sensor de oxígeno electrogalvánico

El contenido de oxígeno de una mezcla de gases almacenada puede analizarse haciendo pasar un pequeño flujo de gas sobre una celda calibrada recientemente durante el tiempo suficiente para que la señal de salida se estabilice. Esta señal estable representa la fracción de oxígeno en la mezcla. Es importante asegurarse de que el flujo de gas no se diluya con el aire ambiente, ya que esto afectaría la lectura.

La presión parcial de oxígeno en los gases anestésicos se monitoriza colocando la célula en el flujo de gas, que se encuentra a la presión atmosférica local, y se puede calibrar para indicar directamente la fracción de oxígeno en la mezcla.

La presión parcial de oxígeno en las cámaras de buceo y en las mezclas de gases respiratorios suministradas desde la superficie también puede monitorizarse mediante estas celdas. Esto puede hacerse colocando la celda directamente en el entorno hiperbárico, conectada mediante cables a través del casco al monitor, o indirectamente, extrayendo gas del entorno hiperbárico o del suministro de gas del buceador y analizándolo a presión atmosférica, para luego calcular la presión parcial en el entorno hiperbárico. Esto se requiere con frecuencia en el buceo de saturación y en el buceo comercial con suministro de gases mixtos desde la superficie. ^{[ 5 ] [ 2 ]}

La mezcla de gases respiratorios en un circuito de rebreather de buceo se mide normalmente mediante celdas de oxígeno. El buceador o un sistema de control electrónico utiliza la salida de estas celdas para regular la adición de oxígeno y aumentar la presión parcial cuando esta se encuentra por debajo del punto de ajuste inferior seleccionado, o para purgar con gas diluyente cuando está por encima del punto de ajuste superior. Cuando la presión parcial se encuentra entre los puntos de ajuste superior e inferior, es adecuada para respirar a esa profundidad y se mantiene así hasta que cambie como resultado del consumo del buceador o de un cambio en la presión ambiental debido a un cambio de profundidad.

La precisión y fiabilidad de la medición son importantes en esta aplicación por dos razones básicas. En primer lugar, si el contenido de oxígeno es demasiado bajo, el buceador perderá el conocimiento debido a la hipoxia y probablemente morirá, ^{[ 6 ]} o si el contenido de oxígeno es demasiado alto, el riesgo de toxicidad por oxígeno del sistema nervioso central que causa convulsiones y pérdida del conocimiento, con un alto riesgo de ahogamiento, se vuelve inaceptable. ^{[ 6 ]} En segundo lugar, las obligaciones de descompresión no se pueden calcular con precisión ni fiabilidad si no se conoce la composición del gas respiratorio. ^{[ 6 ]} La calibración previa a la inmersión de las celdas solo puede comprobar la respuesta a presiones parciales de hasta el 100 % a presión atmosférica, o 1 bar. Como los puntos de ajuste suelen estar en el rango de 1,2 a 1,6 bar, ^{[ 6 ]} se requeriría un equipo de calibración hiperbárica especial para probar de forma fiable la respuesta en los puntos de ajuste. Este equipo está disponible, pero es caro y no se usa comúnmente, y requiere que las celdas se extraigan del rebreather y se instalen en la unidad de prueba. Para compensar la posibilidad de que falle una celda durante una inmersión, generalmente se instalan tres celdas, partiendo del principio de que lo más probable es que falle una a la vez, y que si dos celdas indican la misma P _{O 2} , es más probable que sean correctas que la celda individual con una lectura diferente. La lógica de votación permite que el sistema de control gestione el circuito durante el resto de la inmersión según las dos celdas que se consideran correctas. Esto no es del todo fiable, ya que es posible que fallen dos celdas en la misma inmersión. ^{[ 6 ]}

Los sensores deben colocarse en el rebreather donde no se produzca un gradiente de temperatura entre el gas y la electrónica en la parte posterior de las celdas. ^{[ 1 ]}

Cuando es nuevo, un sensor puede producir una salida lineal para presiones parciales de oxígeno superiores a 4 bar, y a medida que el ánodo se consume, el rango de salida lineal disminuye, llegando finalmente a estar por debajo del rango de presiones parciales que se pueden esperar en servicio, momento en el que ya no es apto para controlar el sistema. La corriente de salida máxima finalmente cae por debajo de la cantidad necesaria para indicar el rango completo de presiones parciales esperadas en el funcionamiento. Este estado se denomina limitación de corriente . Las celdas con limitación de corriente no proporcionan una salida suficientemente alta en altas concentraciones de oxígeno. ^{[ 1 ] [ 7 ]} El circuito de control del rebreather responde como si hubiera oxígeno insuficiente en el bucle e inyecta más oxígeno en un intento de alcanzar un punto de ajuste que la celda nunca puede indicar, lo que resulta en hiperoxia . Cuando un sensor con limitación de corriente ya no puede activar de forma fiable el sistema de control en el punto de ajuste superior en un sistema de soporte vital, existe un grave riesgo de que se produzca una presión parcial de oxígeno excesiva que no se detectará, lo que puede ser mortal. ^{[ 1 ] [ 10 ]}

Otros modos de falla incluyen daños mecánicos, como conductores rotos, contactos corroídos y pérdida de electrolito debido a membranas dañadas. ^{[ 1 ] [ 7 ]}

Un fallo por alta presión —que produce una salida que indica una presión parcial mayor que la real— es invariablemente resultado de un fallo de fabricación o un daño mecánico. En los rebreathers, un fallo por alta presión hará que el rebreather asuma que hay más oxígeno en el circuito del que realmente hay, lo que puede provocar hipoxia . ^{[ 7 ]}

Las celdas no lineales no funcionan como se espera en el rango requerido de presiones parciales de oxígeno. La calibración de dos puntos con diluyente y oxígeno a presión atmosférica no detectará este fallo, lo que resulta en un contenido inexacto del circuito de un rebreather. Esto conlleva el riesgo de enfermedad por descompresión si el circuito se mantiene a una presión parcial inferior a la indicada por la salida de la celda, o hiperoxia si se mantiene a una presión parcial superior. ^{[ 7 ]}

Prevenir accidentes en rebreathers por fallas de celdas es posible en la mayoría de los casos probando con precisión las celdas antes de su uso. ^{[ 7 ]} Algunos buceadores realizan comprobaciones en el agua empujando el contenido de oxígeno en el circuito a una presión superior a la del oxígeno puro a nivel del mar para indicar si la celda es capaz de altas salidas. ^{[ 11 ]} Esta prueba es solo una verificación puntual y no evalúa con precisión la calidad de esa celda ni predice su falla. ^{[ 11 ]} La única forma de probar con precisión una celda es con una cámara de prueba que pueda mantener una presión estática calibrada por encima del punto de ajuste superior sin desviación y la capacidad de registrar el voltaje de salida en todo el rango de presiones parciales de trabajo y graficarlas.

Si se utiliza más de una celda estadísticamente independiente, es improbable que falle más de una a la vez. Si se supone que solo fallará una celda, entonces comparar tres o más salidas que se han calibrado en dos puntos probablemente detectará la celda que ha fallado, asumiendo que cualquier par de celdas que produzcan la misma salida son correctas y la que produce una salida diferente es defectuosa. Esta suposición suele ser correcta en la práctica, particularmente si hay alguna diferencia en el historial de las celdas involucradas. ^{[ 12 ] [ 7 ]} El concepto de comparar la salida de tres celdas en el mismo punto del bucle y controlar la mezcla de gases basándose en la salida promedio de las dos con la salida más similar en un momento dado se conoce como lógica de votación, y es más fiable que el control basado en una sola celda. Si la salida de la tercera celda se desvía lo suficiente de las otras dos, una alarma indica una probable falla de la celda. Si esto ocurre antes de la inmersión, el rebreather se considera inseguro y no debe usarse. Si ocurre durante una inmersión, indica un sistema de control poco fiable y la inmersión debe abortarse. Continuar una inmersión con un rebreather y una alarma de celda defectuosa aumenta significativamente el riesgo de una falla fatal en el control del circuito. Este sistema no es totalmente fiable. Se ha reportado al menos un caso en el que dos celdas fallaron de forma similar y el sistema de control descartó la celda restante que funcionaba correctamente. ^{[ 6 ] [ 10 ]}

Si la probabilidad de fallo de cada celda fuera estadísticamente independiente de las demás, y cada celda por sí sola fuera suficiente para permitir el funcionamiento seguro del respirador, el uso de tres celdas totalmente redundantes en paralelo reduciría el riesgo de fallo en cinco o seis órdenes de magnitud. ^{[ 6 ]}

La lógica de votación cambia esto considerablemente. La mayoría de las celdas no deben fallar para el funcionamiento seguro de la unidad. Para determinar si una celda funciona correctamente, debe compararse con una salida esperada. Esto se hace comparándola con las salidas de otras celdas. En el caso de dos celdas, si las salidas difieren, entonces al menos una debe estar defectuosa, pero se desconoce cuál. En tal caso, el buzo debe asumir que la unidad no es segura y abandonar el vuelo a circuito abierto. Con tres celdas, si todas difieren dentro de una tolerancia aceptada, se puede considerar que todas funcionan. Si dos difieren dentro de la tolerancia y la tercera no, las dos dentro de la tolerancia se pueden considerar funcionales y la tercera defectuosa. Si ninguna está dentro de la tolerancia de las demás, todas pueden estar defectuosas, y si una no lo está, no hay forma de identificarla. ^{[ 6 ]}

Siguiendo esta lógica, la mejora en la fiabilidad obtenida mediante el uso de la lógica de votación, donde al menos dos sensores deben funcionar para que el sistema opere, se reduce considerablemente en comparación con la versión totalmente redundante. Las mejoras son solo del orden de uno o dos órdenes de magnitud. Esto representaría una gran mejora con respecto al sensor único, pero el análisis anterior ha supuesto la independencia estadística de la falla de los sensores, lo cual generalmente no es realista. ^{[ 6 ]}

Los factores que hacen que las salidas de las células en un rebreather dependan estadísticamente incluyen: ^{[ 6 ] [ 7 ]}

• Gas de calibración común: todos se calibran juntos en la comprobación previa a la inmersión utilizando el mismo diluyente y suministro de oxígeno.
• Los sensores suelen pertenecer al mismo lote de fabricación; es probable que los componentes, los materiales y los procesos sean muy similares.
• Los sensores suelen instalarse juntos y, por lo tanto, han estado expuestos al mismo perfil de temperatura y P _{O 2 durante el tiempo subsiguiente.}
• Entorno de trabajo común, en particular en lo que respecta a la temperatura y la humedad relativa, ya que suelen estar montados muy cerca unos de otros en el circuito, para garantizar que midan gases similares.
• Sistemas de medición comunes
• Firmware común para el procesamiento de señales

Esta dependencia estadística puede minimizarse y mitigarse mediante: ^{[ 6 ] [ 7 ]}

• Utilizar sensores de diferentes fabricantes o lotes, de modo que no haya dos del mismo lote.
• Los sensores se cambian en momentos diferentes, por lo que cada uno tiene una historia diferente.
• Asegurarse de que los gases de calibración sean correctos.
• Agregar un sistema de medición de P _{O 2} estadísticamente independiente al circuito en un lugar diferente, utilizando un modelo de sensor diferente y empleando diferentes componentes electrónicos y software para procesar la señal.
• Calibrar este sensor utilizando una fuente de gas diferente a la de los demás.

Un método alternativo para proporcionar redundancia en el sistema de control consiste en recalibrar los sensores periódicamente durante la inmersión, exponiéndolos a un flujo de diluyente, oxígeno o ambos en diferentes momentos, y utilizando la salida para comprobar si la celda reacciona adecuadamente al gas conocido a la profundidad conocida. Este método tiene la ventaja adicional de permitir la calibración a presiones parciales de oxígeno superiores a 1 bar. ^{[ 6 ]} Este procedimiento puede realizarse automáticamente, si el sistema está diseñado para ello, o el buceador puede realizar manualmente un lavado con diluyente a cualquier profundidad en la que este sea respirable para comparar las lecturas de P _{O 2} de la celda con una F _{O 2} y presión absoluta conocidas y así verificar los valores mostrados. Esta prueba no solo valida la celda. Si el sensor no muestra el valor esperado, es posible que el sensor de oxígeno, el sensor de presión (profundidad), la mezcla de gases F _{O 2} , o cualquier combinación de estos, estén defectuosos. Dado que cualquiera de estas tres posibles fallas podría ser mortal, la prueba es muy eficaz. ^{[ 6 ]}