산소 센서는 무엇이고 어떻게 작동하는가?

산소 센서가 어떻게 작동하는지를 설명하기 위해 센서를 분해하였다.

주의!: 산소 센서에는 피부를 손상 시킬 수 있는 유해 한 액체가 들어 있으므로 함부로 분해하지 말 것을 당부한다.

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왼쪽: 온전한 산소 센서의 모습 / 오른쪽: 바깥쪽 커버를 분리한 모습

상단에는 회로가 있으며 외부와의 연결을 위한 커넥터가 있다. 사진의 것은 몰렉스 방식의 커넥터이며 이외에도 다양한 커넥터가 사용되고 있으나 나머지 구조는 동일하다.

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센서의 몸통으로 두 가닥의 전선이 상단의 회로와 연결되어 있다.

센서의 아래 부분을 살펴보면 백색의 얇은막(멤브레인)이 있으며 이 부분으로 기체가 통과하여  센서의 화학 전지 부분과 접촉하도록 되어 있다.

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상단 회로를 분리하면 안쪽으로 부품들을 확인할 수 있으며 그 밑으로는 산소 농도가 측정 되는 전기 화학(화학 전지) 부품을 볼 수 있다. 이 부분은 액체로 채워져 있고 전극 등의 부품이 들어있다.

1. 전기 화학 부분 (화학 전지)

이것이 어떻게 작동하는지 알아보기 위해 우리는 실험을 하고 그 결과를 기록할 것이다.

세가지 변수, 즉 PPO2(산소 부분압), 온도, 부하(저항값)를 변화 시키며 테스트하고 한번에 하나의 값만 변화 시키고 나머지 두가지 값은 유지하면서 센서가 발생 시키는 전류값을 측정한다.

A. 부하의 변화에 따른 전류값, PPO2 (산소 부분압)은 0.21bar, 온도는 20도로 유지

(센서에 연결된 두개의 전선에 저항을 연결하여 부하를 줌)

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측정값을 표시한 그래프를 보면 부하(저항값)을 20옴에서 약 400옴까지 주어도 전류값은 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다. 여기서 중요한 점은 센서 자체가 전류의 근원이라는 것이며 전압을 가하는 쪽이 아니라는 점이다.

다시 말해 저항 또는 전압과 관계없이 센서는 전류값을 일정하게 발생 시키고 있다. 여기에 옴의 법칙 (V=R x I)을 적용할 수 있는데 센서에 부하를 증가 시킬 수록 측정 되는 전압도 증가하게 된다.

이것에 대해서는 차후에 더 자세히 알아보기로 하고 일단 여기 까지의 정보를 통하여 센서의 전류 제한 (current limiting)이라는 말이 어디서 나왔는지 이해하게 되었다(전압 제한 / voltage limiting 이라고 하지 않는다).

B. PPO2 변화에 따른 전류값, 부하(200옴)와 온도(20도)는 동일

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예상 한대로 센서와 접촉하는 기체의 산소 부분압(PPO2)을 증가 시키면 전류값이 증가한다.

그리고 그 값은 PPO2와 매우 일치해서 부분압이 0일때 발생되는 전류도 0에 가깝고 부분압이 1바일 때는 전류의 값도 1이다.

C. 온도 변화에 따른 전류값, 부하(200옴)와 PPO2 (0.21bar)는 동일

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표로 확인할 수 있듯이 온도가 높아지면 센서가 발생시키는 전류값도 높아지며 그 값도 일정하지 않다.

동일한 PPO2에서 온도 변화에 따라 센서의 전류값이 변하는 것은 PPO2를 측정해야 하는 장비에 좋지 않음이 분명하고 센서가 온도에 영향을 받는다는 것을 분명하게 알 수 있다.

결론:  산소 센서의 전기화학(화학 전지) 부분의 분석

센서의 화학 전지 부분이 전류를 발생시킨다. 전류값은 부하와는 상대적으로 무관하여 PPO2(산소 부분압)에 완벽하게 반응한다.

온도에 매우 많은 영향을 받는다. 결론적으로 센서 주변의 온도를 조절하지 않거나 온도 변화에 따른 전류값을 보상하지 않는다면 다이빙을 위한 PPO2 측정기기로는 사용할 수 없을것이다.

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참고: 전류의 근원을 나타내는 도형

2. 회로 부분

센서의 회로 부분에는 3개의 저항 (R1, R2, R3)와 온도가 오르면 저항값이 떨어지는 서미스터(thermistor)인 NTC(negative temperature coefficient)가 사용된다.

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센서의 전체 회로도 (센서에 따라 실제 회로는 조금씩 다를 수 있으나 이해를 돕기 위해 그려진 회로도임).

왼쪽 부분에는 화학 전지(그림에서 왼쪽 galvanic cell)가 발생시킨 전류가 중간 회로(circuit board)를 거쳐 외부 저항(external load)를 통해 최종값을 출력하도록 되어 있다.

A: 복잡한 계산없이 (여기서는 필요하지 않다) 위 회로도의 중간 부분 (3개의 저항과 NTC)을 살펴보면 온도가 높아질수록 전체 회로의 저항값은 줄어 든다는 것을 알수있다.

B: 이전에 실험에서 알수 있듯이 우리는 센서가 발생시키는 전류는 저항(부하)과는 독립적이라는 것을 알고 있다 (화학 전지의 출력은 부하를 변화시켜도 동일함).

C: 화학 전지의 전류값(I)는 온도에 영향을 받는다. 온도가 높아지면 전류값도 높아짐.

D: 여기에 옴의 법칙 (V=R x I)을 적용하면 전체 회로 저항의 전압은 센서의 전압/저항과 같다는 것을 알수있다.

즉, 온도가 높아지면서 전류(I) 값이 변한다 해도 온도 보상 회로에 의해 전체 부하 (R)값이 줄어들면서 I 와 R에 의한 값(V)는 변하지 않게된다 (PPO2가 일정하다는 가정하에). 참고로 전체 부하는 전체 회로, NTC 그리고 외부 저항의 합이다.

이러한 온도 보상 방식은 센서가 전류를 발생시키기 때문에 가능하며 이 전류를 온도에 반응하는 저항 회로에 통과시켜 얻어낸 전압은 온도 변화에 영향을 받지 않게 된다.

일반적인 저항 회로의 전체값은 100~200옴이다.

회로도를 보면 외부 저항을 볼 수 있는데 여기서 왜 이 외부 저항을 센서 회로 자체에 포함시키지 않았을까 하는 의문을 가질 수 있다. 간단하게 설명하면 이것은 컴퓨터, 컨트롤러 또는 PPO2 게이지 같은 기기들을 센서와 연결하려면 케이블을 사용해야 하고 이러한 전기 케이블은 센서가 출력한 값에 영향을 미치는 노이즈를 발생시키기 때문이다.

이러한 노이즈를 줄이기 위해 센서 출력 부분에 약 10k 옴 정도의 저항을 사용해서 전류의 흐름을 줄여준다.

센서 내부 저항 회로값(100~200옴)과 외부 저항값(10k옴)을 보면 알 수 있듯이 화학 전지가 발생시킨 전류의 98~99%는 내부 저항 회로를 통하고 매우 미세한 전류만 외부 저항으로 나간다는 것을 알 수 있다.

여기서 우리는 한가지 중요한 사실을 알 수 있는데 센서를 외부 저항(10k옴)에서 분리한다 하더라도 모든 전류는 내부 회로로 흐르기 때문에 센서가 전류를 발생하는 것을 중단 시킬수는 없다!

다시 말해 센서를 외부 저항에서 분리하여 보관한다고 센서의 수명이 늘어나지 않는다는 것이다.

결론:

산소 센서는 전기-화학(전류를 발생시키는 화학 전지) 부분과 온도 보상 회로로 이루어져 있으며 적정한 외부 부하(저항)을 연결하면 PPO2 (산소 부분압)을 측정할 수 있는 전압을 얻을수 있다.

참고:

센서의 수명은 센서가 제조되는 순간부터 시작됩니다. 센서를 교환 한다면 가능한 최근에 제조된 것을 사용하세요.

산소 센서가 기체(산소)에 얼마나 자주 많이 노출되어 작동하는가 (그래서 센서를 fuel cell, 즉 연료 전지로 말하는 사람도 있습니다) 그리고 어떤 기후의 지역에서 사용되는 가에 따라 그 수명은 달라진다고 합니다.

예를 들어 날씨가 항상 더운 동남아에서 보다 겨울이 있는 기후의 지역에서 사용되는 센서의 수명이 대체적으로 길다고 합니다. 또한 습도와 압력에도 영향을 많이 받습니다.

하지만 이러한 사실들만으로 센서의 수명을 함부로 판단하여 오래된 센서를 사용하거나 믿어서는 안됩니다.

어떤 재호흡기 제조자가 이런 이야기를 했습니다. 센서를 유닛에서 분리해서 냉장고에 보관하면 수명이 365일, 냉동실에 보관하면 12개월, 진공 보관하면 1년.

물론 이것은 농담이지만 그만큼 제조사가 권장하는 기간 내(대부분 최장 1년)에 센서를 교체하라는 의미이기도 하며 불필요하게 유닛에서 분리할 필요도 없다는 의미입니다.

센서 보관 방법에 신경 쓰기보다는 사용 기간을 지켜주고 산소에 얼마나 빠르고 정확하게 반응하는지, 다수의 센서를 사용하는 시스템의 경우에는 센서가 선형으로 반응하는지 자주 확인하는 버릇이 필요합니다.

생산된지 1년이 되지 않았고 잘 작동하던 산소 센서가 어느날 갑자기 비정상적인 전압을 나타낼 수 있는 경우도 많이 있습니다.

센서의 구조나 작동 방식이 복잡하게 느껴질수도 있습니다만 단순하게 수명이 짧은 자동차 배터리라고 생각하면 쉽습니다.

배터리 내부에 들어있는 배터리액의 화학적 반응으로 전류가 생성되는 원리는 비슷하며 자동차 배터리가 수명이 있듯이 산소 센서도 수명이 있으며 환경에 따라 출력 전압이 달라질 수 있습니다.

최근 사용되고 있는 대부분의 재호흡기들은 센서의 연결 커넥터는 다양하지만 거의 대부분이 동일한 센서를 사용하고 있으며 구조도 동일하다고 보면 됩니다.

재호흡기 상표를 달고 있는 센서들은 모두 OEM으로 Vandergraph, Teledyne, AI등에서 만들어지고 있습니다 (Teledyne사는 더 이상 생산하지 않는것으로 추측).

이글은 Paul Raymaekers (http://www.revo-rebreathers.com)가 작성한 “Understanding oxygen sensors” 문서중 산소 센서의 구조와 작동에 대한 이해 부분만 부분 번역하고 필자의 의견과 생각을 추가하였습니다.

원본글에는 센서의 불량 유형과 컴퓨터 가상 시뮬레이션을 통해 얻어낸 결과를 통해 추천하는 센서 교체 방식도 포함되어 있으니 참고하시기 바랍니다.

이글은 저작자의 허락 하에 한글로 번역/의역 하였습니다.
글쓴이 : 임은재 / ej@ejlabs.net / http://eunjaeim.com

면책 조항:

  • 원글의 저자와 저는 이 글의 정보로 인하여 발생할 수 있는 일에 대한 책임이 없음을 알립니다.
  • 재호흡기 산소 센서의 교환 정책은 다이버 본인이 판단해야 합니다!

3 Replies to “산소 센서는 무엇이고 어떻게 작동하는가?”

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