Comment mesurer l'humidité à haute température avec les capteurs d'oxygène au dioxyde de zirconium

INTRODUCTION

Ce blog décrit la physique et les concepts qui sous-tendent la gamme de capteurs d'oxygène dynamiques et très précis de PST et explique comment ils peuvent être utilisés pour mesurer l'humidité.

Lorsque vous lisez ce blog, gardez à l'esprit les différences clés suivantes entre la gamme de capteurs de PST et les autres capteurs d'oxygène au dioxyde de zirconium :

Les capteurs d'oxygène au dioxyde de zirconium PST mesurent la pression partielle de l'oxygène dans un gaz ou un mélange de gaz, et NON la concentration d'oxygène en %. Cependant, avec notre circuit de contrôle électronique optionnel, la concentration d'oxygène peut être mesurée et transmise dans une gamme de sorties industrielles.

Les capteurs d'oxygène à dioxyde de zirconium PST ne nécessitent PAS de gaz de référence et peuvent être facilement étalonnés à l'air libre.

PHYSIQUE DE BASE

1.1 Pression partielle

.

1.1.1 définition

La pression partielle est définie comme la pression d'un seul composant gazeux dans un mélange de gaz. Elle correspond à la pression totale qu'exercerait le composant gazeux s'il occupait à lui seul tout le volume.

La pression partielle est définie comme la pression d'un composant gazeux dans un mélange de gaz.

1.1.2 Loi de Dalton

La pression totale (P_total) d'un mélange de gaz idéaux est égale à la somme des pressions partielles (P_i) des gaz individuels dans ce mélange.

P_total = ∑

k

i=1

P_i

L'équation 1 permet de déduire que le rapport entre le nombre de particules (n_i) d'un composant gazeux individuel et le nombre total de particules (n_total) du mélange gazeux est égal au rapport entre la pression partielle (Pi) du composant gazeux individuel et la pression totale (P_total) du mélange gazeux.

ni	Nombre de particules dans le gaz
ntotal	Nombre total de particules
pi	Pression partielle du gaz i
Ptotal	Pression totale

Exemple 1:

La pression atmosphérique au niveau de la mer (dans des conditions atmosphériques standard) est de 1013,25mbar. Les principaux composants de l'air sec sont l'azote (78,08% Vol.), l'oxygène (20,95% Vol.), l'argon (0,93% Vol.) et le dioxyde de carbone (0,04% Vol.). (0,93% Vol.) et le dioxyde de carbone (0,04% Vol.). Le contenu volumétrique (%) peut être assimilé au nombre de particules (n) puisque les gaz ci-dessus peuvent être considérés comme des gaz idéaux.

L'équation 2 peut être résolue pour la pression partielle d'un gaz individuel (i) pour obtenir:

L'équation 2 peut être résolue pour la pression partielle d'un gaz individuel (i) pour obtenir:.
La pression partielle de l'oxygène équivaut alors à :

Bien entendu, cette valeur n'est pertinente que lorsque l'atmosphère est sèche (0 % d'humidité). En cas de présence d'humidité, une partie de la pression totale est absorbée par la pression de la vapeur d'eau. Par conséquent, la pression partielle d'oxygène (ppO2) peut être calculée avec plus de précision lorsque l'humidité relative et la température ambiante sont mesurées en même temps que la pression barométrique totale.

Tout d'abord, la pression de vapeur d'eau est calculée :

WVP	Pression de vapeur d'eau (mbar)
HRel	Humidité relative (%)
WVPmax	Pression maximale de la vapeur d'eau (mbar), qui dépend de la température

Pour une température de gaz connue, la pression maximale de vapeur d'eau (WVP_max) peut être déterminée à l'aide du tableau de correspondance figurant à l'ANNEXE A. La pression maximale de vapeur d'eau est également appelée point de rosée. L'air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau et a donc une pression (WVP_max) plus élevée que l'air froid.

La pression partielle d'oxygène équivaut alors à :

La pression partielle d'oxygène équivaut donc à

ppO2	Pression partielle O2 (mbar)
(Ptotal)	Pression totale (mbar) qui est la même que la pression barométrique lorsque l'on parle de l'air ambiant.
WVP	Pression de vapeur d'eau (mbar)

Exemple 2 ci-dessous décrit l'effet de l'humidité qui réduit la pression partielle d'oxygène et donc la teneur volumétrique en oxygène.

Exemple 2:

Au cours d'une journée normale, les informations suivantes sont enregistrées à partir d'une station météorologique calibrée:

Les informations suivantes sont enregistrées par une station météorologique calibrée

Température	22°C
Humidité	32%
Pression barométrique P total	986mbar

En utilisant le tableau de correspondance de l'ANNEXE A, WVP_max = 26.43mbar.

La pression partielle d'oxygène équivaut alors à :

La pression partielle d'oxygène équivaut donc à

Comme nous connaissons maintenant la pression partielle d'oxygène et la pression barométrique totale, nous pouvons calculer la teneur volumétrique en oxygène.

Mesure de l'humidité de l'air

Nous avons vu que les sondes à oxygène PST mesurent un composant, ppO2, d'un mélange de gaz. Si nous connaissons également P_total, nous pouvons calculer le pourcentage d'oxygène dans le mélange. Pour un mélange de gaz connu, tel que l'air, si nous détectons une réduction de la concentration d'oxygène, cela ne peut être que parce qu'un autre gaz a été introduit et a dilué les gaz contenus dans l'air.

De cette manière, l'humidité du gaz peut être déduite et nous pouvons utiliser le capteur d'oxygène comme capteur d'humidité. L'avantage d'utiliser les capteurs d'oxygène de PST pour mesurer l'humidité, par rapport à d'autres capteurs qui mesurent directement l'humidité, est la capacité de mesurer à haute température. Les capteurs d'humidité basés sur la capacité, par exemple, sont généralement limités à un fonctionnement à basse température (<100oC). Les capteurs d'oxygène de PST peuvent fonctionner à des températures de gaz allant jusqu'à 400 oC.

En réarrangeant les équations ci-dessus, on peut montrer que :

Les équations de l'article 2 de la loi sur l'assurance maladie ont été réarrangées.

Tant que nous savons que le gaz en question est de l'air et que la seule chose qui a été ajoutée est de l'eau, alors l'équation 7 est valide. Par conséquent, cette méthode peut être utilisée pour mesurer l'humidité dans des applications telles que la cuisson à la vapeur, la cuisson et le séchage.

Cette méthode de mesure de l'humidité est simple, car le mélange de gaz que nous appelons « air » est abondant, omniprésent et constant, où que nous soyons sur la planète.

La table de recherche de l' APPENDIX A est limitée aux températures allant jusqu'à 130°C. Pour effectuer des calculs au-delà de cette valeur, il convient d'utiliser d'autres tables ou équations. Pour effectuer des calculs au-delà de cette valeur, il convient d'utiliser d'autres tables ou équations.

Mesurer l'humidité dans d'autres gaz

Lorsque le gaz n'est pas de l'air, le calcul de l'humidité à partir de l'oxygène devient plus complexe. La réduction de la pression de l'oxygène indique que les constituants du gaz ont changé, mais nous ne savons pas toujours pourquoi ni comment. Prenons par exemple le processus de combustion. Plutôt que la simple dilution proportionnelle de l'air (O2, N2, CO2, Ar, etc.) par l'introduction de H2O, dans un processus de combustion, H2O est produit avec CO2, tandis que O2 et les hydrocarbures (CxHy) qui ont été brûlés sont réduits.

La réduction de la pression de l'oxygène indique que la pression de l'oxygène a été modifiée, mais nous ne savons pas toujours pourquoi.

Ce n'est qu'en mesurant les autres gaz résiduels, y compris l'O2, que l'on peut calculer l'humidité.

ANNEXE A - TABLE DE RECHERCHE DE LA PRESSION DE LA VAPEUR D'EAU

Tableau de consultation de la pression maximale de la vapeur d'eau.

Température (°C)	Vapeur d'eau maximale pression (mbar)	Température (°C)	Vapeur d'eau maximale pression (mbar)
0	6.1	31	44.92
1	6.57	32	47.54
2	7.06	33	50.3
3	7.58	34	53.19
4	8.13	35	56.23
5	8.72	36	59.42
6	9.35	37	62.76
7	10.01	38	66.27
8	10.72	39	69.93
9	11.47	40	73.77
10	12.27	42.5	84.19
11	13.12	45	95.85
12	14.02	47.5	108.86
13	14.97	50	123.86
14	15.98	52.5	139.5
15	17.04	55	457.42
16	18.17	57.5	177.25
17	19.37	60	199.17
18	20.63	62.5	223.36
19	21.96	65	250.01
20	23.37	67.5	279.31
21	24.86	70	311.48
22	26.43	75	385.21
23	28.11	80	473.3
24	29.82	85	577.69
25	31.66	90	700.73
26	33.6	95	844.98
27	35.64	100	1013.17
28	37.78	110	1433.61
29	40.04	120	1988.84
30	42.42	130	2709.58

APENDICE B - NOTES SPÉCIALES ET CONSEILS D'APPLICATION

L'annexe B contient des notes spéciales et des conseils d'application.

Pour garantir les meilleures performances de votre équipement, il est important que la sonde à oxygène soit installée et entretenue correctement.

La sonde à oxygène doit être installée et entretenue correctement.

Document Zirconia Sensor Operation and Compatibility Guide fournit des conseils essentiels sur le fonctionnement des capteurs et une liste complète des gaz et des matériaux qui DÛMENT être évités pour assurer une longue durée de vie aux capteurs ou prenez rendez-vous avec nos experts techniques à l'adresse suivante oxygen@processsensing.com.