גרף 5.48 הגבלת ייצור זרם בחיישני חמצן , חיווי ביחידות לחץ חלקי חמצן
אם נבחן את סנסור 2 בגרף 5.48 נשים לב שחיווי הסנסור ליניארי עד ל 1ata, כאשר נשתמש בסנסור כזה במערכת סגורה ונכייל אותו לפני השימוש בעזרת מיכל של 100% חמצן, הוא יחווה לנו על 1ata כלומר – הסנסור ידייק, אולם אם בהמשך בצלילה כאשר ה pO2 בגז הנשימה במערכת יעלה ל 1.6ata החיישן יחווה על 1.35ata=pO2 נמוך מזה הקיים בפועל.
בסנסור מס' 3 הבעיה גדולה אף יותר שכן כאשר נכייל אותו לפני השימוש בעזרת מיכל של 100% חמצן, הוא יחווה לנו על 1ata כלומר – הסנסור ידייק, אולם אם בהמשך בצלילה כאשר ה pO2 בגז הנשימה במערכת יעלה ל 2ata החיישן יחווה על 1.28ata
כאשר נשתמש בסנסור כזה במערכת סגורה ונבחר SET POINT של =1.3 pO2 עפ"י החיישן לעולם לא יצליח להגיע לערך הזה ויחידת הבקרה תנחה להוסיף חמצן למערכת כל הזמן. בפועל יעלה לחצו החלקי של החמצן במערכת לרמות שיובילו להרעלת חמצן בעוד החיווי יהיה של לחץ חלקי חמצן תקין.
שימוש בחיישני חמצן עם הגבלת זרם מסוכן מאוד בעיקר מכיוון שלא ניתן לאתר תקלה כזאת בבדיקות קדם צלילה וזאת סיבה נוספת לחשיבות של יתירות בחיישני חמצן לביצוע השוואה בין קריאות החיישנים לאיתור תקלות, וכן לקיום נהלי בדיקה בהעמקה כגון בדיקת החיישנים ב 6-7 מטר ע"י שטיפת המערכת בחמצן נקי ובדיקת החיווי ללחץ חלקי חמצן של 1.6ata לפני שמשיכים בהעמקה.
חיישני חמצן מגיעים למצב של תקלת הגבלת זרם בעיקר בגלל מה שקרוי בעגה מקצועית "הזדקנות סנסור" מצב שבו האפקט הכימי של החומר הגלווני נחלש והסיכוי לתקלה כזאת עולה ככל שהחיישנים מזדקנים. הפתרון הברור למניעת בעיה זאת הינו להחליף את החיישנים לפני שהם מזדקנים. אולם כאן עולה בעיה נוספת, מתי החיישנים מזדקנים ? , היצרן קובע אורך חיים ממוצע לחיישן אולם קיימות סדרות ייצור של חיישנים שיחזיקו מעמד יותר זמן בעוד אחרים יחזיקו מעמד פחות זמן. ככל שחיישן החמצן ייצר זרם גבוה יותר כך החומר הכימי "יחלש", החיישן יזדקן ויכולת ייצור הזרם שלו תוגבל עד אשר הוא יפסיק לייצר זרם – ימות.
מכיוון שתופעת הגבלת הזרם מקורה בעוצמת הזרם אותו מיצר החיישן ומכיוון שכפי שהוזכר קודם רמת הזרם מושפעת מהטמפרטורה, ככל שהטמפ' תעלה ייצר החיישן יותר זרם ( ניתן לראות בגרף 5.44 כי בחשיפה ל 40°C החיישן מייצר פי 2 יותר זרם מאשר בחשיפה ל 10°C) ולכן לא אחת נטען כי במדינות קרות אורך החים של חיישני החמצן גבוהים יותר מאשר במדינות חמות.
מוות פתאומי
לא אחת קורה שחיישן חמצן פשוט מפסיק לעבוד – לא מייצר זרם או מייצר זרם נמוך מאוד ולא בגלל שהתא הגלווני מזדקן אלה מתקלות אחרות בלתי צפויות כגון נתק חשמלי, תקלה במעגל החשמלי, קורוזיה או תקלה מכנית.
חיווי גבוה מידי
לעיתים קורה שחיישנים מחווים חיווי גבוהה מידי בצורה פתאומית, לעיתים אף גבוה פי 5 עד 10 מהנתון האמיתי. יצרני החיישנים משייכים תקלה כזו לחריר בממברנת החישה של החיישן כך שיותר חמצן בא במגע עם הומר הכימי.
חיווי משתנה
תקלה בה הנתון שמחווה החיישן אינו יציב, ואינו מאפשר לקרוא ו/או להשתמש בו.
אורך חיים
לאור כל התקלות האפשריות בחיישני החמצן נראה כי לא ניתן באמת לצפות את התנהגותם ואורך חייהם וגרף 5.49 מציג נתוני בדיקה שנערכה ע"י אחד מיצרני המערכות סגורות ל 1000 חיישני חמצן מסדרות שונות לשם המחשת הבעיה :
גרף 5.49 – אורך חיים של 1000 חיישני חמצן מסדרות שונות
מכיוון שקשה לצפות את נקודת הזמן בה יפסיק חיישן החמצן לעבוד כנדרש קיים צורך ביתירות. בנוסף ליתירות חשוב לייצר נוהל מתאים לעיתוי החלפת החיישנים. לדוגמה, כשל של 2 מתוך 3 חיישנים (במערכות בקרה בעובדות בשיטת ההצבעה) בעייתי מאוד שכן אם שני החיישנים התקולים יחוו נתון דומה ושונה מהחיישן התקין הם יגרמו למערכת להזרים למעגל הנשימה חמצן ע"פ הנתון השגוי . ברור שכשל כזה בעיתי יותר מכשל של 2 מתוך 4 חיישנים ובוודאי מכשל של 2 מתוך 5 חיישנים, ועל כן במערכות בקרה שעובדות בשיטת ההצבעה מומלץ להשתמש ביותר מ 3 חיישני חמצן. בכדי לייצר יתירות לכל יחידת הבקרה ולא רק לחיישנים.גם במקרה הזה כדאי מאוד להשתמש במערכות בקרה נפרדות אליהן יחוברו החיישנים בנפרד. לנוהל החלפת החיישנים יש חשיבות בגלל הסיכוי לכשל מקביל של מס' חיישנים מאותה הסדרה, חשוב על כן להקפיד שלא להחליף 2 או 3 חיישנים במועד סמוך ו/או בחיישנים מאותה סדרת ייצור.
התעבות לחות
תקלה נפוצה נוספת בחיישן החמצן קשורה להתעבות של לחות. כאשר האוויר הלח והחם הנפלט מריאות הצולל בא במגע עם דפנות גוף המערכת הסגורה המקוררות ע"י טמפ' המים החיצונית , הלחות מתעבה והופכת לטיפות מים. התעבות דומה על משטחי החישה של חיישן החמצן תיצור שכבת לחות אשר תמנע מעבר של גז נשימה אליהם ושידור נתון שגוי לבקר האלקטרוני. באופן דומה עלולה להיווצר התעבות בין משטחי החישה לממבראנה (משטח סינון המאפשר מעבר גז למשטחי החישה אך מונע מעבר נוזלים בכדי להגן על חיישן החמצן ולהאריך את חייו) התעבות כזאת תייצר כיס אוויר שימנע מעבר גז נשימה מהמערכת לחיישן ויגרום לקריאות שגויות.
איור 5.50 - כיסוי מלא של החיישן יגרום לנפילת האות החשמלי בכ 17% תוך 20 דקות
איור 5.51 - התעבות חלקית
תקלות אלו הינן מהמסוכנות היכולות להתרחש בחיישני החמצן כיוון שהן גורמות להעברת נתון שגוי מבלי שהמערכת האלקטרונית תוכל לזהות שהחיישן תקול ותמשיך לעבוד עם הנתון השגוי. כך למשל כאשר הגז הלכוד ב"כיס האוויר" מכיל חמצן בכמות נמוכה מכמות החמצן המתוכנן (SET POINT) תמשיך מערכת הבקרה להוסיף חמצן למעגל הנשימה עד לרמה מסוכנת. במצב הפוך כאשר בגז הלכוד ב"כיס האוויר" יש כמות חמצן גבוהה מה SET POINT , לא תוסיף מערכת הבקרה חמצן למעגל הנשימה וזו תרד לערכים היפוקסיים עקב צריכת החמצן המטבולית של הצולל.
בשל הסבירות לתקלה בחיישני החמצן וחומרתה של תקלה כזאת נדרשת יחידת בקרה אשר תדע לזהות תקלות בחיישן, להתגבר עליהן ולהמשיך לעבוד.
אולם מעטות מערכות הנשימה הסגורות שמצויידות במערכת בקרה מספיק מתוכמת לזיהוי תקלות בזמן התגברות על התקלה והמשך עבודה תקינה. הבנה של מנגנון הפעולה של הסנסור ומגבלותיו כפי שמתוארים במאמר זה נותנת בידי צולל המערכות הסגורות כלים לקבלת החלטות מושכלות בנושא, החלפת סנסורים לפני זמן התפוגה הרשמי, החלפת סנסורים במדורג - לא להחליף 2 או 3 סנסורים באותו מועד ועוד.
מערכת בקרה מתקדמת תוכל לזהות ו/או לחוות לצולל על חלק גדול מתקלות חיישני החמצן ויאפשרו צלילה בטוחה יותר אולם מערכות אלו אינן מצוייות בכל דגמי המערכות הסגורות הנפוצות קיום.
קיימות שתי שיטות עיקריות לבקרת חמצן המשמשות במערכות הסגורות נכון ליום כתיבת שורות אלו – מערכת בקרה בלוגיקת הצבעה ומערכת בקרה אקטיבית. המשך המאמר שעוסק במערכות בקרת חמצן למערכות סגורות יופיע בשבועות הקורבים.
מתוך ספר 'חמצן ומערכות סגורות'
בהוצאת החטיבה הטכנית בהתאחדות הישראלית לצלילה
תורגם ע"י שלומי פלניצקי מהמאמר של
Paul Raymaekers Understanding Oxygen Sensors and why not replace them all at the same time
הבנת מנגנון הפעולה של חיישני החמצן (במערכות נשימה סגורות)
תורגם ע"י שלומי פלניצקי מהמאמר של Paul Raymaekers
מתוך ספר החמצן ומערכות סגורות בהוצאת החטיבה הטכנית בהתאחדות הישראלית לצלילה
יחידות בקרת החמצן במערכות הסגורות האלקטרוניות תלויות בחיישני החמצן למדידת ה pO2 בגז הנשימה. חיישן החמצן הינו תא גלווני חשמלי המורכב משני משטחי מתכת, (אנודה מעופרת וקתודה מזהב) שבניהם חומר כימי המייצר זרם חשמלי (µA) בחשיפה לחמצן. זרם חשמלי זה יחסי לכמות החמצן כך שככל שאחוז החמצן אליו נחשף החיישן גבוה, כך גדלה עוצמת הזרם החשמלי. מעגל חשמלי המחובר לתא הגלווני מאפשר לנו לקרוא את ערכי ה- pO2 ע"י חיבור בין האנודה לקתודה מד מתח אשר מודד את המתח במעגל (בערכים של מאית הוולט-mV) ומומר לערכים של pO2. רוב חיישני החמצן שבשימוש במערכות סגורות כיום ייצרו מתח של 10mV כאשר יחשפו לאוויר כך שבהמרה ליחידות של pO2 נקבל 0.21% חמצן. בעזרת מעגל אלקטרוני נוכל להציג את קריאות חיישן החמצן ולהשתמש בהן כמו למשל באנלייזר חמצן שבעזרתו נבדוק את תכולת החמצן במיכל שלנו לפני הצלילה. במערכות נשימה סגורות אנו נדרשים לבחון את תחולת החמצן במעגל הנשימה כל זמן פעולת המערכת ולכן לדיוק הנתונים שמפיק החיישן החמצן חשיבות רבה.
גרף 5.43 מציג את היחס בין לחץ חלקי חמצן אליו נחשף התא הגלווני לרמת הזרם אותו הוא מיצר ביחידות של מילי אמפר.
גרף 5.43 היחס בין לחץ חלקי חמצן לייצור זרם בתא גלווני
משתנה נוסף המשפיע על ייצור הזרם בתא הגלווני הוא טמפ' הסביבה. בדיקות העלו כי תא גלווני החשוף ללחץ חלקי חמצן קבוע ישנה את רמת הזרם שהוא מייצר כפונקציה של הטמפ' הסביבתית. גרף 5 ממחיש את העובדה שככל שנחשוף את התא לטמפ' גבוהה יותר כך הזרם שהוא ייצר יגדל
גרף 5.44 השפעת הטמפ' על ייצור הזרם בחיישן חמצן
משתנה זה הינו בעייתי בעת שימוש בחיישני חמצן במערכות נשימה סגורות שכן הן פועלות בסביבה ימית ונתונות לשינויי טמפ' . הפתרון לסוגיה זו הינו הוספת מעגל חשמלי המפצה על שינויי הטמפ. 'בבחירת מעגל חשמלי כזה נדרש להשתמש ברכיב חשמלי שלא ישפיע על רמת הזרם שמייצר התא הגלווני, נגד חשמלי .
בגרף 5.45 ניתן לראות כי כאשר נוסף עומס – נגד חשמלי אל הדקי התא הגלווני, שינוי ערכי הנגד כמעט ולא ישפיעו על רמת הזרם שהתא הגלווני מייצר
איור 5.45 השפעת עומס (התנגדות) על ייצור הזרם בחיישן חמצן
עפ"י חוק האום V=R×I , המתח שווה למכפלת הזרם בהתנגדות כך שבמידה וההתנגדות תרד בצורה פרופורציונאלית לעליית הזרם המתח יישאר קבוע . המעגל החשמלי המפצה על שינוי הטמפ' . היינו מעגל של נגדים שאחד מהם טרמיסטור - נגד שהתנגדותו ופוחתת ככל שהטמפ' ועולה וכך כאשר רמת הזרם שמייצר התא הגלווני תעלה ביחס לטמפ' ובמקביל רמת ההתנגדות של המעגל החשמלי ביחס לטמפ ' תרד , כאשר נמדוד את המתח ( ולא את הזרם ) בין הדקי המעגל, המתח יישאר קבוע. לכן בעת שימוש בחיישני חמצן, נמדוד את המתח החשמלי ולא את הזרם שמייצר החיישן. שרטוט 7 מראה את המעגל החשמלי בצורה סכמטית, משמאל התא הגלווני שמייצר זרם חשמלי, מחובר אליו במקביל מעגל חשמלי שכולל 4 נגדים, אחד מהם שמסומן NTC הינו נגד משתנה בחום (Negative Temperature Coefficient) אל החיישן מחובר עומס חיצוני, נגד חשמלי שנדרש להוסיף בכדי למדוד את המתח
שרטוט 5.46 – שרטוט סכמתי של מהעגל החשמלי בחיישן חמצן
בד"כ תהיה התנגדות של המעגל החשמלי הפנימי בחיישן כ - 100-200Ω בעוד ההתנגדות של נגד העומס החיצוני תהיה כ - 10,000Ω ומכיוון שמבחינה פיזיקאלית הזרם "יעדיף" לעבור דרך העומס הנמוך יותר , 98%-99% מהזרם יזרום דרך המעגל החשמלי הפנימי של החיישן. נתון זה חשוב לנו בכדי להסביר בצורה חשמלית את ההנחה השגויה (המיתוס) כי נוכל להאריך את חיי החיישן ע"י ניתוקו מהמערכת (מהעומס החיצוני). גם לאחר שננתק את הסנסור הוא ימשיךלעבוד שכן הוא מספק זרם כל הזמן דרך המעגל החשמלי הפנימי.
בחלק הקודם שעסק ביחידת בקרת החמצן הוזכרה הבעייתיות באמינות חיישני החמצן כסיבה לצורך במספר חיישנים לבקרה יעילה ומדויקת על רמת החמצן במערכת הסגורה. גם אם נניח לצורך הדיון כי נצליח לייצר חיישן חמצן מושלם (כזה אשר ייתן לנו קריאות נכונות ומדויקות בכל טמפרטורה, בכל רמת לחות או הרעה אחרת , יהיה בעל אורך חיים אינסופי ולאחר שנכייל אותו פעם אחת בעת חיבורו הראשוני ליחידת הבקרה יעבוד לעולם במדויק) הרי שבהתחשב בכך שחיווט החשמלי המעביר את הנתון מהחיישן לבקר עלול להתקלקל במוקדם או במאוחר כמו גם המעגל החשמלי הממיר את נתון מתח המוצא של החיישן לנתון של pO2, נזדקק לחיישן נוסף ביחידת בקרת החמצן בכדי לבדוק ולפצות על שאר התקלות העלולות להתרחש במערכת. במידה ותמצא תקלה הרי שנזדקק לחיישן שלישי על מנת להחליט אלו משני החיישנים תקול. לצערנו עדיין אין בידינו חיישן מושלם שכזה וכמו כל רכיב חשמלי אחר נוטים חיישני חמצן להתקלקל . בין התקלות הנפוצות ניתן למצוא חיישנים המעבירים אות חשמלי לא ליניארי , אות גבוה מידי , נמוך מידי או אפסי.
תקלות בחיישני חמצן
תקלת הגבלת זרם
בגרף 5.43 הראינו את ההשפעה של לחץ חלקי חמצן על ייצור הזרם בחיישן, טווח ערכי ה pO2 היה בין 0.21 (אוויר) ל-1 (100% חמצן). אלו טווחי הערכים הנורמאלים בשימוש בחישן חמצן מעל פני המים שכן הערך המרבי של pO2 בגובה פני הים (1ata) לא יהיה גדול מ-1. ככל שנעמיק בצלילה עם מערכת סגורה והלחץ הסביבתי יעלה, כך יעלה גם ה pO2 ובמערכת המופעלת על 100% חמצן, בעומק של 6 מ' נקבל pO2 =1.6. בבדיקת חישני חמצן תחת לחץ סביבתי גדול מ 1ata נגלה כי ככל שה pO2 עולה ההסתברות שמוצא הזרם לא יהיה לינארי.
גרף 5.47 הגבלת ייצור זרם בחיישני חמצן
בדוגמה שבגרף 5.47 נוכל לראות כי סנסור מס 1' מגיב בצורה ליניארית עד ל pO2 =2ata ואז הגרף "משתטח ." התא הגלווני מצליח לייצר זרם יחסי לעליית הלחץ חלקי חמצן עד לנקודה מסוימת ואז "נעצר" שכן לחיישן יש מגבלה בכמות הזרם אותו הוא מסוגל לייצר . מסתבר כי לכל חיישן (גם חיישן
חדש מהאריזה) יש מגבלת זרם אולם מכיוון שאנו משתמשים בחיישן בתחום ערכי pO2 מוגדר (בדר"כ נמוך מ 1.6ata) לנתון מגבלת הזרם אין משמעות אמיתית לגבינו כאשר אנו מודדים pO2 בערכים של מעל 2ata . כאשר נכייל את סנסור מס 1' לפי אוויר (pO2=0.21ata) וחמצן (pO2=1ata) נדע שהוא יעבוד מדויק עד 1.6 ata . בכדי להקל על הבהרת הדוגמאות הבאות נשתמש באותו גרף אולם את נתון הזרם נחליף ביחידות של נתון pO2 שמחווה הסנסור