Wir werden häufig gefragt, warum wir O₂ als Kalibriergas für Sauerstoffsensoren in Kreislauftauchgeräten verwenden. Taucher, die mit Kreislauftauchgeräten arbeiten, haben oft mehrere Gase zur Verfügung, die theoretisch alle zur Kalibrierung der O₂-Sensoren im Kreislauftauchgerät verwendet werden könnten. Die einfache Antwort lautet: Reines O₂ ist das beste Gas für die Kalibrierung, und Shearwater-Tauchcomputer sind genau darauf ausgelegt. Warum O₂ das beste Gas ist, erklären wir Ihnen im Folgenden genauer.
Die Verwendung von Nitrox oder anderen Gasgemischen ist für die O₂-Kalibrierung ungeeignet, da die tatsächliche O₂-Konzentration möglicherweise nicht genau genug bekannt ist. Wird das Gasgemisch mit einem Gasanalysegerät geprüft, wird dieses üblicherweise mit Luft kalibriert; die Kalibrierkette verläuft somit über Luft → Analysegerät → Gasgemisch → CCR-O₂-Sensor. Jeder Kalibrierungsschritt ist mit Fehlern behaftet, daher ist ersichtlich, warum Gasgemische für die Kalibrierung von CCR-O₂-Sensoren ungeeignet sind. Reiner Sauerstoff kann direkt als Kalibrierquelle verwendet werden, ohne dass zusätzliche, fehleranfällige Schritte erforderlich sind.
Einige Kreislauftauchgeräte ermöglichen die Kalibrierung von Sauerstoffsensoren mit Luft. Dies ist sogar erforderlich bei halbgeschlossenen Kreislauftauchgeräten ohne reine Sauerstoffquelle. Shearwater-Computer unterstützen die Verwendung von Luft als Kalibrierungsquelle, jedoch nur im halbgeschlossenen Modus.
Shearwater-Computer verwenden O2 als Kalibrierungsquelle für den CCR-Sauerstoffsensor aus folgenden Gründen:
- Eine Kalibrierung in Luft mit 21 % Sauerstoffpartialdruck (PPO2 von 0,21) weicht deutlich vom normalen Sollwert des Atemregelkreises von 1,3 PPO2 ab. Die Kalibrierung in nahezu reinem Sauerstoff (PPO2 0,98) bietet den Vorteil, dass sie viel näher am typischen Betriebsbereich liegt und weniger stark von der strikten Linearität des Sauerstoffsensors abhängt.
- Die Kalibrierung in Luft mit 21 % O₂ liefert ein elektrisches Signal des O₂-Sensors von etwa 10 Millivolt (mV), verglichen mit einem Signal von 47 mV in reinem O₂. Das niedrigere Signal ist deutlich anfälliger für analoges Rauschen und Offsetspannungen in den Verstärkerschaltungen. Daher ist es vorteilhaft, mit dem größeren Signal von reinem O₂ zu kalibrieren.
- Der Prozess der Analog-Digital-Wandlung in der Elektronik des Kreislaufatemgeräts hat eine begrenzte Auflösung, und diese Quantisierungsfehler sind in Luft fast 5-mal so bedeutend wie in reinem O2.
- In Fällen, in denen die O₂-Kalibrierquelle keine exakt bekannte O₂-Konzentration aufweist, entspricht ein Fehler von 2 % im O₂-Gehalt bei etwa 98 % nominal einem Konzentrationsfehler von lediglich 0,4 % bei 21 %. Anders ausgedrückt: Die Empfindlichkeit gegenüber absoluten Fehlern in der O₂-Konzentration ist bei einer (nahezu) reinen O₂-Quelle geringer als bei Luft.
Es ist sinnvoll, die oben erwähnte Linearität von O₂-Sensoren genauer zu erläutern. O₂-Sensoren verhalten sich nur bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen linear und werden bei hohen Konzentrationen nichtlinear. Der nutzbare lineare Bereich eines O₂-Sensors nimmt mit der Zeit ab. Sobald dieser lineare Bereich unter einen PPO₂-Wert von 1,6 sinkt, ist der Sensor nicht mehr sicher für den Einsatz in einem Kreislauftauchgerät geeignet. Obwohl ein Linearitätstest bis zu einem PPO₂-Wert von 1,6 bei der Kalibrierung an der Oberfläche nicht ohne Weiteres durchführbar ist, empfiehlt sich die Überprüfung der Linearität von einer Kalibrierung mit reinem O₂ zu Luft (der Messwert in Luft sollte 0,21 betragen). Eine zusätzliche Linearitätsprüfung von O₂-Sensoren bei einem PPO₂-Wert von 1,6 unter Wasser ist ebenfalls unerlässlich, geht jedoch über den Rahmen dieser Diskussion hinaus.
Wir möchten außerdem darauf hinweisen, dass wir für die Kalibrierung einer O₂-Quelle mit einem erwarteten Reinheitsgrad von 99,9 % einen PPO₂-Faktor von 0,98 verwenden, um die Restfeuchte im CCR-Kreislauf zu berücksichtigen. Diese Restfeuchte entsteht dadurch, dass der Taucher vor der Kalibrierung zur Überprüfung des Kreislaufs hineinatmet, und reduziert den gemessenen PPO₂-Wert.
Wir hoffen, dass diese Erklärung dazu beigetragen hat, die meisten Fragen bezüglich der Verwendung von reinem Sauerstoff als O2-Sensorkalibrierungsquelle zu klären.
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Verfasst von Mitch Burton
Ich bin Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei Shearwater Research und arbeite an Elektronik und Software für Tauchcomputer und Kreislauftauchsysteme. Ich bin seit über 24 Jahren begeisterter Taucher und seit 2014 auch Kreislauftaucher.
