Understanding Oxygen Sensors - Zrozumieć Sensory Tlenowe

UWAGI:

Niektóre z zamieszczonych w artykule wykresów mają znaczenie wyłącznie edukacyjne i nie odzwierciedlają rzeczywistych danych. Autor nie bierze odpowiedzialności za sposób w jaki czytelnicy będą stosować zawarte w nim informacje. Decyzja o wymianie sensora tlenowego należy bezpośrednio do użytkownika rebridera.

Sensor tlenowy, co to takiego?

Aby wyjaśnić, do czego służy sensor tlenowy i jakie zjawiska zachodzą w jego wnętrzu otworzymy nowe, nieużywane ogniwo i zbadamy jak wyglądają jego poszczególne części.

U góry po lewej: kompletny sensor tlenowy, następnie - sensor po zdjęciu obudowy oraz widok układu scalonego z gniazdem typu molex (złącze męskie). Poniżej widoczna jest główna część sensora (ogniwo galwaniczne) z którego wyprowadzono dwa przewody do zasilania układu scalonego (fot.3). Na dole mamy białą „membranę" - tą drogą tlen dostaje się do wnętrza sensora. Po wyjęciu płytki scalonej widać kilka elementów elektronicznych. Po stronie ogniwa znajduje się przezroczysta, miękka membrana przykrywająca płyn (elektrolit) i zanurzone w nim elektrody.

Część pierwsza: układ elektro-chemiczny sensora (ogniwo galwaniczne)
Aby poznać sposób w jaki działa sensor, wykonamy kilka testów oraz będziemy rejestrować ich wyniki.
Poddamy ogniwo trzem zmiennym czynnikom: frakcji tlenu, temperaturze oraz obciążeniu (opór elektryczny). Będziemy mierzyć prąd elektryczny wypływający z sensora za każdym razem zmieniając tylko jeden z parametrów i zachowując pozostałe na tym samym poziomie.

A: Mierzymy napięcie prądu na sensorze w funkcji obciążenia (oporu). Przy stałym ciśnieniu parcjalnym tlenu (0.21bar) i stałej temperaturze (20°C) zmieniamy obciążenie, tzn. pomiędzy złącza sensora podłączamy opornik i staramy się zmierzyć prąd jaki przez niego płynie. 

Pomimo podłączania zmiennego obciążenia (opornika mającego od 20 Ohm do ponad 500 Ohm), prąd wypływający z sensora nie ulega zmianie! To oznacza, że ogniwo (jakim jest sensor) jest źródłem prądu (nie jest natomiast źródłem napięcia). Stara się dostarczyć niezmienny prąd bez względu na to jak duży opór musi pokonać. Zgodnie z prawem Ohma (U=R x I), napięcie jakie mierzymy na sensorze jest wprost proporcjonalne do prądu, który z niego wypływa, więc rośnie w miarę wzrostu obciążenia naszego ogniwa. Wrócimy do tego zjawiska w dalszej części artykułu, ale już na tym etapie wnikliwy czytelnik jest w stanie wydedukować skąd bierze się termin „ograniczenie prądowe" oraz dlaczego nie używamy nazwy „ograniczenie napięcia" na sensorze).

B. Mierzymy prąd wypływający z sensora w funkcji zmiennego ciśnienia parcjalnego tlenu (PPO2). Obciążenie (200Ohm) i temperatura (20°C) są niezmienne.

Prąd wytwarzany przez ogniwo rośnie wprost proporcjonalnie do zmiany zawartości tlenu w gazie kierowanym na membranę sensora. Przy zerowym PPO2 prąd również maleje do zera. Tym samym – jeśli obciążymy sensor (podłączymy opornik) i będziemy mierzyć napięcie, będzie się ono zmieniać w zależności od ciśnienia parcjalnego tlenu (PPO2) na jakie sensor jest wystawiony.

C: Mierzymy prąd wypływający z sensora w funkcji zmiennej temperatury. Obciążenie (200Ohm) i ciśnienie parcjalne tlenu (0.21bar) pozostają niezmienione.

Podczas podnoszenia temperatury, prąd wypływający z sensora również rośnie. Nie jest to jednak wzrost proporcjonalny do zmiany temperatury. Jest to niepożądane przy pomiarze ciśnienia parcjalnego tlenu (PPO2), ponieważ nie chcemy, aby pomiar był zakłócany przez temperaturę.

Wnioski.
Ogniwo elektrochemiczne (ogniwo galwaniczne) jakim jest sensor tlenowy, jest w rzeczywistości źródłem prądu (nie jest natomiast źródłem napięcia) i stara się dostarczyć możliwie niezmienny prąd bez względu na obciążenie (opór) jakiemu jest poddawane. Wytwarza prąd prawie idealnie proporcjonalny do zmiany ciśnienia parcjalnego tlenu (PPO2), ale jednocześnie pozostaje bardzo czułe na zmiany temperatury. Tym samym - bez wcześniejszej wiedzy nt. temperatury otoczenia albo bez odpowiedniego układu elektrycznego wyrównującego wpływ temperatury, poprawny pomiar jest niemożliwy.

Układ scalony w sensorze

Po przyjrzeniu się płytce umieszczonej bezpośrednio nad ogniwem, można zauważyć tam układ oporników, składający się z trzech zwykłych rezystorów (R1, R2 i R3) oraz jednego reagującego na zmiany temperatury (tzw. termistor lub NTC – rezystor o negatywnym współczynniku temperaturowym – Negative Temperature Coefficient; opór takiego rezystora - ilość Ohmów - maleje wraz ze wzrostem temperatury).

Schemat całego układu umieszczonego w sensorze wygląda następująco (niektóre sensory mogą posiadać bardziej rozbudowane układy elektroniczne, skupimy się jednak na najprostszym przykładzie, który pozwala pokazać potrzebne w tym artykule zależności).

Po lewej widoczne jest ogniwo galwaniczne (źródło prądu), w środku układ oporników (rezystorów), jaki znajduje się nad ogniwem w obudowie sensora, a po prawej - „zewnętrzne obciążenie", które należy dodać do sensora, jeśli chcemy dokonać pomiaru prądu, jaki z niego wypływa.

A zatem
A. Bez wykonywania skomplikowanych przeliczeń (nie są tutaj potrzebne), jeśli uważnie przyjrzeć się środkowej części – trzy zwykłe oporniki oraz jeden opornik NTC (termistor) połączono w sieć reagującą na zmiany temperatury otoczenia. Jeśli temperatura rośnie (opór termistora maleje wraz ze wzrostem temperatury), całkowity opór układu – maleje.
B. Ponadto, wiadomo już, że niezależnie od obciążenia, sensor wytwarza niezmienny prąd
C. Prąd (I) dostarczany przez ogniwo, rośnie w miarę wzrostu temperatury
D. Stosując prawo Ohma (U = R x I), które mówi, że napięcie w układzie oporników odpowiada oporowi i wielkości prądu jaki przez niego płynie można wywnioskować:
Poprzez odpowiednie dobranie układu oporników (w tym przypadku układu zdolnego kompensować zmiany temperatury), napięcie wytwarzane przez sensor może być stałe, niezależnie od zmian tej temperatury. Jest to możliwe wtedy i tylko wtedy, kiedy wzrost natężenia prądu (I) związany ze wzrostem temperatury będzie równoważony przez spadek obciążenia (R). Przez całkowite obciążenie ogniwa (sensora) należy rozumieć opór układu scalonego zawierającego rezystory, w tym termistor oraz zewnętrzny opór w postaci opornika potrzebnego do dokonania pomiaru

W ten właśnie sposób wyrównywany jest wpływ temperatury na odczyt. Zjawisko to działa tylko dlatego, ponieważ sensor sam w sobie jest źródłem prądu, który później musi przepłynąć przez reagującą na zmiany temperatury sieć oporników. Dlatego też napięcie mierzone ostatecznie na jego złączach jest od niej niezależne. Opór takiej sieci rezystorów zazwyczaj kształtuje się w zakresie 100-200 Ohm.

Na schematach widoczna jest też ostatnia część, oznaczona jako „obciążenie zewnętrzne" (external load). Dlaczego jednak nie jest ona instalowana wewnątrz układu oporników już w procesie produkcji? Do czego w ogóle jest potrzebna?
Najprostsze wyjaśnienie dotyczy sposobu w jaki sygnał z sensorów jest mierzony w rebriderze (oczywiście poprzez złącze na sensorze), ale w pewnym oddaleniu od niego. Wyświetlacze znajdują się w handsetach, a to oznacza, że pomiędzy nimi a rebriderem jest kabel podatny na wpływy zewnętrzne (np. promieniowanie, szum elektryczny). Aby uniknąć dodatkowych zakłóceń, sygnał z sensora jest transmitowany w niezmienionej formie do układu scalonego, gdzie znajdują się odpowiednie oporniki, zazwyczaj o wartości 10kOhm (10.000Ohm).

Tym samym, układ scalony z rezystorami jest konstruowany pod kątem najlepszego korygowania zmian temperatury przy uwzględnieniu znanego i stałego obciążenia jakiemu jest poddawany prąd na wyjściu z sensora. Przyglądając się bliżej wartościom obciążenia (100-200Ohm) w sensorze i poza nim (10.000Ohm), widać że 98-99% prądu dostarczanego przez ogniwo przechodzi bez przeszkód przez wewnętrzną sieć oporników i jest ograniczana dopiero na zewnątrz. Ten wniosek pomaga wyjaśnić kolejny mit: odłączanie sensora od zewnętrznego obciążenia (wyjmowanie go z głowicy rebridera) nie przedłuża życia ogniwa, ponieważ prąd i tak płynie przez wewnętrzną sieć oporników. Ponadto ogniwo przez cały czas produkuje prąd – niezależnie od obciążenia.

Wniosek:
Nowoczesny sensor tlenowy jest połączeniem dwóch układów: elektro-chemicznego (źródło prądu, którym jest ogniwo galwaniczne) oraz elektronicznego (układ scalony odpowiedzialny za kompensację zmian temperatury). W procesie produkcji oba zostają połączone w sposób umożliwiający pomiar napięcia, które pod warunkiem podłączenia zewnętrznego obciążenia, jest prawie idealnie proporcjonalne do ciśnienia parcjalnego tlenu (PPO2).

Sensory doskonałe

Wyobraźmy sobie teraz, że istnieje doskonały sensor. Ogniwo, które daje stałe napięcie idealnie proporcjonalne do PPO2 gazu w jakim sie znajduje, niezależnie od temperatury, wilgotności czy innych czynników. Mając taki sensor, wystarczyłoby skalibrować go raz podczas instalacji i mógłby pozostawać w obudowie przez nieskończenie długi czas, bez efektu „starzenia się". Sensor, którego prawdopodobieństwo awarii w określonym czasie od momentu produkcji wynosiłoby zero.

Jak wiele takich idealnych sensorów potrzeba w rebriderze? Zapewne wystarczyłby jeden, ale...
Ponieważ nie istnieją idealne sensory, ani doskonała i niezawodna elektronika pomiarowa, która byłaby w stanie bezbłędnie odczytywać zmiany prądu z takiego sensora – potrzebujemy przynajmniej dwóch sztuk, najlepiej wyposażonych w dwa niezależne źródła odczytu (dzięki czemu możliwe staje się wykrycie, który z nich nie działa poprawnie). Rebridery wyposażone w logikę sterującą powinny posiadać przynajmniej 3 sztuki sensorów (więcej o tym w dalszej części artykułu).

Do tej pory nie udało się jednak wyprodukować doskonałego sensora ... pozostaje zatem następna możliwość. 

Sensory „prawie doskonałe"

Wyobraźmy sobie doskonały sensor z poprzedniego przykładu, ale posiadający pewną wadę – ma z góry zdefiniowany okres działania, np. 36 miesięcy. Koniec tego okresu możemy poznać po zmianach w zachowaniu ogniwa – kiedy przestaje już być „doskonałe", a prawdopodobieństwo awarii staje się wysokie. Mogą to być: brak prądu płynącego z ogniwa, wysoki prąd, zmienny prąd, nieliniowość pomiaru, ograniczony prąd itd. Nie musimy znać dokładnej przyczyny awarii. Wystarczy, że znana jest dokładna data „śmierci sensora" - 36 miesięcy od daty produkcji. Prawdopodobieństwo awarii takiego ogniwa, można przedstawić na takim wykresie:

Wykres przedstawia wyniki testu na wirtualnej grupie 100 sensorów, pokazując kiedy przestają działać poprawnie i nie są już „doskonałe" – wszystkie „umierają" dokładnie w 36 miesiącu swojej aktywności.

Wyobraźmy sobie zatem, że posiadamy właśnie takie „prawie doskonałe" ogniwo (dwie lub trzy sztuki). Kiedy należałoby je wymienić?

Skoro wiadomo, że zachowują się doskonale przewidywalnie aż osiągną wiek 36 miesięcy, kiedy to zdarzy się awaria każdego z nich, wystarczy wymienić je pod koniec 35-go miesiąca użytkowania. Proste i skuteczne. Niestety, nawet takich „prawie doskonałych" sensorów nigdy nie udało się znaleźć w sprzedaży... Przejdźmy zatem do następnej części – prawdziwe sensory dostępne w nurkowaniu.

Prawdziwe sensory oraz ich usterki

Przeanalizujemy teraz kolejne możliwości awarii „prawdziwych" sensorów. Jakie są ich przyczyny i jakie zagrożenia z nich wynikają, jakie jest prawdopodobieństwo wystąpienia tych awarii w wyniku starzenia się ogniwa i sposobu w jaki jest użytkowane.

Przyjmijmy za awarię sensora każde zachowanie, które odbiega od zachowania „doskonałego sensora" w zakresie w jakim są one używane w rebriderach nurkowych, gdzie ciśnienie parcjalne tlenu waha się pomiędzy 0.21 i 1.6bara, a wynik pomiaru nie zmienia się o więcej niż kilka % na przestrzeni paru dni oraz prąd przez nie generowany pozostaje w zakresie akceptowanym przez elektronikę rebridera.

Usterka Pierwsza: ograniczenie prądowe
W pierwszej części artykułu pokazano, że ogniwo galwaniczne umieszczone w obudowie sensora generuje prąd elektryczny prawie idealnie proporcjonalny do otaczającego je ciśnienia parcjalnego. Pomiar był wykonywany jednak tylko do wartości 1bar.

Kiedy podnosimy ciśnienie parcjalne tlenu powyżej 1.0 ATA, okazuje się, że ta liniowa zależność ma pewne ograniczenia i wzrost nie odbywa się w nieskończoność. Poniższy wykres pokazuje zależność pomiędzy prądem i PPO2 dla trzech różnych sensorów.

Dla sensora 1, wartość prądu rośnie wraz ze wzrostem PPO2 do około 2bar, a następnie krzywa ulega spłaszczeniu - ogniwo w sensorze nie jest w stanie wygenerować więcej prądu ponad tą wartość. W tym przypadku mówimy o ograniczeniu prądowym sensora.

W rzeczywistości każdy sensor, nawet ten wyjęty prosto z pudełka jest ograniczony prądowo. Ponieważ jednak używamy ich w specyficznym zakresie ciśnień parcjalnych (zazwyczaj poniżej 1,6bar), nie jest ważne gdzie dokładnie występuje to ograniczenie prądowe, dopóki w istotnym zakresie sensor reaguje poprawnie.

W nurkowaniu rebriderowym przyjmuje się, że sensor jest ograniczony prądowo (awaria), kiedy "spłaszczanie" krzywej odbywa się poniżej wartości 1,6bar PPO2.

Oznacza to, że sensor 1 jest ogniwem doskonałym, dającym napięcie idealnie proporcjonalne do zmian ilości tlenu w otoczeniu. Tym samym, kalibrując go przy ciśnieniu parcjalnym 1.0bar PPO2, możemy być pewni, że kiedy pokazuje 1,3bar PPO2, to ciśnienie parcjalne tlenu faktycznie wynosi dokładnie 1,3 bar. Podsumowując – jeśli spłaszczanie krzywej ma miejsce poza interesującym nas obszarem PPO2, nie zaprzątamy sobie tym zjawiskiem głowy.
Co zatem z sensorami, które są ograniczone prądowo?

Będziemy potrzebować wykresu, na którym napięcie (bezpośrednio związane z wytwarzaną ilością prądu) z naszych trzech sensorów jest zamieniane na odczyt PPO2.

Przyjrzyjmy się sensorowi nr2. Z wykresu widać, że napięcie rośnie liniowo do poziomu 1.0bar. Załóżmy teraz, że kalibrujemy ten sensor przy użyciu czystego tlenu pod ciśnieniem atmosferycznym na poziomie morza i (błędnie) przyjmujemy, że używamy dobrego sensora, tj. reagującego liniowo na wzrost PO2 do poziomu 1.6bar.

Co tak naprawdę zostanie wyświetlone jako wynik przy PPO2 równym 1.3bar? Czy napięcie będzie 1,3 razy wyższe niż to odpowiadające ciśnieniu 1.0bar, czyli wtedy kiedy kalibrowaliśmy nasz sensor? Oczywiście, że nie – napięcie na sensorze będzie niższe. Na zamieszczonym wykresie sensor pokazuje w tym punkcie +/- 1.22, a przy rzeczywistym ciśnieniu PPO2 1.6bar nasz sensor pokazuje jedynie 1.35, tak więc wyświetlacz będzie pokazywać zaniżony wynik – nie dobrze!

Przyjrzyjmy się zatem sensorowi nr3. Po kalibracji wyświetlacz pokazuje poprawnie 1.0 PPO2, ale przy wyższym ciśnieniu wartości zupełnie odbiegają od oczekiwanych. 1.3PPO2 – odpowiada 1.17, przy 1.6PPO2 wynik wynosi 1.23, nawet przy ciśnieniu 3bar – wynik to zaledwie 1.28...
Wyobraźmy sobie teraz używanie tych sensorów pod wodą – w odpowiednim momencie nurkowania chcemy osiągnąć set point przynajmniej 1.3bar. Użytkownik (albo elektronika kontrolująca ciśnienie parcjalne w pętli oddechowej) dodaje tlenu do momentu osiągnięcia założonego PPO2 czyli 1.3bar ... które nigdy nie nastąpi. Nieważne ile gazu zostanie dodane do pętli – na wyświetlaczu nigdy nie pokaże się wartość 1.3!

Stąd wynika prawdziwe zagrożenie związane z używaniem ograniczonych prądowo sensorów - po przekroczeniu PPO2 1.0bar pokazują ciśnienie parcjalne niższe niż rzeczywiste i całkiem prawdopodobne jest, że odbywa się to bez wiedzy i kontroli nurka (zjawisko jeszcze bardziej prawdopodobne w układach sterowanych za pomocą elektroniki). Aby ograniczyć to niebezpieczeństwo wypracowano odpowiednie procedury weryfikacji. Nurek jest w stanie sprawdzić wskazania sensorów, wtryskując do nich czysty tlen na znanej głębokości (6-7m) i weryfikując, czy wyświetlacze pokazują przynajmniej 1.6bar. W tym celu również producenci instalują przynajmniej dwa niezależne czujniki tlenowe w każdym rebriderze.

Kiedy sensor staje się ograniczony prądowo? Po osiągnięciu pewnego okresu użytkowania większość jego „paliwa" jest już zużyta i nie potrafi wyprodukować napięcia wyższego niż pewne wewnętrzne „maksimum", które również staje się coraz niższe wraz z rosnącym wiekiem sensora. To oznacza, że ograniczenie prądowe staje się bardziej prawdopodobne w miarę upływu czasu (starzenia się sensora), w pobliżu (teoretycznej) granicy jego używalności.

Doświadczenie ostatnich lat pokazuje, że średnia wieku, przy której sensory stają się ograniczone prądowo jest mocno uzależniona od serii produkcyjnej. Zdarzają się serie, w których ponad 95% sensorów osiąga wiek 24 miesięcy w bardzo dobrym stanie. Nazywamy je wtedy „dobrymi" seriami.

Zdarzają się również takie serie, kiedy należy uważać się za szczęśliwych, gdy sensory działają poprawnie przez 12 miesięcy... Tak jak na następnym wykresie.

Posiadając całą powyższą wiedzę – kiedy powinniśmy wymienić go na kolejny? Odpowiedź nie jest wcale taka prosta – w rzeczywistości nie można przewidzieć z wyprzedzeniem, kiedy dany sensor zawiedzie – jest to w dużym stopniu zależne od serii i od sposobu jego używania!

Ponieważ ograniczenie prądowe pojawia się w okresie kiedy sensor jest stary i większość jego „paliwa" jest już „wypalona" (wyprodukował wcześniej dużo prądu), wiele zależy od temperatury otoczenia. Z rozdziału pierwszego wynika, że ilość prądu dostarczanego przez ogniwo galwaniczne jest zależna od temperatury - rośnie wraz z jej wzrostem. Tym samym wewnętrzne „wypalanie się" sensora również przyspiesza (wykres z rozdz.1: przy 40°C tempo przemian chemicznych jest dwukrotnie większe niż przy 10°C). Nic dziwnego, że sensory wytrzymują dłużej w zimniejszym klimacie niż w gorącym...
B: Drugi typ awarii: wadliwa seria produkcyjna

Jak już wiadomo, nie wszystkie sensory zachowują się przewidywalnie do momentu osiągnięcia krytycznego wieku. Na wykresie przedstawiono żywotność pewnych serii, które produkowano w latach 2006/2007. Wyraźnie widoczne są "złe" partie, kiedy sensory zawodzą tuż po zainstalowaniu bez żadnego oczywistego powodu, poza jakimś wewnętrznym "defektem". Być może akurat te serie nie były w ogóle przeznaczone do zastosowania w nurkowaniu?

Sensory są konstruowane do używania z ciśnieniami parcjalnymi nie przekraczającymi 1bar, więc wielokrotne zmiany ciśnienia otoczenia jakie są częścią każdego nurkowania mogą odbijać się na żywotności tych ogniw.

Trzeci typ awarii - pozostałe usterki

Poniżej wymieniono pozostałe częste przyczyny awarii sensorów. Ich występowanie nie ma bezpośredniego powiązania z wiekiem – chociaż można zauważyć taką właśnie tendencję.

Nagła śmierć sensora
Jedną z awarii jest niespodziewany spadek prądu generowanego przez ogniwo do zera lub do wartości bliskiej zeru. Powodem, jak mogłoby się wydawać, nie jest „wyczerpanie paliwa". Przyczyna awarii może być różna: fizyczne uszkodzenie wewnętrznych połączeń, awaria układu scalonego, uszkodzenie wewnętrznej membrany i „wyciek paliwa", upadek sensora ze znacznej wysokości, itd.

Wysoki prąd
Niekiedy ogniwo produkuje znacznie wyższy prąd (czasami 5-10x większy) od tego odpowiadającego ciśnieniu parcjalnemu w otoczeniu. Producenci wyjaśniają to poprzez niepożądane perforacje w membranie oddzielającej sensor od otoczenia, przez którą dostaje się więcej tlenu – odpowiedzialnego za wyższe wyniki i szybsze zużywanie się.

Zmienny odczyt
Występuje, gdy prąd z sensora zaczyna zmieniać się zbyt gwałtownie, żeby otrzymać stabilny odczyt umożliwiający dokończenie nurkowania.

Doświadczenie pokazuje, że awarie typu 2 i 3 zdarzają się zdecydowanie rzadziej niż te typu 1-go, szczególnie w „dobrych seriach", gdzie można niemalże zagwarantować żywotność sensora na poziomie 24 miesięcy.

Połączenie kilku awarii

Po przedstawieniu najważniejszych typów awarii okazuje się, że przewidywalność życia sensora jest utrudniona i bardzo zależna od rodzaju aktualnie sprzedawanej serii produkcyjnej. Mogą to być awarie typu 1-go, typu 2-go lub jeśli mamy mniej szczęścia – typu 3-go...
Wszystko, co można zrobić przy obecnym stanie techniki to przypuszczanie jak zachowa się nowy sensor bazując na doświadczeniu uzyskanym z poprzednimi seriami. Nasze przewidywania zamieściliśmy na poniższym wykresie. 

Po lewej stronie widoczne jest wyższe prawdopodobieństwo awarii sensora tuż po rozpakowaniu (typ 2 awarii). Przesuwając się w prawo wykresu – bardziej prawdopodobne są awarie związane ze starzeniem się (typ 1).

Powyższą krzywą można przedstawić w jeszcze inny sposób – jako wartości skumulowane (dodane do siebie przypadki awarii). Poniższy wykres przedstawia ilość awarii sensorów przed osiągnięciem określonego wieku. Badanie bazuje na grupie 1000 sensorów.

Wykres ten będzie używany również w dalszej części opracowania do określenia żywotności teoretycznych sensorów na potrzeby symulacji komputerowej. Za każdym razem, kiedy w sensor jest wymieniany na nowy – komputer będzie wybierać losową liczbę z zakresu 1-1000 i używając wykresu przypisywać jej określony czas życia sensora.

Symulacja różnych scenariuszy wymiany sensorów

Skoro już wiadomo w jaki sposób sensory potrafią zawodzić - można pokusić się o znalezienie najbezpieczniejszej strategii ich używania, określającej kiedy należy je wymieniać, ilu na raz powinno się używać w rebriderze itp.
Zanim jednak przejdziemy do określania, która polityka wymiany jest najkorzystniejsza – należy sprecyzować jakie rezultaty będą zadowalające, a jakich scenariuszy chcemy za wszelką cenę uniknąć. Wszyscy zgadzają się z faktem, że sensor może odmówić współpracy podczas nurkowania – nie wydaje się to jednak zagrożeniem mając odpowiednią ilość dodatkowych, zainstalowanych i działających czujników.

Najgorszym scenariuszem jest awaria wszystkich posiadanych sensorów podczas nurkowania – zwłaszcza jeśli jej rodzaj we wszystkich przypadkach jest taki sam, co utrudnia jego rozpoznanie. Takiego scenariusza chcemy uniknąć za wszelką cenę.
Kolejny niepożądany scenariusz to awaria większości sensorów podczas tego samego nurkowania. Szczególnie w systemach sterowanych komputerowo kiedy automatyka przyjmuje większość błędnych odczytów za prawidłowe, a tylko kilka (mniejszość) sensorów pokazuje prawidłowe dane (tzw. „głosowanie" w rebriderach eCCR).

W ten sposób – awaria dwóch, z trzech posiadanych sensorów jest gorszym scenariuszem niż awaria 2 z 4 sensorów i jest na pewno mniej bezpieczna niż awaria 2 z 5 używanych (stosunek błędnych odczytów przy awarii 2 z 3 sensorów jest nawet bardziej niebezpieczny niż awaria 3 z 5ciu, chociaż jak okaże się później w artykule prawdopodobieństwo takiej awarii jest pomijalnie małe, podczas gdy scenariusz „2 z 3" jest całkiem możliwy...)

Jakie sposoby wymiany sensorów będziemy poddawać symulacji?

Polityka nr 1 (P1): szeroko stosowane posiadanie trzech sensorów i regularna wymiana co 12 miesięcy – rozpoczynanie każdego roku nurkowego z nowymi czujnikami. Tę samą politykę zastosujemy również do symulacji w systemach wyposażonych w cztery i pięć sztuk.
Należy pamiętać, że instalowanie trzech nowych sensorów na raz, odpowiada wykresowi typu 1,2 lub 3.Rozłożenie awarii w czasie jest zdecydowanie bardziej skumulowane w pewnych okresach – co odpowiada większemu prawdopodobieństwu ich wystąpienia w tym samym momencie.Ponadto, posiadanie sensorów z dokładnie tą samą historią nurkową, powoduje podwyższone ryzyko awarii całej puli w zbliżonym okresie czasu.

Polityka nr 2 (P2): całkowite przeciwieństwo powyższej (P1) - posiadanie 3,4 lub 5ciu sensorów i wymienianie tylko jednego sensora na raz, po wystąpieniu awarii.

Polityka nr 3 (P3): system, stosowany w rebriderach rEvo, czyli "rotacja sensorów". Kiedy najmłodszy z używanych czujników osiąga wiek 6 miesięcy, wymieniany jest najsłabszy z już używanych (ten, który reaguje najwolniej na zmiany PPO2 lub ten, który wydaje się być najbardziej zbliżony parametrami do „ograniczonego prądowo). W przypadku, gdy nie można znaleźć „najsłabszego" – wymieniany jest najstarszy sensor z puli. W sytuacji, gdy któryś z sensorów przestaje działać poprawnie zanim najmłodszy osiągnie wiek 6 miesięcy, zostaje wymieniony i automatycznie staje się „najmłodszym" w puli.

Możemy teraz poprosić naszą grupę nurków testerów o nurkowanie z sensorami, zgodnie z określonymi wcześniej założeniami każdej strategii. Żeby zebrać potrzebne dane potrzebowalibyśmy ... kilku milionów nurkowań i sporej populacji aktywnych nurków CCR. Posłużymy się zatem symulacją komputerową. W jaki sposób?

Dla każdego scenariusza i do każdej ilości sensorów pozwoliliśmy komputerowi wykonać 1 milion nurkowań.
Założyliśmy również, że wykonywane jest jedno nurkowanie na tydzień, każdego tygodnia roku. Zaczynamy ze wszystkimi sensorami nowymi i za każdym razem, kiedy wkładamy nowy sensor - niezależnie na początku nurkowania, z powodu awarii poprzednika lub z konieczności wymiany wynikającej z założeń scenariusza (starzenie się) komputer losowo wybiera czas życia sensora używając „krzywej kumulacyjnej" awarii sensorów. Dla Polityki nr 1 (P1) wybór dokonywany jest jednocześnie dla wszystkich trzech sensorów, dla pozostałych strategii (P2, P3) okres życia jest wybierany losowo dla każdego czujnika z osobna.

Jako wynik symulacji zapisujemy ilość awarii jednego lub większej ilości sensorów podczas nurkowania. Na koniec podamy również całkowitą liczbę sensorów zużytą na wykonanie 1 miliona nurkowań (co pozwoli na przeliczenie ilu sensorów potrzeba średnio w ciągu roku, stosując się do założeń danej strategii wymiany).

Pierwsza kolumna zawiera ilość niezależnych sensorów umieszczonych w rebriderze.
Druga kolumna zawiera całkowitą ilość sensorów potrzebnych do wykonania 1 miliona nurkowań, wg konkretnej strategii.

Kolejne kolumny pokazują, jak często w ciągu miliona wykonanych nurkowań zdarzyło się, że 1, 2 lub więcej sensorów zawiodło podczas tego samego nurkowania. Analizując tabelę, można zauważyć, że nigdy, w żadnym przypadku nie zawiodło 5 sensorów (wszystkie) podczas tego samego nurkowania.
Ostatnia kolumna pokazuje średnią ilość sensorów zużytych w przeliczeniu na rok nurkowania (jedno nurkowanie/tydzień). Oczywiste jest, że jeśli posiadamy 5 czujników w rebriderze i wymieniamy je co roku – ta ilość będzie największa w teście. Podobnie, jeśli posiadamy 3 sensory i wymieniamy je tylko w momencie awarii – ilość zużytych czujników będzie najmniejsza w przeliczeniu na rok nurkowania – ale jednocześnie najmniej bezpieczna. Przyglądając się tabeli, można wykryć pewne zależności;

A. Niezależnie od zastosowanej polityki, prawdopodobieństwo awarii wszystkich sensorów w tym samym momencie nurkowania jest bardzo małe, a stosując się do odpowiedniej strategii wymiany wręcz pomijalne (należy pamiętać, że powyższe nie ma zastosowania, gdy wykonujemy np. jedno nurkowanie na 3 miesiące, ponieważ wtedy akumulujemy potencjalne awarie w dłuższym okresie czasu, podnosząc ryzyko dla większej ilości czujników). Dla lepszego przybliżenia tej zależności przyjmijmy, że używając polityki nr 2 i nie nurkując przez kolejne 5 lat – oczywistym będzie, że na najbliższym nurkowaniu zawiodą wszystkie posiadane sensory. Zestawienie nie bierze również pod uwagę zdarzeń losowych – np. utraty wskazań ze wszystkich sensorów z powodu zalania rebridera, awarii elektroniki odczytującej itp.

B. Im więcej sensorów w puli, tym mniejsze prawdopodobieństwo, że „większość z nich" zawiedzie, niezależnie od stosowanej polityki wymiany. Jeśli zainstalowano 3 sensory, ryzyko, że dwa z nich zawiodą będzie wyższe, niż w przypadku awarii 3 spośród 4, lub 3 z 5 posiadanych czujników.

C. Dla tej samej ilości sensorów, im bardziej zróżnicujemy politykę ich wymiany, tym mniej czujników zostanie zużytych w skali roku.

D. Można znacznie obniżyć ryzyko awarii wybierając odpowiednią politykę wymiany sensorów oraz obniżyć ich zużycie w skali roku, posiadając jednocześnie więcej czujników podczas nurkowania. Używając polityki P1 (3 sensory) ryzyko, że zawiodą 2 z 3 posiadanych jest znacznie wyższe, niż w przypadku polityki P3, gdy 3 z 5 przestaną działać (dodatkowo zużywamy ich mniej w przeliczeniu na rok).

Ogólne zalecenia dotyczące użytkowania sensorów

Do tej chwili analizowano przypadki awarii sensorów, pomijając podłączoną do nich elektronikę. Oczywistym jest, że niezależnie od ilości używanych sensorów i zastosowanej polityki zarządzania, jeśli wszystkie pozostają podłączone do jednej elektroniki pomiarowej – w przypadku jej awarii narażamy się na ryzyko utraty wszystkich odczytów.

Zalecenie 1: O ile to możliwe, należy podłączyć sensory do oddzielnych systemów pomiarowych, tworząc redundancję i minimalizując ryzyko utraty wszystkich odczytów z powodu awarii elektroniki.

Zalecenie 2: Regularnie sprawdzać sensory pod kątem ograniczenia prądowego. Jest to łatwy do rozpoznania rodzaj awarii – warto ją wyeliminować zanim stanie się źródłem dalszych problemów. Nawet sensor, który wykazuje objawy ograniczenia prądu przy PPO2 rzędu 1.55bar, ciągle będzie działać poprawnie przy ciśnieniu 1.3bar – należy jednak wymienić go zanim ograniczenie prądowe się powiększy.

Zalecenie 3: Nawet jeśli sensor nie wykazuje objawów starzenia, ale czas jego używania na to wskazuje, zawsze lepiej zachować go jako „zapasowy" (drugi/kolejny) w systemie niż zamieniać na nowy (dlaczego wyrzucać działający sensor?). Tym samym – o ile to tylko możliwe - warto używać jak największej ilości działających sensorów w swojej puli. Pozwala to na rzeczywiste zastosowanie zasady redundancji w praktyce, co z kolei prowadzi do dokładniejszych zaleceń pod kątem różnych systemów rebriderowych.

Zalecenie 4: Systemy wyposażone w 3 sensory:
- elektroniczny/hybrydowy CCR – należy unikać wymieniania wszystkich sensorów w tym samym momencie, gdyż w ten sposób wzrasta ryzyko awarii 2 spośród 3 czujników. Jej prawdopodobieństwo rośnie do poziomu jak 1:2000, a w rzeczywistości jest nawet wyższe (wyjaśnienie w dalszej części art.), więc polityka P3 będzie zawsze mniej ryzykowna od P1.
Jeśli dodatkowo przyjąć, że sensor w rebriderze nigdy nie powinien być starszy niż 12 miesięcy - stosowanie tej strategii, powoduje konieczność wymiany, gdy pierwszy z nich osiągnie 4 miesiące. Daje to jednak tylko minimalnie większe bezpieczeństwo w przypadku awarii 2 z 3 posiadanych w puli, przy zdecydowanie większej konsumpcji w ciągu roku.
- mCCR – prawdopodobieństwo wykrycia awarii 2 z 3 sensorów jest wyższe niż w przypadku systemów eCCR. W tych modelach również nie ma wyraźnych przeciwwskazań do używania polityki P3.

Zalecenie 5: Systemy wyposażone w minimum 4 czujniki i przynajmniej dwa układy elektroniki
- niezależnie od konstrukcji systemu (mCCR czy e/hCCR) używanie 4 lub więcej czujników w połączeniu z polityką P3, zawsze będzie prowadziło do sytuacji, gdy przynajmniej 2 sensory będą działać poprawnie, w porównaniu do standardowej (P1 z 3 sensorami) z dodatkową przewagą w postaci zużywania mniejszej ilości czujników w ciągu roku. Nawet w przypadku zastosowania P3 w systemie wyposażonym w 5 sensorów, konsumpcja w przeliczeniu na rok będzie niższa niż w przypadku P1 i 3 sensorów oraz zawsze będziemy posiadać więcej działających czujników w tym samym momencie.

W przypadku używania 5 sensorów, można też zastosować politykę P2, wyrzucając tylko niesprawne (te, które przestały działać poprawnie - patrz tabela), ale ponieważ daje to jedynie marginalnie mniejsze zużycie sensorów kosztem bezpieczeństwa, nie ma realnych podstaw do odrzucania polityki P3.

Systemy posiadające 4 lub 5 czujników:
- mCCR – zaczynając od 3 sensorów i dwóch niezależnych systemów pomiarowych (elektronika) dodajemy po kolei następne, tak jak nakazuje polityka P3, aż do momentu wypełnienia wszystkich slotów w rebriderze. Następnie zaczynamy wymieniać czujniki zgodnie z polityką P3 – odrzucając najstarszy, chyba że podczas poprzedniego nurkowania wykryto wcześniej „słabszy, wolniej reagujący" sensor.
- e/h CCR – podobnie jak w mCCR, ale zaczynamy od 4 sensorów, ponieważ potrzeba minimum 3 czujników, żeby umożliwić głosowanie logice rebridera oraz przynajmniej jednego do odczytów dla niezależnej elektroniki (wyświetlacz/HUD). W celu uniknięcia ryzyka awarii na początku procesu „dodawania" sensorów (ponieważ często zaczynając od zera użytkownik nie ma innego wyjścia, niż zacząć ze wszystkimi sensorami pochodzącymi z tej samej partii produkcyjnej) można zacząć dodawać je po upływie kilku miesięcy, a następnie wymieniać zgodnie z zasadą „6 miesięcy".
Używanie 5 czujników ma dodatkową przewagę – w sytuacji awarii jednego z nich, cały czas posiadamy wystarczającą redundancję oraz ilość czasu na zakup kolejnego nowego sensora – bez konieczności trzymania go „w zapasie" (który również się starzeje). Używanie systemu wyposażonego tylko w 4 działające sensory zawsze będzie bezpieczniejsze niż scenariusz „3 sensory w połączeniu z polityką P1".

Zalecenie 6: Wiadomo, że sensory generują wyższy prąd (spalają więcej „paliwa"), gdy temperatura otoczenia jest wyższa. Jeżeli to możliwe rebrider należy przechowywać w chłodnym pomieszczeniu. Jednakże nie zalecamy wyjmowania sensorów po nurkowaniu i przechowywania ich w chłodzonym środowisku (lodówka) z powodu podwyższonego ryzyka mechanicznych uszkodzeń. Ponadto złączki (konektory) używane w rebriderze mają ograniczoną ilość bezawaryjnych „połączeń i rozłączeń", nie wspominając o żywotności przewodów elektrycznych, również wrażliwych na wyginanie.

Zalecenie 7: Przed instalacją nowego sensora, należy opisać go dokładną datą rozpoczęcia pracy – umożliwiając potem bezproblemowe zlokalizowanie najstarszego/najmłodszego w systemie. W naszych badaniach założyliśmy, że życie sensora rozpoczyna się w momencie otwarcia hermetycznego pojemnika w jakim został dostarczony przez producenta – pod warunkiem, że od daty produkcji nie minęło więcej niż 12 miesięcy.
Data produkcji może być oznaczana na czujnikach na kilka sposobów:
- 3 cyfry, oznaczające kolejno: ostatnią cyfrę roku produkcji, dwie kolejne oznaczają odpowiedni miesiąc tego roku (np. 805XXX : 5ty miesiąc 2008r, czyli maj 2008)
- litera i cyfra, gdzie literami oznaczane są miesiące, a cyframi lata produkcji (np. A8 – styczeń 2008)

Uwagi końcowe
Można polemizować na temat zbyt małego prawdopodobieństwa w części tabeli odpowiadającej za awarie w systemach wyposażonych w wiele czujników. To prawda – w rzeczywistości niektóre zdarzenia będą pojawiać się z większą częstotliwością. Nie są one jednak związane w ryzykiem awarii samego sensora – ale z innym zdarzeniem upośledzającym ich działanie lub działanie elektroniki odczytującej. Oczywiście takie zdarzenia powodują podobne reakcje wszystkich sensorów – jednak ryzyko wystąpienia takiej awarii jest wyższe w systemach wyposażonych w sensory posiadające dokładnie ten sam wiek i tą samą historię nurkowań.
Załóżmy sytuację kompletnego zalania rebridera i przeświadczenie o możliwości ponownego użycia sensorów po dokładnym opłukaniu – prawdopodobieństwo, że niektóre z nich będą bardziej podatne na awarie w ciągu następnych nurkowań jest zdecydowanie wyższe, niezależnie od przyjętej strategii (P1 - P2 - P3).
Podobnie w przypadku nie używania redundantnej elektroniki i systemów połączeń (kable), które również potrafią przyczynić się do błędnego odczytu kilku sensorów - niezależnie od stosowanej strategii. Niepoprawnie działająca elektronika potrafi zafałszować najlepiej obmyśloną politykę zarządzania sensorami i najlepiej skonstruowane czujniki – stąd argument za jej zdublowaniem.

Można również polemizować na temat poprawności z jaką wykreślono krzywą awarii sensorów używaną w obliczeniach, która może być uzależniona od określonej partii sensorów akurat dostępnej na rynku. Jest to jak najbardziej poprawny argument i z tego powodu do obliczeń użyto również krzywej reprezentującej lepsze (mniej awaryjne) serie produkcyjne. Wyniki tej symulacji prowadziły jednak do tych samych wniosków – im lepsze i bardziej wiarygodne wydają się kolejne serie produkowanych czujników (im bardziej prawdopodobna jest awaria sensora typu 1 – awaria z powodu wieku), tym większa przewaga polityki P3 w stosunku do P1.

Kolejny argument to nierealność przyjętych założeń – mało kto nurkuje i wymienia sensory zgodnie z jakąkolwiek polityką. Zdarzają się za to okresy, gdzie większość albo wszystkie sensory są instalowane jako zupełnie nowe, tak jak przy kupnie nowego rebridera. Uwzględniono jedną taką symulację po 5ciu latach, oraz kolejną po 8 latach. Ponownie, wnioski były mocno zbliżone do tych z rozdziału 7.

Dlaczego więc nie używać większej ilości sensorów? Sześć lub siedem czujników stanowiłoby jeszcze stabilniejszą platformę pomiarową. Nie ma takiej potrzeby – ponieważ można zastosować redundantne systemy pomiaru, prawdopodobieństwo jednoczesnej awarii więcej niż 2 czujników jest bardzo małe, podczas gdy ilość zużywanych sensorów w ciągu roku zaczyna przekraczać granice tolerancji. W większości przypadków, dodając kolejne czujniki co 6 miesięcy, najstarsze w puli ulegałyby awarii zanim wystąpiłby brak miejsca (któryś slot byłby wolny przez cały czas).

Na koniec – należy ponownie podkreślić, że czujniki konstruowane są do używania przy ciśnieniu otoczenia około 1ata, a nie pod kątem odporności na jego wielokrotne zmiany, które są częścią każdego nurkowania. Nie jest też znany dokładny wpływ tych zmian na precyzję pomiaru – można jedynie przypuszczać, że wielokrotna „kompresja" i „dekompresja" mogą wywoływać wewnętrzne uszkodzenia, skracające żywotność ogniwa. Jest to kolejny powód, aby w swoim rebriderze posiadać jak najwięcej sensorów z jak najbardziej zróżnicowaną przeszłością nurkową.