Wie Sie mit Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren die Luftfeuchtigkeit bei hohen Temperaturen messen können

HINTERGRUND PHYSIK

1.1 Partialdruck

1.1.1 Definition

Der Partialdruck ist definiert als der Druck einer einzelnen Gaskomponente in einem Gasgemisch. Er entspricht dem Gesamtdruck, den die einzelne Gaskomponente ausüben würde, wenn sie allein das gesamte Volumen einnehmen würde.

1.1.2 Daltons Gesetz

Der Gesamtdruck (P_total) eines Gemischs idealer Gase entspricht der Summe der Partialdrücke (P_i) der einzelnen Gase in diesem Gemisch.

Aus Gleichung 1 lässt sich ableiten, dass das Verhältnis der Anzahl der Teilchen (n_i) einer einzelnen Gaskomponente zur Gesamtzahl der Teilchen (n_total

Beispiel 1:

Der atmosphärische Druck auf Meereshöhe (unter Standard-Atmosphärenbedingungen) beträgt 1013,25 mbar. Die Hauptbestandteile Luft sind Stickstoff (78,08 Vol.-%), Sauerstoff (20,95 Vol.-%), Argon (0,93 Vol.-%) und Kohlendioxid (0,04 Vol.-%). Der Volumenanteil (%) kann mit der Anzahl der Teilchen (n) gleichgesetzt werden, da die oben genannten Gase als ideale Gase angenähert werden können.

Gleichung 2 kann nach dem Partialdruck eines einzelnen Gases (i) aufgelöst werden, um Folgendes zu erhalten:

Dieser Wert ist natürlich nur bei trockener Atmosphäre (0 % Luftfeuchtigkeit) relevant. Bei Feuchtigkeit wird ein Teil des Gesamtdrucks durch den Wasserdampfdruck verursacht. Daher kann der Sauerstoffpartialdruck (ppO2) genauer berechnet werden, wenn neben dem barometrischen Gesamtdruck auch die relative Luftfeuchtigkeit und die Umgebungstemperatur gemessen werden.

Zunächst wird der Wasserdampfdruck berechnet:

Bei bekannter Gastemperatur kann der maximale Wasserdampfdruck (WDD_max) aus der Nachschlagetabelle in ANHANG A ermittelt werden. Der maximale Wasserdampfdruck wird auch als Taupunkt bezeichnet. Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen und hat daher einen höheren (WDD_max) als kalte Luft.

Der Sauerstoffpartialdruck entspricht dann:

Beispiel 2 unten beschreibt die Auswirkung von Feuchtigkeit, die den Sauerstoffpartialdruck und damit den Volumengehalt von Sauerstoff verringert.

Beispiel 2:

An einem typischen Tag werden die folgenden Informationen von einer kalibrierten Wetterstation aufgezeichnet:

Unter Verwendung der Nachschlagetabelle in ANHANG A ergibt sich WVP_max = 26,43 mbar.

Der Sauerstoffpartialdruck entspricht dann:

Luftfeuchtigkeitsmessung

Wir haben gesehen, dass die PST-Sauerstoffsensoren eine Komponente, ppO2, eines Gasgemischs messen. Wenn wir auch P_total kennen, können wir den prozentualen Sauerstoffanteil im Gemisch berechnen. Wenn wir bei einer bekannten Gasmischung, wie z. B. Luft, eine Verringerung der Sauerstoffkonzentration feststellen, kann dies nur daran liegen, dass ein anderes Gas hinzugefügt wurde und die in der Luft enthaltenen Gase verdünnt hat.

Auf diese Weise kann die Feuchtigkeit des Gases abgeleitet werden und wir können den Sauerstoffsensor als Feuchtigkeitssensor verwenden. Der Vorteil der Verwendung von PST-Sauerstoffsensoren zur Messung der Die Sauerstoffsensoren von PST können bei Gastemperaturen von bis zu 400 °C eingesetzt werden.

Durch Umstellen der obigen Gleichungen können wir zeigen, dass:

Solange wir wissen, dass es sich bei dem fraglichen Gas um Luft handelt und dass nur Wasser hinzugefügt wurde, ist Gleichung 7 gültig. Daher kann diese Methode zur Messung der Luftfeuchtigkeit in Anwendungen wie Dampfgaren, Backen und Trocknen verwendet werden.

Diese Methode zur Messung der Luftfeuchtigkeit ist einfach, da das Gasgemisch, das wir „Luft“ nennen, überall auf der Welt reichlich vorhanden, allgegenwärtig und gleichbleibend ist.

Die Nachschlagetabelle in ANHANG A ist auf Temperaturen bis 130 °C begrenzt. Für Berechnungen über diesem Wert sollten andere Tabellen oder Gleichungen verwendet werden.

Messung der Feuchtigkeit in anderen Gasen

Wenn das Gas nicht Luft ist, wird die Berechnung der Feuchtigkeit aus Sauerstoff komplexer. Die Verringerung des Sauerstoffdrucks deutet darauf hin, dass sich die Gasbestandteile verändert haben, aber wir wissen möglicherweise nicht, warum oder wie. Nehmen wir zum Beispiel den Verbrennungsprozess. Anstatt einer einfachen und proportionalen Verdünnung von Luft (O2, N2, CO2, Ar usw.) durch die Einführung von H2O wird H2O in einem Verbrennungsprozess zusammen mit CO2 erzeugt, während O2 und die verbrannten Kohlenwasserstoffe (CxHy) reduziert werden.

Nur mit einer Messung der anderen Restgase, einschließlich O2, kann die Feuchtigkeit berechnet werden.

ANHANG A - WASSERDAMPFDRUCK-LOOKUP-TABELLE

Nachschlagetabelle für den maximalen Wasserdampfdruck.

ANHANG B – BESONDERE HINWEISE UND ANWENDUNGSHINWEISE

Um die beste Leistung Ihrer Geräte zu gewährleisten, ist es wichtig, dass der angeschlossene Sauerstoffsensor korrekt installiert und gewartet wird.

Dokument Die Betriebs- und Kompatibilitätsanleitung für Zirkonoxid-Sensoren enthält einige wichtige Tipps zum Betrieb des Sensors sowie eine vollständige Liste der Gase und Materialien, die UNBEDINGT vermieden werden müssen, um eine lange Lebensdauer des Sensors zu gewährleisten. Oder vereinbaren Sie einen Rückruftermin mit unseren technischen Experten unter oxygen@processsensing.com.