부는 멤브레인에 염 결정 및/또는 흡수성 먼지를 나타냈습니다.

평가에서 침수된 센서를 제거하면 0.16%가 실제 결함 센서로 기록되었으며 그 중 6개는 표준 이하의 공급업체 재료로 인한 출력 커넥터 와셔의 갈바닉 부식으로 인한 것이었습니다(센서는 여전히 사양 내에서 작동함).

따라서 그림에서 이러한 센서를 제거하면 51일에서 208일 사이의 대략적인 연령에 대한 실제 고장률이 0.10%임을 알 수 있습니다.

일부 일화적인 역사적 증거는 가속화되는 고장률의 발생을 뒷받침 합니다. 이는 온도(고온 또는 저온/동결 온도)와 관련된 것으로 생각되며 조기 센서 고갈/고장의 주요 원인입니다.

습기
RH로 약칭되는 상대 습도(Relative Humidity, ∅)는 공기-물 혼합물의 주어진 온도에서 물의 포화 증기압 에 대한 혼합물의 수증기 분압(H₂O) 의 비율로 정의됩니다.

상대 습도는 일반적으로 백분율로 표시되며 다음 방정식을 사용하여 계산됩니다.

상대 습도의 개념을 설명하기 위해 수증기를 보유하는 공기의 개념이 제시됩니다. 그러나 이것은 잘못된 생각입니다. 공기는 기체(질소, 산소, 아르곤, 수증기 및 기타 기체)의 혼합물이며 혼합물의 구성 요소는 단순히 기체 형태(수증기)의 물을 운반하는 역할을 합니다.

RH는 물의 물리적 특성만으로 정의되므로 공기가 물을 머금고 있다는 개념과 관련이 없습니다. 사실, 공기가 없는 부피에는 수증기가 포함될 수 있으므로 이 부피의 습도를 쉽게 결정할 수 있습니다.

100% RH를 초과하면 물이 응축되기 시작할 수 있습니다(방울 형성).

RH 변화는 시스템 온도의 변화, 시스템 체적의 변화 또는 이러한 두 시스템 속성의 변화의 결과일 수 있습니다.

재호흡기의 응축은 일반적으로 수증기가 포화 한계 또는 ‘이슬점’으로 냉각되고 기체 상태의 물 분자 밀도가 최대 임계값에 도달할 때 발생합니다. 이슬점은 주어진 일정한 기압에서 습한 공기 부피의 수증기가 (증발하는 것과 동일한 속도로) 액체 물로 응축되는 온도입니다. 응축수는 고체 표면에 형성될 때 종종 이슬 또는 응축수라고 합니다.

이슬점은 물 대 공기 포화 온도입니다. 이슬점은 상대 습도와 관련이 있습니다. 높은 상대 습도는 이슬점이 현재 기온에 더 가깝다는 것을 나타냅니다. 상대 습도 100%는 이슬점이 현재 온도와 같으며 공기가 물로 최대로 포화되었음을 나타냅니다. 이슬점이 일정하게 유지되고 온도가 증가하면 상대 습도가 감소합니다.

예를 들어 응축수는 기체가 흐르는 재호흡기 용기의 차가운 벽에 형성됩니다. 또한 산소 센서 본체가 열 전도성이 있는 재호흡기 영역에 부착되어 있어 사용 중 차가울 수 있는 경우(외부 수온으로 인해) 응축수가 센서 위 또는 센서 부근에 형성되어 센서 전체의 확산에 영향을 미칠 수 있습니다. 멤브레인이 거기에 모이면.

재호흡기에서 산소 센서는 항상 습도에 노출됩니다. 이 현상은 교정 중에 중요해집니다. 우리가 보았듯이 멤브레인의 습기는 센서로의 가스 확산을 느리게 합니다.

이러한 이유로 재호흡기 제어 시스템(교정 시)에 필요한 측정을 수행할 시간이 주어져야 합니다. 센서가 건조하고 제어 시스템이 빠르게 보정하도록 설정된 경우 센서가 젖었을 경우(시스템이 빠르게 보정) 보정 결과가 달라집니다.

일반적으로 센서는 대부분의 수명을 습한 환경에서 보내므로 동일한 습한 환경에서 보정해야 합니다.

건조 상태에서 보정된 센서는 재호흡기 내에서 사용 시 약간의 오류를 보일 것입니다.
센서에는 소수성 멤브레인이 추가되었으며 표면 적용을 위해 세척 및 건조가 가능하지만 생명 유지를 위해 침수가 발생하면 교체해야 합니다. 소수성인 멤브레인은 물이 통과하기 전에 멤브레인을 가로질러 작은 압력 차이를 받아들일 수 있음을 의미합니다. 테프론 멤브레인은 약간의 습기가 통과할 수 있도록 하므로 전해질이 건조한 대기에서 증발할 수 있습니다. 추가 소수성 멤브레인은 수분 통과를 차단합니다. 멤브레인이 염분이나 CO₂ 흡수제로 뒤덮인 경우 깨끗한 물로 오염 물질을 부드럽게 제거하고(가압 스프레이를 사용하거나 멤브레인을 만지지 마십시오) 건조할 수 있습니다.

일반적으로 센서를 거꾸로 하면 과도한 수분을 털어낼 수 있습니다. 가장 큰 피해는 해수가 온도 보상 부품과 접촉하는 것입니다. 조심스럽게 사용하면 종이 티슈를 사용하여 센서 멤브레인에서 수분을 빨아들일 수 있습니다. 가장 안전한 조언은 센서가 바닷물로 침수했다면 교체해야 한다는 것입니다.

전류 제한
센서의 출력은 주어진 산소 부분압에 대해 센서를 통과할 수 있는 전류의 양에 의해 제어됩니다. 음극의 크기 및 표면적이 내부 임피던스(저항)를 제어하고 음극이 소비되고 납의 양이 감소함에 따라 내부 임피던스가 증가하여 센서가 공급할 수 있는 최대 전류량이 감소하여 내부 부하 저항 전체에서 측정된 전압이 감소합니다. 새 센서도 같은 이유로 전류가 제한되며 일반적으로 약 175mV 또는 (10mv가 0.21atm이라고 가정) 3.675atm으로 제한됩니다.

센서는 2.0 atm O₂ 이상에서 테스트해서는 안 됩니다. 또한 압력 테스터를 사용할 때 제조업체 지침이 문자를 준수하는지 확인하는 데 주의가 필요합니다. 약간의 오류는 판독 사이의 안정화 시간과 마찬가지로 압력에 의해 강조됩니다.

따라서 전류 제한은 다이버로서 우리에게 영향을 줍니다. 왜냐하면 양극이 감소함에 따라 충분한 전류를 제공할 수 없고 판독값이 ‘피크’를 측정할 수 없기 때문입니다. 위험은 100% 산소에 대해 보정하는 동안 표면에 있는 동안 센서가 1.0 atm을 읽을 수 있지만 더 높은 PPO₂ 휘트 다이빙(예: 1.3atm)에 노출되면 더 낮은 PPO₂를 표시하기에 충분한 전류만 공급할 수 있다는 것입니다. (예: 1.2 기압). 다이버가 이를 인지하지 못할 뿐만 아니라 제한된 셀 출력이 PPO₂ 설정점 미만인 경우 루프 PPO₂가 위험할 정도로 높은 수준으로 상승하더라도 재호흡기가 계속 산소를 추가할 수 있습니다. 이러한 사건의 위험을 최소화하기 위해 재호흡기 설계 및 다이빙 절차가 개발되었습니다.

재호흡기에서 산소 센서 사용하기
지금까지 살펴본 바와 같이 온도와 습도는 산소 센서의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

온도와 관련하여, 우선 산소 센서가 0~40°C에서 보정된 경우, 산소 센서의 위치는 산소 센서가 이송, 보정 또는 다이빙을 통해 40°C 이상에 노출되지 않도록 보장해야 합니다. CEN14143에 따라 일정 기간 동안 센서의 정확도를 측정하는 PPO₂ 추적 테스트는 잠수 중에 이 설계 요구 사항이 충족되는지 확인합니다(예: 욕조 내 위치 때문에 센서가 과도한 수분 또는 온도에 노출되지 않는 경우). 설계자로서 이 테스트나 유사한 테스트를 수행하지 않으면 센서가 ‘스트레스’를 받고 있는지 여부를 평가할 수 없습니다. CE 테스트는 또한 저장 후 제조업체가 명시해야 하는 허용 온도 범위를 명백히 초과해서는 안 되는 저장 온도 범위에서 안전한 작동 여부를 테스트합니다.

과도한 온도는 전해질을 증발시켜 센서를 손상시킬 수도 있습니다. 따라서 이 테스트와 보관 온도를 초과하지 않는지 확인하는 것은 사용 중 ‘센서 상태’와 정확성을 유지하는 데 중요합니다.

벌크 전해질이 증발하면 전해질에 기포가 형성될 수 있으며 불규칙한 판독값으로 나타날 수 있습니다.

멤브레인과 음극 사이의 전해질 층이 증발하거나 누출되면 일반적으로 정상 출력보다 높은 것으로 표시됩니다. 즉. 산소 분자는 음극으로 더 빨리 운반됩니다. 이것이 공기 중 센서 mg의 기록을 유지하는 것이 유용한 이유입니다. 출력은 항상 감소하고 상승하지 않아야 하지만 이는 부분적으로 대기압과 온도에 따라 달라집니다.

센서의 습도 사양은 다양합니다. 일부는 최대 상대 습도가 50%이고 일부는 99%라고 합니다. 입에서 나오는 공기의 온도는 대략 35°C 및 95% RH입니다. 이것은 재호흡기의 센서가 일반적으로 최소한 이 RH에 노출된다는 것을 의미합니다.

산소 센서는 비교적 안정적인 온도 및 습도 환경을 선호합니다. 일부 재호흡기에서는 그렇지 않으며, 논의된 바와 같이 센서의 상대적 위치는 또한 수증기를 응축시키고 물방울을 발생시키고 센서 멤브레인을 가로질러 확산에 영향을 미칠 수 있습니다.

온도와 압력도 RH에 영향을 미치고 재호흡기에서 항상 변화하고 센서(여러 센서가 사용되는 경우)가 가스 흐름에 따라 약간 다른 위치에 있기 때문에 항상 약간 다른 판독값을 나타냅니다. 그러나 이 변형은 허용되며 제어 시스템 전자 장치 내에서 처리됩니다.

캘리브레이션(Calibration)
건강하고 잘 설계된 센서는 표면의 공기 중에서 정확하게 보정됩니다. 그런 다음 PPO₂ 변경에 대한 응답이 선형이기 때문에 상승된PPO₂를 정확하게 읽습니다. 이것은 동일한 대기압 온도 및 습도(STP)를 가정합니다.

이 선형성 때문에 한 지점에서만 보정하면 되며 건조한 공기나 산소가 선호됩니다. 그러나 가능한 한 정확한 보정을 위해 이전에 보았듯이 보정은 흡수 용기가 작동 온도(및 습도)에 도달하고 센서가 변화에 완전히 반응하면(최대 20분) 수행되어야 합니다. 이것을 허용하지 않으면 우리가 보았듯이 재호흡기의 1.2 설정점이 최악의 경우로 1.29로 등록될 수 있습니다.

그러나 센서가 노후화되고 전류 제한이 있는 경우 공기(또는 표면의 100% 산소)에서 올바르게 보정할 수 있지만 수심에서 상승된 PPO2(전류 제한 atm 이상)를 정확하게 측정하지 못합니다.

전자 제어 재호흡기(및 모든 PPO2 디스플레이)에는 보정 프로세스 동안 센서 출력(공기 또는 100% 산소 중)을 변환하여 센서의 성능 저하(나이에 따른 출력 감소)를 보상하는 방법이 있습니다. 이것은 일반적으로 교정 루틴이라고 하며 다음 예에서 표현됩니다.

• 센서 A는 해수면 공기에 노출될 때 10mv 출력을 가집니다. 보정 시스템이 활성화되고 화면에 표시된 PPO₂는 0.21입니다. 센서가 100% 해수면 산소에 노출되면 이제 1.0 atm으로 표시되고 mv 판독값은 47.6mv입니다(1/0.21 = 4.76. 4.76 x 10mv = 47.6mv).
• 센서 B는 해수면 공기에 노출될 때 13mv 출력을 가집니다. 보정 시스템이 활성화되고 화면에 표시된 PPO₂는 0.21입니다. 센서가 100% 해수면 산소에 노출되면 이제 1.0 atm을 읽지만 mv 판독값은 47.6mv(1/0.21 = 4.76. 4.76 x 13mv = 61.9mv)입니다.

따라서 둘 다 공기 중에서 0.21을 읽고 100% 산소에서 1.0을 읽습니다. 센서 B가 이제 센서 A의 위치에 설치된 경우(따라서 보정된 입력) 공기 중 센서 B의 판독값은 0.27 atm이고 100% 산소에서 1.30 atm이 됩니다.

요약하면, 센서가 노후화되면 출력 감소가 보정 시스템(the calibration system)에 의해 수정되고 센서가 표면에서 정확해 보일 수 있지만(보정 시스템이 출력 손실을 ‘마스크’ 표시함) 수심에서는 여전히 전류 한계치가 발생할 수 있습니다.

전류 제한을 테스트하는 한 가지 방법은 분명히 PPO₂를 1.0 이상으로, 바람직하게는 재호흡기의 필요한 작동 PPO₂로 높이는 것입니다. 이것은 안전한 수심(최대 6m)에서 재호흡기의 100% 산소 세척을 물에 담그고 수행하여 달성할 수 있습니다. PPO₂가 1.6 atm(+/- 0.1) 또는 그 근처에서 안정화되면 잠수 중에 전류 제한이 발생하지 않고 센서가 잠수 중 습기나 온도에 의해 부정적인 영향을 받지 않는다는 합리적인 확신이 있습니다. 이것은 규정된 센서 교체 기간과 결합되어 전류 제한이 문제가 될 가능성을 크게 줄여줍니다.

Diluent PPO₂도 재호흡기 설정값보다 높은 깊이에서의 Diluent 플러시도 동일한 확인을 제공합니다.

또한 센서 판독값에 오류가 있다고 의심되는 경우 Diluent 플러시를 수행해야 합니다. 일부 재호흡기는 ‘불량’ 센서로 간주되는 것을 자동으로 비활성화하고 일부는 수동으로 결정을 내리도록 허용합니다. 두 시스템 모두 딜 플러시로 확인해야 합니다.

논의된 바와 같이, 센서는 PPO₂ 증가에 대한 반응에서 상대적으로 선형적입니다(안정된 환경에서).

이 선형성은 PPO₂의 상한선이 있고 그 이후에는 비선형이 됩니다. 센서가 노후화됨에 따라 이 상한선이 줄어들고 시간이 지남에 따라 3.0 atm까지 선형이었던 센서가 이제 2.0 atm까지만 선형이 될 수 있습니다.

이것은 특히 센서가 18개월마다 교체될 때 문제가 되는 경우는 매우 드뭅니다.

스토리지 및 센서 수명
센서의 생산 날짜는 일반적으로 센서에 인쇄되어 있으며 두 가지 일반적인 방법으로 표현할 수 있습니다.

1. 첫 번째(또는 처음 두 개)가 생산 연도의 마지막 숫자를 나타내는 3개(또는 4개)의 숫자와 월을 나타내는 다른 두 개의 숫자
   가. (예: 1205: 2012년 5월 또는 2012년 5월)

2. 문자 다음에 숫자가 오는 문자로, 문자는 월을 나타내고 숫자는 연도의 마지막 숫자를 나타냅니다.
   가. (예: A12 : 2012년 1월)

산소 센서는 불활성 가스 또는 진공으로 채워진 백에 보관된 제조업체에서 제공하지 않습니다. 그들은 일단 봉인되면 가방의 산소 수준이 센서에 의해 고갈되도록 허용하여 모든 산소가 고갈될 때까지 센서 출력을 천천히 감소시킵니다.

산소 센서에 산소가 부족하면 화학 반응이 억제되어 출력 제공이 거의 중지됩니다(하지만 시간이 오래 걸릴 수 있음).

가방에서 꺼낼 때 활성화되고 산소에 반응하기 시작할 시간이 필요합니다. 합리적인 출력으로 보일 수 있는 결과를 매우 빠르게 제공하지만 완전히 반응할 수 있도록 24시간 동안 공기에 노출시키는 것이 가장 좋습니다. 센서가 재호흡기에 사용되기 전에 2시간(공기에 노출)은 최소 시간이어야 합니다. 출력에 여전히 문제가 있으면 센서를 2~3분 동안 100% 산소에 노출시켜야 합니다.

센서의 보관 온도 사양이 중요합니다. 뜨겁고 건조한 열에 보관하면 전해질이 증발할 수 있습니다. 센서는 응축된 수분이 제거된 후 재호흡기 내에 가장 잘 보관됩니다.

센서는 종종 멤브레인 운송 백에 제공됩니다. 새 센서의 기대 수명은 공기 중에서 142주 또는 100% 산소에서 30주입니다. 가방에서 1년 후 이것은 5% 감소에 해당하는 약 28.5주로 떨어집니다.

따라서 모든 센서는 배송 백에 밀봉되어 있을 때 ‘보관 수명’이 있습니다. 대부분의 경우 2년입니다. 이 기간 동안 센서를 사용하지 않은 경우 폐기해야 합니다. 유통 기한은 보관 온도의 함수입니다. 제조업체 사양을 벗어난 온도는 수명을 단축시킵니다.

센서를 100% 밀폐 백에 장기간 보관하면 음극이 비활성화되어 센서가 복구되지 않거나 복구를 위해 100% 산소가 필요할 수 있습니다.

일반적으로 6개월 후 100% 산소에 노출되면 센서의 출력이 100% 산소에서 50mV의 시작점에서 5mV 감소할 것으로 예상할 수 있습니다.

좋은 센서 설계에서 센서가 시작 전압의 10% 이상(예: 13%-15%)의 손실을 보이면 센서를 변경해야 합니다. 센서가 산소에서 50mv에서 시작된 위의 예에서 동일한 노출이 45mv에 도달하면 센서를 변경해야 합니다.

재호흡기의 센서 사용에 대한 역사적 증거는 최대 18개월의 교체 기간을 준수해야 함을 나타냅니다.

재호흡기 제어 시스템

전제
상업적으로 이용 가능한 재호흡기는 산소 센서와 PPO₂ 제어 시스템의 두 가지 주요 요소로 구성됩니다.

1. 센서를 전자 장치에 연결하는 증폭기 시스템.
2. 전자 ‘보팅 로직’ 시스템

이 두 시스템을 결합하여 신호를 증폭한 다음 3개의 센서 값을 더하고 총 값을 3으로 나눈 것을 기반으로 호흡 루프 내에서 PPO₂를 결정합니다.

증폭기(및 후속 소프트웨어 인터페이스)는 자체적으로 PPO₂에 대한 선형 응답 산소 센서에 선형 응답을 제공하도록 설계해야 합니다. 전자 장치는 디스플레이에서 0 PPO₂가 0이고 디스플레이에서 2.0 PPO₂가 2.0이 되도록 (기본적으로) 게인 및 오프셋 매개변수를 조정할 수 있어야 합니다. 전자 장치는 또한 예상 주변 범위에 걸쳐 온도를 보상해야 합니다.

보팅 로직 요소와 관련하여 이는 센서의 판독값이 보팅 시스템의 기준에 속할 경우 발생할 수 있습니다. 단순한 시스템에서 보팅 규칙의 전형적인 예는 다음과 같습니다.

1. 두 개의 센서가 설정값을 제어하는 ​​재호흡기의 +/-0.2 atm 내에 있고 세 번째 센서가 해당 설정값에서 >+/- 0.2 atm 떨어져 있는 경우 세 번째 센서가 보팅 로직에서 제거되고 2개의 ‘좋은’ 센서에서 평균이 수행됩니다. 따라서 산소 주입은 이제 두 센서의 평균을 기반으로 합니다.
2. 3개의 센서가 모두 설정점에서 >+/- 0.2이면 3개의 센서 모두가 평균화에 계속 사용됩니다.

일부 재호흡기 시스템에는 ‘매우 높음’ 또는 ‘매우 낮음’ 센서 판독값과 그에 따른 비활성화/활성화를 참조하는 다양한 기타(더 복잡한) 규칙이 있지만 위의 내용은 대부분의 시스템에 대한 기본 논리를 나타냅니다.

단일 가스 시스템(예: 전자 제어 단일 가스 재호흡기)에서 기본 논리를 사용하여 평균을 해결할 수 없는 경우 시스템은 모든 센서를 무시하고 가스가 차단되는 ‘안전한’ 모드로 들어갈 수 있는 옵션이 있습니다. 산소의 일반적인 대사 사용을 보상하는 속도로 주입되어 생명 유지 가스 혼합을 유지하면서 폐쇄 회로 베일 아웃 상승을 경고합니다.

산소 센서 고장 모드
요약하면 호흡 루프의 PPO₂가 상승하더라도 PPO₂ 판독값이 거의 정적이 되는 것을 의미할 수 있는 산소 센서의 고장 모드가 있습니다. 이 경우 설정값 컨트롤러가 가스를 계속 주입하므로 다이버에게 잠재적으로 위험할 수 있습니다.

예시
2개의 센서가 설정점에서 >-0.2에서 정적 상태가 됩니다. 즉, 설정점에 비해 낮은 값을 읽습니다. 처음에 평균화는 3개의 센서에 대해 이루어지며 평균 PPO₂가 설정점 미만이므로 호흡 루프에 산소가 추가됩니다. 어느 시점에서 세 번째(양호한) 센서는 높게 읽기 시작하고 보팅 로직 규칙에 따라 평균화에서 제거됩니다. 이 경우 평균화는 두 개의 정적 센서(설정값에 비해 낮게 판독됨)로 되돌아가고 안전하지 않은 PPO₂가 호흡 루프에 있을 때까지 산소 주입이 계속됩니다.

이 센서 고장 모드(주로 사용자의 부적절한 유지 관리와 관련이 있음에도 불구하고)가 발생할 수 있다는 것은 현장에 기록된 예에서 분명합니다.

일부 재호흡기는 센서가 다른 센서와 크게 다를 때 추가 경보를 제공하고 다이버에게 비상 절차를 수행하도록 경고하고(예: 센서 위에 알려진 PPO₂를 플러시하기 위해 희석제 추가) 따라서 유효성을 ‘수동으로’ 확인합니다. 보팅 로직 결정(심지어 잘못된 센서 비활성화)에서 이러한 경보는 무시할 수 있습니다.

황금률

1. 개봉 후 12∼18개월마다 산소 센서를 교체하십시오.
2. 2년 이상 보관된 센서는 사용하지 마십시오.
3. 재호흡기에 의료, 산업 또는 자동차 센서를 사용하지 마십시오.
4. 재호흡기와 함께 사용하도록 설계되고 테스트된 센서만 사용하십시오.
5. 밀폐된 가방에 센서를 보관하지 마십시오.
6. 센서를 PPO₂가 높은 곳에 장기간(24시간 이상) 보관하지 마십시오.
7. 센서를 고온(50°C 이상) 또는 건조한 기체에 보관하지 마십시오.
8. 불활성 가스에 센서를 보관하지 마십시오.
9. 다이빙 시 센서가 유사한 판독값을 제공하지 않으면 딜 플러시를 수행하여 판독값을 확인합니다.
10. 전류 제한을 테스트하기 위해 때때로 6m 이하에서 산소 플러시를 수행하거나 수심에서 딜 플러시을 수행합니다(예상 PPO₂는 다이빙 셋포인트에 가까워야 함).
11. 센서의 수분을 살짝 흔들어 제거하거나 티슈 용지를 조심스럽게 사용해야 하며, 공구/천을 사용하지 마십시오.
12. 전기 연결부를 깨끗하게 유지하십시오.
13. 센서 본체의 구멍을 막지 마십시오.
14. 캘리브레이션하기 전에 재호흡기 온도가 안정화되도록 하십시오(햇빛/추위가 있고 가열/냉동된 경우). 흡수 용기가 작동 온도에 도달했을 때 캘리브레이션하는 것이 좋습니다.
15. 센서 판독값(알려진 가스 함량)이 불규칙하면 센서가 손상되었을 수 있으므로 교체해야 합니다.
16. 침수된 센서를 교체합니다.
17. 재보정(recalibration) 없이 센서를 전자 장치의 다른 위치로 교체하지 마십시오.

출처 : https://www.facebook.com/groups/855364507834600/posts/4931013580269652
           – Oxygen Sensors for use in rebreathers – release V1

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