INTRODUÇÃO
Este blog descreve a física e os conceitos por trás da linha de sensores de oxigênio dinâmicos e altamente precisos da PST e explica como eles podem ser usados para medir a umidade.
Ao ler este blog, tenha em mente os seguintes diferenciais importantes entre a linha de sensores da PST e outros sensores de oxigênio de dióxido de zircônio:
FÍSICA DE FUNDO
1.1 Pressão parcial
1.1.1 Definição
A pressão parcial é definida como a pressão de um único componente de gás em uma mistura de gases. Ela corresponde à pressão total que o componente de gás único exerceria se ocupasse sozinho todo o volume.
1.1.2 Lei de Dalton
A pressão total (Ptotal) de uma mistura de gases ideais é igual à soma das pressões parciais (Pi) dos gases individuais nessa mistura.
| k |
| i=1 |
Da Equação 1, pode-se deduzir que a razão entre o número de partículas (ni) de um componente individual do gás e o número total de partículas (ntotal) da mistura de gases é igual à razão entre a pressão parcial (Pi) do componente individual do gás e a pressão total (Ptotal) da mistura de gases.
| ni |
| ntotal |
| Pi |
| Ptotal |
| ni | Número de partículas no gás |
| ntotal | Número total de partículas |
| pi | Pressão parcial do gás i |
| Ptotal | Pressão total |
Exemplo 1:
A pressão atmosférica no nível do mar (sob condições atmosféricas padrão) é de 1013,25mbar. Aqui, os principais componentes do ar seco são nitrogênio (78,08% Vol.), oxigênio (20,95% Vol.), argônio (0,93% Vol.) e dióxido de carbono (0,04% Vol.). O conteúdo volumétrico (%) pode ser igualado ao número de partículas (n), pois os gases acima podem ser aproximados como gases ideais.
A Equação 2 pode ser resolvida para a pressão parcial de um gás individual (i) para obter:
| ni |
| ntotal |
A pressão parcial de oxigênio equivale então a:
| 20. 95% |
| 100% |
É claro que esse valor só é relevante quando a atmosfera está seca (0% de umidade). Se houver umidade, uma proporção da pressão total é absorvida pela pressão do vapor de água. Portanto, a pressão parcial de oxigênio (ppO2) pode ser calculada com mais precisão quando a umidade relativa e a temperatura ambiente são medidas juntamente com a pressão barométrica total.
Primeiro, a pressão de vapor da água é calculada:
| HRel |
| 100 |
| WVP | Pressão de vapor da água (mbar) |
| HRel | Umidade relativa (%) |
| WVPmax | Pressão máxima de vapor de água (mbar), que depende da temperatura |
Para uma temperatura de gás conhecida, a pressão máxima de vapor de água (WVPmax) pode ser determinada a partir da tabela de pesquisa no APÊNDICE A. A pressão máxima de vapor de água também é chamada de ponto de orvalho. O ar mais quente pode reter mais vapor de água e, portanto, tem uma pressão de vapor de água (WVPmax) mais alta do que o ar mais frio.
A pressão parcial de oxigênio equivale a:
| 20. 95 |
| 100 |
| ppO2 | Pressão parcial de O2 (mbar) |
| (Ptotal) | Pressão total (mbar), que é o mesmo que pressão barométrica quando estamos falando de ar ambiente. |
| WVP | Pressão de vapor de água (mbar) |
O Exemplo 2 abaixo descreve o efeito da umidade reduzindo a pressão parcial de oxigênio e, portanto, o conteúdo volumétrico de oxigênio.
Exemplo 2:
Em um dia típico, as seguintes informações são registradas em uma estação meteorológica calibrada:
| Temperatura | 22°C |
| Umidade | 32% |
| Pressão barométrica Ptotal | 986mbar |
Usando a tabela de pesquisa no APÊNDICE A, WVPmax = 26,43mbar.
| 32 |
| 100 |
A pressão parcial de oxigênio, então, equivale a:
| 20. 95 |
| 100 |
Como agora sabemos a pressão parcial de oxigênio e a pressão barométrica total, podemos calcular o conteúdo volumétrico de oxigênio.
| 204. 8 |
| 986 |
Medição da umidade no ar
Vimos que os sensores de oxigênio PST medem um componente, ppO2, de uma mistura de gases. Se também soubermos o Ptotal, poderemos calcular a porcentagem de oxigênio na mistura. Para uma mistura de gases conhecida, como o ar, se detectarmos uma redução na concentração de oxigênio, isso só pode ocorrer porque algum outro gás foi introduzido e diluiu os gases contidos no ar.
Dessa forma, a umidade do gás pode ser inferida, e podemos usar o sensor de oxigênio como um sensor de umidade. A vantagem de usar os sensores de oxigênio da PST para medir a umidade, em comparação com outros sensores que medem diretamente a umidade, é a capacidade de medir em alta temperatura. Os sensores de umidade baseados em capacitância, por exemplo, geralmente são limitados à operação em baixas temperaturas (<100oC). Os sensores de oxigênio da PST são capazes de operar em temperaturas de gás de até 400 oC.
Ao reorganizar as equações acima, podemos mostrar que:
| 100 |
| WVPmax |
| 100 | |
| 20. 95 |
Desde que saibamos que o gás em questão é o ar e que a única coisa que foi adicionada é água, então a equação 7 é válida. Portanto, esse método pode ser usado para medir a umidade em aplicações como cozimento a vapor, assamento e secagem.
Esse método de medição de umidade é simples, porque a mistura de gases que chamamos de "ar" é abundante, difundida e consistente, onde quer que estejamos no planeta.
A tabela de pesquisa no APÊNDICE A está limitada a temperaturas de até 130oC. Para fazer cálculos acima desse valor, outras tabelas ou equações devem ser usadas.
Medição da umidade em outros gases
Quando o gás não é o ar, o cálculo da umidade a partir do oxigênio torna-se mais complexo. A redução da pressão do oxigênio indica que os constituintes do gás foram alterados, mas talvez não saibamos por que ou como. Veja, por exemplo, o processo de combustão. Em vez da diluição simples e proporcional do ar (O2, N2, CO2, Ar etc.) pela introdução de H2O, em um processo de combustão o H2O é produzido junto com o CO2, enquanto o O2 e os hidrocarbonetos (CxHy) que foram queimados são reduzidos.
Somente com a medição dos outros gases residuais, incluindo o O2, é possível calcular a umidade.
APÊNDICE A - TABELA DE TABELA DE PROCURA DE PRESSÃO DE VAPOR DE ÁGUA
Tabela de consulta para a pressão máxima de vapor de água.
| Temperatura (°C) | Pressão máxima de vapor de água pressão (mbar) | Temperatura (°C) | Pressão máxima de vapor de água de água (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 |
APÊNDICE B - NOTAS ESPECIAIS E DICAS DE APLICAÇÃO
Para garantir o melhor desempenho do seu equipamento, é importante que o sensor de oxigênio conectado seja instalado e mantido corretamente.
O documento Zirconia Sensor Operation and Compatibility Guide fornece algumas dicas essenciais de operação do sensor e uma lista completa de gases e materiais que DEVEM ser evitados para garantir uma longa vida útil do sensor ou agende uma chamada com nossos especialistas técnicos em oxygen@processsensing.com.
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