Il principio di funzionamento del sensore O2 al biossido di zirconio misura la pressione parziale dell'ossigeno in una miscela di gas. Questo in genere causa confusione tra i clienti di PST in quanto la maggior parte dei sensori di ossigeno sul mercato misura la concentrazione di ossigeno.
Ma cos'è la pressione parziale? È una domanda che ci viene posta frequentemente quando si tratta del principio di funzionamento del sensore O2. In questo articolo, affronteremo la definizione di pressione parziale, la fisica dietro di essa, come si calcola la pressione parziale e come convertire la pressione parziale dell'ossigeno in contenuto volumetrico per coloro che sono interessati alla concentrazione di ossigeno.
Pressione parziale: la definizione
La pressione parziale è definita come la pressione di un singolo componente del gas in una miscela di gas. Corrisponde alla pressione totale che il singolo componente del gas eserciterebbe se occupasse da solo l'intero volume.
La legge di Dalton: La fisica
La teoria del principio di funzionamento del sensore o2 è dettagliata qui. La pressione totale (Ptotale) di una miscela di gas ideale è uguale alla somma delle pressioni parziali (Pi) dei singoli gas in quella miscela.
| k |
| i=1 |
| ni |
| ntotale |
| Pi |
| Ptotal |
| ni | Numero di particelle nel gas |
| ntotale | Numero totale di particelle |
| pi | Pressione parziale del gas i |
| Ptotale | Pressione totale |
Esempio 1:
La pressione atmosferica a livello del mare (in condizioni atmosferiche standard) è 1013,25mbar. Qui, i componenti principali dell'aria secca sono azoto (78,08% Vol.), ossigeno (20,95% Vol.), argon (0,93% Vol.) e anidride carbonica (0,040% Vol.). Il contenuto volumetrico (%) può essere equiparato al numero di particelle (n) dato che i gas di cui sopra possono essere approssimati come gas ideali.
L'equazione 2 può essere risolta per la pressione parziale di un singolo gas (i) per ottenere:
| ni |
| ntotal |
| 20. 95% |
| 100% |
Ovviamente, questo valore è rilevante solo quando l'atmosfera è secca (0% di umidità). Se c'è umidità, una parte della pressione totale è assorbita dalla pressione del vapore acqueo. Pertanto, la pressione parziale dell'ossigeno (ppO₂) può essere calcolata più accuratamente quando si misurano l'umidità relativa e la temperatura ambiente insieme alla pressione barometrica totale.
Prima si calcola la pressione del vapore acqueo:
| HRel |
| 100 |
| WVP | Pressione del vapore acqueo (mbar) |
| HRel | Umidità relativa (%) |
| WVPmax | Pressione massima del vapore acqueo (mbar) |
Per una temperatura ambiente nota, la massima pressione del vapore acqueo (WVPmax) può essere determinata dalla tabella sottostante. La pressione massima del vapore acqueo è anche indicata come punto di rugiada. L'aria più calda può trattenere più vapore acqueo e quindi ha una WVPmax più alta.
| Temperatura (°C) | Pressione massima del vapore acqueo (mbar) | Temperatura (°C) | Pressione massima del vapore acqueo (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 |
La pressione parziale dell'ossigeno equivale quindi a:
| 20. 95 |
| 100 |
| ppO2 | Pressione parziale O2 (mbar) |
| BP | Pressione barometrica (mbar) |
| WVP | Pressione del vapore acqueo (mbar) |
L'esempio 2 qui sotto descrive l'effetto dell'umidità che riduce la pressione parziale di ossigeno e quindi il contenuto volumetrico di ossigeno.
Esempio 2:
In un giorno tipico, le seguenti informazioni sono registrate da una stazione meteorologica calibrata:
| Temperatura | 22°C |
| Umidità | 32% |
| Pressione barometrica | 986mbar |
Utilizzando la tabella della pressione del vapore acqueo di cui sopra, WVPmax = 26.43mbar.
| 32 |
| 100 |
.
La pressione parziale dell'ossigeno equivale quindi a:
| 20. 95 |
| 100 |
Poiché ora conosciamo la pressione parziale dell'ossigeno e la pressione barometrica totale, possiamo calcolare il contenuto volumetrico di ossigeno.
| 204. 8 |
| 986 |
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