Come misurare l'umidità ad alta temperatura con i sensori di ossigeno al biossido di zirconio

Fisica di base

1.1 Pressione parziale

1.1.1 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.

1.1.2 Legge di Dalton

La pressione totale (P_totale) di una miscela di gas ideali è uguale alla somma delle pressioni parziali (P_i) dei singoli gas in quella miscela.

Dall'equazione 1 si può ricavare che il rapporto tra il numero di particelle (n_i) di un singolo componente del gas e il numero totale di particelle (n_totale) della miscela di gas è uguale al rapporto tra la pressione parziale (Pi) del singolo componente del gas e la pressione totale (P_totale) della miscela di gas.

Esempio 1:

La pressione atmosferica al livello del mare (in condizioni atmosferiche standard) è di 1013,25mbar. I componenti principali dell'aria secca sono azoto (78,08% Vol.), ossigeno (20,95% Vol.), argon (0,93% Vol.) e anidride carbonica (0,04% Vol.). (0,93% Vol.) e anidride carbonica (0,04% Vol.). Il contenuto volumetrico (%) può essere equiparato al numero di particelle (n), dato che i gas sopra citati possono essere approssimati come gas ideali.

L'equazione 2 può essere risolta per la pressione parziale di un singolo gas (i) per ottenere:

Ovviamente, questo valore è rilevante solo quando l'atmosfera è secca (0% di umidità). Se è presente umidità, una parte della pressione totale è assorbita dalla pressione del vapore acqueo. Pertanto, la pressione parziale di ossigeno (ppO2) può essere calcolata con maggiore precisione se si misurano l'umidità relativa e la temperatura ambiente insieme alla pressione barometrica totale.

Prima di tutto, si calcola la pressione del vapore acqueo:

Per una temperatura nota del gas, la massima pressione del vapore acqueo (WVP_max) può essere determinata dalla tabella di ricerca in APPENDICE A. La pressione massima del vapore acqueo viene anche chiamata dew-point. L'aria più calda può trattenere più vapore acqueo e quindi ha un valore più alto (WVP_max) rispetto all'aria più fredda.

La pressione parziale dell'ossigeno equivale quindi a:

Il seguente esempio 2 descrive l'effetto dell'umidità che riduce la pressione parziale dell'ossigeno e quindi il contenuto volumetrico di ossigeno.

Esempio 2:

In un giorno tipico, le seguenti informazioni sono registrate da una stazione meteorologica calibrata:

Utilizzando la tabella di ricerca in Allegato A, WVP_max = 26,43mbar.

La pressione parziale dell'ossigeno equivale quindi a:

Misurare l'umidità dell'aria

Abbiamo visto che i sensori di ossigeno PST misurano un componente, ppO2, di una miscela di gas. Se conosciamo anche P_totale, possiamo calcolare la percentuale di ossigeno nella miscela. Per una miscela di gas conosciuta, come l'aria, se rileviamo una riduzione della concentrazione di ossigeno, può essere solo perché è stato introdotto un altro gas che ha diluito i gas contenuti nell'aria.

In questo modo, è possibile dedurre l'umidità del gas e utilizzare il sensore di ossigeno come sensore di umidità. Il vantaggio di utilizzare i sensori di ossigeno PST per misurare l'umidità, rispetto ad altri sensori che misurano direttamente l'umidità, è la capacità di misurare ad alta temperatura. I sensori di umidità basati sulla capacità, ad esempio, sono generalmente limitati al funzionamento a basse temperature (<100oC). I sensori di ossigeno di PST sono in grado di operare a temperature del gas fino a 400 oC.

Riordinando le equazioni precedenti, possiamo dimostrare che:

Finché sappiamo che il gas in questione è l'aria e che l'unica cosa che è stata aggiunta è l'acqua, allora l'equazione 7 è valida. Pertanto, questo metodo può essere utilizzato per misurare l'umidità in applicazioni come la cottura a vapore, la cottura e l'essiccazione.

Questo metodo di misurazione dell'umidità è semplice, perché la miscela di gas che chiamiamo “aria” è abbondante, pervasiva e coerente, ovunque ci troviamo sul pianeta.

La tabella di ricerca in APPENDICE A è limitata a temperature fino a 130oC. Per effettuare calcoli al di sopra di questo valore, è necessario utilizzare altre tabelle o equazioni.

Misurare l'umidità in altri gas

Quando il gas non è aria, il calcolo dell'umidità dall'ossigeno diventa più complesso. La riduzione della pressione dell'ossigeno indica che i costituenti del gas sono cambiati, ma potremmo non sapere perché o come. Prendiamo ad esempio il processo di combustione. Piuttosto che la semplice e proporzionale diluizione dell'aria (O2, N2, CO2, Ar ecc.) con l'introduzione di H2O, in un processo di combustione l'H2O viene prodotto insieme alla CO2, mentre l'O2 e gli idrocarburi (CxHy) che sono stati bruciati si riducono.

Solo con una misurazione degli altri gas residui, compreso l'O2, è possibile calcolare l'umidità.

ALLEGATO A - TABELLA DI RILIEVO DELLA PRESSIONE DEL VAPORE D'ACQUA

Tabella di ricerca per la pressione massima del vapore acqueo.

APPENDICE B - NOTE SPECIALI E SUGGERIMENTI DI APPLICAZIONE

Per garantire le migliori prestazioni dell'apparecchiatura, è importante che il sensore dell'ossigeno collegato sia installato e mantenuto correttamente.

Documento Zirconia Sensor Operation and Compatibility Guide fornisce alcuni consigli essenziali per il funzionamento del sensore e un elenco completo di gas e materiali che DOVREBBERO essere evitati per garantire una lunga durata del sensore o prenotare una telefonata con i nostri esperti tecnici a oxygen@processsensing.com.