Rebreather: quando e perché si potrebbe guastare il sensore O²

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ARGOMENTO: SUBACQUEA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: Rebreather, sensori O_²
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Nell’articolo precedente abbiamo parlato come si verifica il livello di Ossigeno nei rebreather. Per la stesura di questi articoli ci siamo avvalsi di un articolo di Dan E. Warkander, MSEE, Ph.D, che abbiamo tradotto e sintetizzato nelle sue parti più significative.  Affrontiamo ora un argomento delicato: esistono situazioni in cui i sensori pO_² possono smettere di funzionare correttamente?

Vediamo come e perché può succedere
Tra tutti i sensori quelli di tipo galvanico (cella a combustibile) hanno una durata limitata. Possono durare da pochi mesi a un paio di anni. Sulla base di test empirici (3), possono guastarsi con diverse modalità: dal guasto totale (nessun segnale trasmesso) alla, forse più insidiosa, variazione graduale della tensione fino all’impossibilità di generare la lettura corretta ad un’elevata pO_². La prima modalità è facile da rilevare, le altre due sono più difficili da comprendere per un subacqueo che potrebbe leggere la tensione prevista per il 100% di O_² ad 1 atmosfera ma non essere in grado di generare una variazione corretta (lineare) a 1,3 o 1,5 bar. 

Mancanza di linearità
L’effetto dell’incapacità di un sensore di produrre la tensione corretta con un’elevata pO₂ è illustrato nella Figura 4. La linea diritta e interrotta rappresenta ciò che un sensore dovrebbe produrre. La linea rossa mostra l’output di un sensore che presenta un problema di non linearità.

Questo sensore si calibrerebbe perfettamente ad 1 bar e consentirebbe il controllo della pO₂ fino a circa 1,3 bar. Tuttavia, con l’aumentare della pO_², la tensione potrebbe non essere lineare con valori minori. Questo è rappresentato nel grafico dallo scostamento della linea rossa da quella bianca. Ad una pO_² di 1,5 bar la tensione appare più bassa di 2,4 mV (equivalente a 0,045 bar). Come accennato in precedenza, il rebreather a questo punto sarebbe ingannato ed aggiungerebbe più O_² fino a leggere la tensione per cui è impostato (se il set point fosse così alto).

In altre parole, la pO_² effettiva sarebbe 1,545 bar, mentre il display indicherebbe 1,5 bar. Se questo sensore si trovasse in un rebreather che rileva un superamento di 2 bar, il display della pO₂ dovrebbe leggere solo 1,7 bar. Un sensore non lineare avrebbe quindi una pO_² effettiva superiore a quella mostrata dal display della pO_². Questo è stato verificato su di un tipo di sensore O_² (approvato dalla US Navy) (3).

Decompressione
Le figure 1 e 2 del rapporto (3) mostrano gli effetti della decompressione. Alcuni sensori hanno mostrato valori che cambiano rapidamente verso la fine della decompressione o un salto improvviso nel segnale di uscita. In pratica leggono i valori normali per un certo periodo ma, dopo alcuni minuti o ore, ma in seguito si guastano.

Temperatura
La temperatura letta dal sensore può influenzare la lettura perché la compensazione della temperatura potrebbe non essere perfetta. La Figura 4, vedi rapporto (3), mostra gli effetti della temperatura per questo particolare modello di sensore. Purtroppo non è una regola fissa: alcuni sensori aumentano il segnale mentre altri lo diminuiscono al variare della temperatura. Diversi sensori combinati riducono l’influenza della temperatura sull’uscita.

Sulla base delle misurazioni effettive, la temperatura del gas che esce dallo scrubber di CO_² sarà la temperatura dell’assorbente fino a circa 10-40 minuti dall’inizio dell’immersione. A quel punto la temperatura del gas inizia a salire. Il tempo effettivo è variabile e dipende dal lavoro del subacqueo e dalle dimensioni dello scrubber. Lo scrubber di solito aumenta la temperatura del gas da 30 a 40 °C.

Secondo l’autore, a seconda della temperatura dell’acqua, la temperatura del gas in uscita dallo scrubber varierà da quasi 0 °C fino a 50 °C (in certi casi anche 60 °C). La temperatura del gas ai sensori di O_² dipende da quanto sono lontani dallo scrubber, dalla temperatura dell’acqua e dalla durata dell’immersione. Dovrebbe essere quindi evidente che la sensibilità alla temperatura di un sensore O_² può essere critica. Purtroppo non tutti i produttori di sensori forniscono specifiche per l’intervallo di temperature per cui sono progettati e quanto potrebbero essere influenzati dal cambiare della temperatura. Alcuni dichiarano semplicemente che il valore della temperatura viene “compensato” o non forniscono alcuna specifica.

Un errore graduale in un sensore (dovuto alle variazioni di temperatura attorno al sensore) durante un’immersione è illustrato nella Figura 5.

In questo esempio si presume che il rebreather abbia tre sensori e che possa identificare e rimuovere un sensore esterno dalla sua logica di controllo. Inoltre, si presume che il segnale di uscita per uno (mostrato come una linea bianca) aumenti con la temperatura e che gli altri due non siano influenzati. All’inizio, tutti e tre i sensori si seguono bene l’un l’altro.

Nel punto A il gas caldo dello scrubber raggiunge i sensori e le loro temperature iniziano a salire. La temperatura sale fino al punto B. Le letture del bianco aumentano e poi si stabilizzano. Le sue letture cambiano allo stesso modo delle altre due, ma rimangono più alte. Dopo un’immersione e quando i sensori si saranno raffreddati, leggeranno tutti allo stesso modo. Un modo per rilevare tali sensori è monitorare le letture di pO_² dai sensori durante l’immersione e/o successivamente se il rebreather può registrare le letture.

Altri effetti
Se i sensori di O_² sono posizionati in modo tale che ciascuna superficie di rilevamento sia esposta al gas caldo che lascia lo scrubber (con il lato opposto del sensore essenzialmente alla temperatura dell’acqua) la differenza di temperatura tra ciascun sensore può arrivare fino a 40 °C. Sarebbe opportuno che il sensore di temperatura all’interno del sensore O_² sia posizionato in una posizione per operare alla stessa temperatura.

In sintesi, in tutti i rebreather, tranne i rebreather a 100% O_², la pO_² erogata nel gas deve essere misurata con accuratezza per verificare che rimanga entro i livelli desiderati. Errori di progettazione possono essere critici per cui è opportuno effettuare dei test a diverse profondità, a diverse temperature dell’acqua e diversi carichi di lavoro subacquei.

articolo estratto dall’originale scritto da Dan Warkander.
Dan Warkander è un ingegnere e fisiologo che ha lavorato con i subacquei e le loro attrezzature per la respirazione per oltre 30 anni per immersioni con aria a 57 msw, immersioni Heliox a 450 msw e immersioni con idrogeno-ossigeno (hydrox) a 120 msw. Ha condotto oltre 1.000 immersioni sperimentali. 

Un particolare ringraziamento a Trisha Stovel – Customer Support Rep. Shearwater Research Inc.
www.shearwater.com
100 – 10200 Shellbridge Way, Richmond, BC V6X 2W7
P: 604-669-9958 | F: 604-681-4982

Bibliografia

1: “Equipaggiamento respiratorio – Apparato autonomo per l’immersione con rebreather”, Bruxelles (Belgio): Comitato europeo di normalizzazione; 2013, EN14143:2013 (E).

2: Requisiti minimi di produzione e prestazione della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOOA) per rebreather a gas misto a circuito chiuso, 2005. da http://www.omao.noaa.gov/sites/default/files/documents il 10 gennaio 2017 (file NOAA_CCR_Standards_Final_2005. PDF).

3: Warkander D.E. Test e valutazione senza equipaggio del sensore di ossigeno R-10DN di Teledyne Analytical Instruments per l’uso nell’autorespiratore subacqueo MK 16 Mod 1. U.S. Navy Experimental Diving Unit, Technical Report TR 03-08, 2003. da www.rubicon-foundation.org il 28 novembre 2016 (file ADA448759.pdf).

4. https://www.shearwater.com/monthly-blog-posts/o2-levels-in-a-divers-rebreather/

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