산소 센서의 이상 작동 유형

현재 모든 재호흡기에 공통으로 사용되고 있는 산소 센서는 화학 전지(galvanic cell) 타입으로 제한적인 수명을 가지고 있으며 오래될수록 오작동 확률은 높아진다.

하지만 생산된 지 얼마 되지 않은 센서도 이상 작동할 가능성은 충분히 있다는 것을 기억하자.

센서의 정확한 수명을 예측하는 것은 불가능한데 그 구조가 화학 전지(fuel cell/연료 전지)라는 근본적인 이유가 있고 사용 중에 발생하는 압력(수압) 변화, 온도 변화, 충격 등의 외부 영향과 얼마나 많은 산소(O2 %)에 자주 노출되었는가 등의 다양한 조건이 있기 때문이다.

센서 이상의 결과를 세 가지로 요약하면 다음과 같다.

1. 전류가 출력되지 않음 (이상 유무를 쉽게 알 수 있음)
2. 전류의 출력이 불안정
3. 전류의 제한 : 높은 pO2를 출력하지 못함

2와 3번 유형은 다이버가 쉽게 발견할 수 없다는 것이 문제인데 치명적인 결과로 이어질 수도 있다. 참고 글: 산소 중독 – 센서의 전류 제한

예를 들어 수면에서 기체의 부분압이 높지 않을 때는 정상적인 전류 값을 출력하지만, 다이빙을 시작하여 기체의 부분압이 높아지면서 특정 pO2 값 이상을 출력하지 못하는 경우도 있다(전류 제한 = current limiting).

센서의 비선형 반응(출력)

다음 그래프는 정상/비정상 센서의 전류 값을 예로 나타낸 것이다.

이상이 있는 센서는 수면(1바)에서 100% 산소에 정상적으로 캘리브레이션이 가능하고 다이빙 중에 pO2 1.3바까지 선형으로 반응하며 정상값을 출력하지만, 일정 pO2에 도달하면 더는 전류(mV)가 높아지지 않는다.

이와 같은 전류 제한 상태의 센서는 다이버가 쉽게 알 수 없는 경우가 많고 만약 다이버 또는 전자식 제어 시스템이 비선형 반응의 센서값을 정상이라고 판단하면 재호흡기 내(호흡하는 기체)의 pO2는 표시되고 있는 것보다 높으므로 큰 문제가 발생할 수 있다.

특정 pO2 이상을 출력하지 못하는 센서를 전류 제한(current limiting) 되었다고 하는데 “전압” 제한이라고 하지 않는 이유는 이글을 참고.

온도

화학 전지(galvanic cell) 타입의 센서는 온도에 영향을 많이 받으며 재호흡기에 사용되는 센서에는 이러한 영향을 상쇄하는 NTC(negative temperature coefficient) 회로가 사용된다.

수온, 다이빙 시간, 재호흡기 설계에 따라 재호흡기 내부의 기체 온도는 0~60C까지 다양하게 변화할 수 있고 NTC 회로는 이러한 온도 변화에 완벽하게 반응해야 한다.

하지만 센서의 사용 기간이 오래되면서 회로가 오작동할 가능성은 충분히 있다.

습도

대부분의 재호흡기 센서는 높은 습도(재호흡기 내부 기체)에도 큰 문제가 없지만 수분이 지나치게 응축되어 기체가 통과해야 하는 센서의 멤브레인(센서 구조 참고글)에 물방울이 형성되면 반응이 느려질 수 있다.

또한 응축된 수분은 센서의 회로와 센서가 시스템과 연결되는 커넥터(접점)에 직접적인 영향을 줄 가능성도 있다.

센서의 휴면

오랫동안 사용하지 않았던 센서가 100% 산소에 노출되기 전 일정 시간 동안 출력 범위가 정상적인 범위보다 줄어드는 “휴면” 현상을 나타내는 경우도 있다(센서 제조사 마다 다름).

예를 들어 정상적인 센서의 출력 범위가 10mV ~ 64mV (21% ~ 100% 산소)라고 가정할 때 약 한달간 사용하지 않았던 센서가 100% 산소에 노출되어도 45mV 까지만 출력하는 경우이다.

휴면 상태의 센서가 정상 범위의 값을 출력하는 상태로 돌아오는데는 약간의 시간이 필요한데 만약 다이버가 센서의 휴면 상태에서 캘리브레이션을 수행하고 실제 다이빙 시에는 센서가 휴면 상태에서 벗어나 정상 범위의 값을 출력하게 된다면 디스플레이는 실제 호흡하는 기체보다 높은 pO2 값을 표시할 것이다.

반응 속도

센서가 오래될 수록 산소에 반응하는 속도가 점차 느려지는데 pO2 변화에 따른 반응 속도(출력의 변화)가 지나치게 느려지면 산소 주입을 자동/수동으로 제어하는 재호흡기에서 문제가  될 수 있다.

예를 들어 Low set-point(0.7)에서 High set-point(1.3)로 전환을 위해 산소를 주입하여 pO2를 상승시키는 상황을 생각 해 보자.

만약 센서의 반응이 지나치게 느려 이미 실제 pO2가 1.3 이상인 경우에도 낮은값을 출력한다면 다이버 또는 자동 시스템이 High set-point(1.3)을 얻을 때까지 계속적으로 산소를 주입하게 될 것이다.

일반적으로 재호흡기 내에서 산소가 주입되는 위치, 기체의 순환 속도와 센서의 위치에 따라 정확한 산소 부분압이 측정되는데는 일정한 시간이 필요하다는 것을 감안한다면 반응 속도가 느린 센서는 문제가 될 수 있다.

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4 Replies to “산소 센서의 이상 작동 유형”

  1. 산소 센스로 인해 발생 가능한 위험성 때문에 pSCR로 눈이 자꾸 가는………

    포세이돈에서 선보인다는 거시기는 언제쯤 볼 수 있을까요? ㅎㅎ

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