Como medir a umidade em altas temperaturas com os sensores de oxigênio de dióxido de zircônio

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:

  • Os sensores de oxigênio de dióxido de zircônio da PST medem a pressão parcial de oxigênio em um gás ou mistura de gases, NÃO a concentração de oxigênio em %. No entanto, com o nosso circuito de controle eletrônico opcional, a concentração de oxigênio pode ser medida e transmitida em uma variedade de saídas industriais.
  • Os sensores de oxigênio de dióxido de zircônio da PST NÃO exigem um gás de referência e podem ser facilmente calibrados em ar fresco.
  • 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.

    Ptotal = ∑
    k
    i=1
    Pi

    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

    Figura 1 Ptotal = P1 + P2 + P3 (Volume e temperatura constantes)
    Figura 1 Ptotal = P1 + P2 + P3 (volume e temperatura constantes)

    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:

    Pi =
    ni
    ntotal
    x Ptotal

    A pressão parcial de oxigênio equivale então a:

    Pi =
    20. 95%
    100%
    x 1013,25mbar = 212,28mbar


    Figura 2 Pressão parcial a 0% de umidade
    Figura 2-2 Pressão parcial a 0% de umidade

    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.

    Figure 2 Partial Pressure at 0% Humidity
    Figura 2-3 Pressão de vapor do líquido

    Primeiro, a pressão de vapor da água é calculada:

    WVP = (
    HRel
    100
    ) x WVPmax
    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:

    ppO2 = (Ptotal) - WVP) x (
    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.

    WVP = (
    32
    100
    ) x 26. 43 = 8,458mbar

    A pressão parcial de oxigênio, então, equivale a:

    ppO2 = (986 - 8,458) x (
    20. 95
    100
    ) = 204,795mbar

    Como agora sabemos a pressão parcial de oxigênio e a pressão barométrica total, podemos calcular o conteúdo volumétrico de oxigênio.
    O2% = (
    204. 8
    986
    ) x 100 = 20,77%


    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:


    HRel =
    100
    WVPmax
    ( Ptotal- pp02
    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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