Szenzorok és analizálás

Egyre több búvár ismeri fel a kevertgázas merülések előnyeit. A kevert gázok (Nitrox, Triox, Trimix, Héliox) használatakor mindig figyelembe vesszük az adott gázban lévő oxigén mennyiségét a mélység, fenékidő, dekompresszió vagy épp az oxigénterhelés számításakor. Az analizálási pontatlanságok a mélység növekedésével exponenciálisan növelik a kockázatot, tehát a pontos mérés alapvető fontosságú.

Galván oxigén szenzor sematikus ábra

Leggyakrabban az analizálást a galván, elektrokémiai alapon működő oxigén-szenzorokkal végezzük. Habár növekvő a kereslet, és egyre több cég gyárt ilyeneket, de a technológia alapja a Teledyne vállalat 1964-es szabadalma, melynek működési elve a mai napig is változatlan. E szenzorokban található egy ólomdarabka, ami anódként szolgál és egy számtalan apró lyukkal ellátott nemesfém lemezke mely, mint katód működik. Ezeket egy kálium-hidroxidos elektrolit oldat veszi körül, biztosítva, hogy a katód folyamatosan nedves legyen. Az egészet egy teflonos membrán zárja le, melynek funkciója, hogy az oxigén egyenletesen tudjon beleoldódni az elektrolitba.

Működés közben az oxigén átdiffundál a membránon, és az ólommal érintkezve ólom-oxid keletkezik. Ez a folyamat egy kis áramot termel az anód és a katód között. Az áram átmegy egy hőmérséklet kompenzáló áramkörön, amely az oxigén parciális nyomásával arányosan áramot  termel. Ezt az értéket mérve, és átalakítva számunkra értelmezhető formára, jelenik meg az eredmény egy kijelzőn. Csak mellékesen jegyzem meg, hogy az eredeti szabadalom a NASA számára lett kifejlesztve, és az űrhajók üzemanyagából állított elő áramot. A módszer miniatürizált verzióját használjuk mi, búvárok.

A szenzorok működésével kapcsolatban a legfontosabb elv amit meg kell értenünk, hogy a szenzorok nem a gáz térfogatszázalékát mérik, hanem a gáz parciális nyomását. A parciális nyomást alapvetően három dolog befolyásolja: 

  1. Az adott gáz térfogatszázaléka a gázkeverékben
  2. A környezeti nyomás
  3. A környezet hőmérséklete

Habár e szenzorok alkatrészei nagy pontosságú szabványok szerint készülnek, nincs két szenzor, amely abszolút ugyanazt az értéket mutatná.

Egy egészséges szenzor, ha levegőhöz kalibráljuk, akkor lineárisan növekedve, tiszta oxigén esetén pont 100%-ot kell, hogy mutasson. Ahogy az ólomdarabka elhasználódik (öregszik a szenzor), úgy ez a linearitás felborul. Ennek biztos jele az, amikor a műszerünk nem pont 100%-os értéket mutat tiszta oxigén esetén sem. 

Egy galván oxigén szenzor

A hőmérséklet

A palackból kijövő gáz mindig lehűl, és minél erősebben nyitjuk meg a szelepet, annál hűvösebbre. Ha a szenzor testének hőmérséklete magas, pl. trópusi környezetben, akkor a szenzorban termikus tehetetlenség alakul ki, melynek az eredménye, hogy a mért érték elér egy pontot, majd szép lassan csökkenésnek indul ahelyett, hogy stabil értéket mutatna.

Probléma lehet, hogy a frissen töltött palackokban a gáz, a lehűlés ellenére is melegebb marad a szenzornál, ami pontatlan eredményt adhat, ezért mindig csak lehűlt palackot analizáljunk. Ehhez hasonló eset, ha hideg téli éjjeleken kint hagyjuk az autóban az analizátort, és reggel egy fűtött bázisról kapjuk a palackot.

A környezeti nyomás

Az időjárás is – az atmoszférikus (környezeti) nyomáson keresztül – hatással lehet a mérés eredményére. Nem elhanyagolható a különbség a rossz, és a jó időben történő mérések között. 30 milibar különbség  az atmoszférikus nyomásban, 3 százalékos különbséget eredményezhet az analizálás során.

Magashegyi merülésnél, a különbségek még jelentősebbek. Egy tengerszinten kalibrált műszernél ne lepődjünk meg, ha 2500 méteren csak 16%-os értéket mutat a levegőre, hiszen megváltozott az oxigén parciális nyomása. Tehát ha a magasban szeretnénk kalibrálni a műszert, úgy mindenféleképp figyelembe kell venni az atmoszférikus nyomás eltérését.

Páratartalom

Habár a páratartalom önmagában még nem kellene, hogy rontsa a szenzor pontosságát, ámde az erős nedvesség a plusz folyadékréteg miatt akadályozza az oxigén diffúzióját. 25 fokon, 100 százalékos relatív páratartalom esetén, a mérési pontatlanság a 3 százalékot is meghaladhatja. Kicsit segíthet, ha a szenzort  függőlegesen, a membrános felével lefelé tartjuk a kalibrálás során, mivel ekkor a nedvesség vízcseppek formájában távozhat.

Kalibrálás

A megengedett legnagyobb tolerancia a merüléstervezési számítások során 1% szokott lenni, ezért fontos, hogy pontosan kalibráljuk a műszert. A műszerek többsége a levegő oxigéntartalmához (20,9%) kalibrálva, 1 Atmoszféra nyomáson, 25 fokos hőmérsékletben, 1-5 L/perc átfolyás mellett, száraz levegővel működik a legpontosabban.

De miért kell áramlás mellett analizálni? Azért, mert az áramló gázban turbulencia alakul ki, ezáltal  jobban keveredik a gáz, így pontosabb értéket kapunk. Viszont, mivel áramló gázokat analizálunk, ezért a kalibrálás is áramlás mellett kell(ene) történjen. Leggyakrabban persze szimplán kézben tartva szoktuk kalibrálni a műszerünket, ami egy kedvtelési nitroxnál még nem okoz óriási eltérést, de a mélymerülésekhez használt gázoknál már nem javasolt ez a módszer. Ilyen esetben használjunk egy, biztosan levegővel töltött palackot átfolyás-szabályzóval a kalibráláshoz. Az átfolyászabályzó nélküli méréseknek egy másik hibája, hogy ha túl erősen nyitjuk meg a palackot, akkor a már említett termikus tehetetlenség mellett, még ellen-nyomás is létrejöhet, ami magasabb értéket eredményezhet a valóságosnál, ami elér egy pontot, majd csökkenni kezd. Megfelelő áramlás esetén a mért értéknek stabilnak kell lennie.

Használat előtt érdemes ellenőrizni, hogy az analizátor reagál-e. Ha szájjal gyengén ráfújunk a szenzor membránjára, akkor az érték azonnal csökkenni kezd, akár 17 százalékig is, majd kisvártatva vissza kell álljon a 20,9 -re.

Ajánlások a szenzorok kezeléséhez

  • A szenzoroknak mentesnek kell lenniük minden fizikai sérüléstől, ezért óvatosan helyezzük be tartójukba, és ne tegyük ki erőteljes fizikai behatásnak őket. 

    Analizátor tárolódobozzal
  • Ne hagyjuk őket magas oxigéntartalmú környezetben, mivel ez akár 80 százalékkal is csökkentheti élettartamukat. Ez annyit tesz, hogy egy 4 év normál élettaramú szenzor 10 hónap alatt tönkremehet. 
  • Ne hagyjuk száraz, forró környezetben, mivel az elektrolit kiszáradhat.
  • Ne tegyük ki nagy nyomásnak se őket, mivel az deformálhatja a membránt. Ilyen történhet akkor, amikor az analizátort már a szelepnél tartjuk, és erőteljesen rányitunk a palackra. 
  • Legyen mindig tiszta a membrán, még kézzel se érintsük meg, mivel ha piszkos vagy zsíros, akkor  nehezebben jut át az oxigén.
  • Egy jól szigetelt doboz, vagy egy kis védősapka a szenzor membrános végén segíthet, hogy teljesen kihasználjuk a szenzor élettartamát. Ha zárt helyről vesszük elő hosszabb idő (hónapok) után, akkor használat előtt hagyjuk egy kicsit levegőzni (kb 1 óra), hogy az elektrolitban és a levegőben azonos lehessen az oxigén parciális nyomása. 
  • Ne tegyük bele a szenzort folyadékba. 
  • Érdemes a csatlakozásokat (jack-dugó vagy más hasonló) egyben tartani, így elkerülhető az elektronika oxidációja (különösen tengeri levegős környezetben).
  • Miután a szenzor elérte élettartama végét, vagy valamilyen okból használhatatlanná vált, akkor ne dobjuk a háztartási szemét közé, hanem elektronikai hulladékként kezeljük, és adjuk le az erre szakosodott helyeken. 

Rengeteg kísérlet történt már a galván oxigén szenzor helyettesítésére. Bár számtalan más oxigén-analizálási módszer létezik már a világon (paramagnetikus, ultraszonikus, hővezetéses, mágneses szél, polarografikus stb.), de terepi búvár-használatra (még) egyik sem alkalmas. Az újdonságok közül az egyik legígéretesebb, és már a búvárkodásban is használt – bár még jelentősebb gyakorlati tapaszlatat nem halmozódott fel – az ún. “szilárd állapot” szenzorok. Ők egy speciális foszforeszkáló festéket használnak, melyek reagálnak a vörös fényre. Lehet, hogy pár év múlva már csak ilyenekkel találkozunk?