Cómo medir la humedad a alta temperatura con sensores de oxígeno de dióxido de circonio

FÍSICA DE FONDO

1.1 Presión parcial

1.1.1 Definición

La presión parcial se define como la presión de un solo componente gaseoso en una mezcla de gases. Corresponde a la presión total que ejercería el componente gaseoso individual si ocupara por sí solo todo el volumen.

La presión parcial es la presión que ejerce un gas en una mezcla de gases.

1.1.2 La ley de Dalton

La presión total (P_total) de una mezcla de gases ideales es igual a la suma de las presiones parciales (P_i) de los gases individuales de dicha mezcla.

A partir de la Ecuación 1 se puede deducir que la relación entre el número de partículas (n_i) de un componente gaseoso individual y el número total de partículas (n_total) de la mezcla gaseosa es igual a la relación entre la presión parcial (Pi) del componente gaseoso individual y la presión total (P_total) de la mezcla gaseosa.

.

Ejemplo 1:

La presión atmosférica a nivel del mar (en condiciones atmosféricas estándar) es de 1013,25mbar. Aquí, los principales componentes del aire seco son nitrógeno (78,08% Vol.), oxígeno (20,95% Vol.), argón (0,93% Vol.) y dióxido de carbono (0,04% Vol.). El contenido volumétrico (%) puede equipararse al número de partículas (n), ya que los gases mencionados pueden aproximarse como gases ideales.

El contenido volumétrico (%) puede equipararse al número de partículas (n), ya que los gases mencionados pueden aproximarse como gases ideales.

La ecuación 2 se puede resolver para la presión parcial de un gas individual (i) para obtener:

Por supuesto, este valor sólo es relevante cuando la atmósfera está seca (0% de humedad). Si hay humedad, una parte de la presión total es absorbida por la presión del vapor de agua. Por lo tanto, la presión parcial de oxígeno (ppO2) puede calcularse con mayor precisión cuando se miden la humedad relativa y la temperatura ambiente junto con la presión barométrica total.

La presión parcial de oxígeno (ppO2) puede calcularse con mayor precisión cuando se miden la humedad relativa y la temperatura ambiente junto con la presión barométrica total.

En primer lugar, se calcula la presión de vapor de agua:

Para una temperatura de gas conocida, la presión máxima de vapor de agua (WVP_max) puede determinarse a partir de la tabla de consulta del Anexo A. La presión máxima de vapor de agua también se denomina punto de rocío. El aire más caliente puede contener más vapor de agua y, por lo tanto, tiene una (WVP_max) más alta que el aire más frío.

La presión parcial de oxígeno es igual a la presión de vapor de agua.

La presión parcial de oxígeno equivale entonces a:

Ejemplo 2 describe el efecto de la humedad al reducir la presión parcial de oxígeno y, por tanto, el contenido volumétrico de oxígeno.

Ejemplo 2:

En un día normal, se registra la siguiente información de una estación meteorológica calibrada:

Usando la tabla del Anexo A, WVP_max = 26.43mbar.

La presión parcial de oxígeno equivale entonces a:

Porque ahora conocemos la presión parcial de oxígeno y la presión barométrica total, podemos calcular el contenido volumétrico de oxígeno.

Medición de la humedad en el aire

Hemos visto que los sensores de oxígeno PST miden un componente, ppO2, de una mezcla de gases. Si también conocemos P_total, entonces podemos calcular el porcentaje de oxígeno en la mezcla. Para una mezcla de gases conocida, como es el aire, si detectamos una reducción en la concentración de oxígeno, sólo puede ser porque se ha introducido algún otro gas y ha diluido los gases que contiene el aire.

Ptotal.

De este modo, se puede deducir la humedad del gas, y podemos utilizar el sensor de oxígeno como sensor de humedad. La ventaja de utilizar los sensores de oxígeno de PST para medir la humedad, frente a otros sensores que miden directamente la humedad, es la capacidad de medir a alta temperatura. Los sensores de humedad basados en la capacitancia, por ejemplo, suelen estar limitados a funcionar a bajas temperaturas (<100oC). Los sensores de oxígeno de PST son capaces de funcionar a temperaturas de gas de hasta 400 oC.

Reordenando las ecuaciones anteriores, podemos demostrar que:

Si sabemos que el gas en cuestión es aire y que lo único que se ha añadido es agua, entonces la ecuación 7 es válida. Por lo tanto, este método se puede utilizar para medir la humedad en aplicaciones como la cocción al vapor, el horneado y el secado.

Este método de medición de la humedad es sencillo, porque la mezcla de gases que llamamos "aire" es abundante, omnipresente y consistente, en cualquier lugar del planeta en que nos encontremos.

La tabla de consulta del Anexo A está limitada a temperaturas de hasta 130oC. Para realizar cálculos por encima de este valor, deben utilizarse otras tablas o ecuaciones.

Medición de la humedad en otros gases.

Medición de la humedad en otros gases

Cuando el gas no es aire, el cálculo de la humedad a partir del oxígeno se hace más complejo. La reducción de la presión del oxígeno indica que los constituyentes del gas han cambiado, pero puede que no sepamos por qué ni cómo. Tomemos, por ejemplo, el proceso de combustión. En lugar de la simple y proporcional dilución del aire (O2, N2, CO2, Ar, etc.) por la introducción de H2O; en un proceso de combustión se produce H2O junto con CO2, mientras que se reducen el O2 y los hidrocarburos (CxHy) que se quemaron.

Sólo con una medición de la presión de oxígeno residual se puede calcular la humedad.

Sólo con una medición de los otros gases residuales, incluido el O2, se puede calcular la humedad.

ANEXO A - TABLA DE CONSULTAS DE PRESIÓN DE VAPOR DE AGUA

Tabla de consulta de la presión máxima de vapor de agua.

APÉNDICE B - NOTAS ESPECIALES Y CONSEJOS DE APLICACIÓN

Para garantizar el mejor rendimiento de su equipo, es importante que el sensor de oxígeno acoplado se instale y se mantenga correctamente.

El documento Guía de Funcionamiento y Compatibilidad del Sensor de Circonia proporciona algunos consejos esenciales de funcionamiento del sensor y una lista completa de gases y materiales que DEBEN evitarse para garantizar una larga vida útil del sensor o reserve una llamada con nuestros expertos técnicos en oxygen@processsensing.com.