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Wissensbasis

ZR810 Sensor, Atmosphärische Druckänderungen

Überlegungen zur Auswirkung von Änderungen des atmosphärischen Drucks auf die Messungen des potentiometrischen Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensors

Einführung

Ein potentiometrischer Sauerstoffsensor aus Zirkoniumdioxid ist ein elektrochemisches Gerät, das einen hochtemperaturstabilisierten Zirkoniumoxid-Elektrolyten aus Keramik verwendet. Der Sensor besteht aus einem Rohr, das an einem Ende mit Elektroden verschlossen ist. Dabei handelt es sich in der Regel um Platin, das auf der Innen- und Außenfläche abgeschieden wird.

Theorie

Das Rohr ist im Inneren gasdicht und arbeitet bei Temperaturen von 500 bis 750 ºC. Sie leitet Elektrizität mit Hilfe von Sauerstoffionen, und die Potentialdifferenz über der Zelle ist durch die Nernst-Gleichung gegeben:

  width=

Wo:
E ist die Potentialdifferenz / Volt
R ist die Gaskonstante / 8.314 J mol-1 K-1
F ist die Faraday-Konstante / 96484 Coulomb mol-1
p1 und p2 sind die Partialdrücke des Sauerstoffs außerhalb bzw. innerhalb des Zirkoniumdioxidrohrs.

Hinweis

Der Partialdruck eines Gases in einem Gemisch ist gleich dem Volumenanteil des Gases mal dem Gesamtdruck des Gasgemischs. Der in der Luft bei einem atmosphärischen Standarddruck von 1013 mbar enthaltene Sauerstoff hat also einen Molenbruch von 20,9/100 = 0,209.

Daher ist p1= 0,209 x 1013 = 211,7 mbars

Berechnung

Wenn die Gasprobe entlüftet und der Atmosphäre ausgesetzt wird, entsteht ein Druckabfall (∆p) zwischen dem Sensoreinlass und dem Ausgang des Auslassrohrs. Der Druck der Gasprobe im Inneren des Zirkoniumdioxidrohrs = ∆p + gesamter Außendruck. Bei der empfohlenen Durchflussrate von 150 ml/min beträgt der Gegendruck aufgrund von z. B. 5 m 1/8″-Schläuchen etwa 20 mbar. Wenn längere Schlauchstrecken erforderlich sind, werden ¼“-Schläuche empfohlen, um den Gegendruck zu minimieren.

 

Wir betrachten den Fall, dass der Sensor bei niedrigem Atmosphärendruck (z.B. 980 mbar) nullgestellt und kalibriert wird und dann bei einem höheren Atmosphärendruck (z.B. 1040 mbar) eingesetzt wird. Wir berechnen den Sensorausgang und die Messwerte des Geräts für Proben mit 1 ppm und 1 % Sauerstoff.

Die Nernst-Gleichung kann wie folgt reduziert werden:

  width=

Beachten Sie, dass E jetzt in mV angegeben ist. Wir nehmen die Betriebstemperatur von 650 ºC an.

Fall 1 – mit einem externen Gesamtdruck von 980 mbar

Für 1ppm Sauerstoff

p1= 0,209 x 980 = 204,8 mbars
p2= 1 x 10-6 x (980 + 20) = 1 x 10-3 mbars

Das Sensorpotenzial ist E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 204,8/1×10-3 = 243,24 mV

Für 1% vol Sauerstoff

p1= 0,209 x 980 = 204,8 mbars
p2= 1/100 x (980 + 20) = 10,0 mbars

Das Sensorpotenzial ist E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 204,8/10,0 = 60,05 mV

Fall 2 – mit einem externen Gesamtdruck von 1040 mbar

Für 1ppm Sauerstoff

p1= 0,209 x 1040 = 217,4 mbars
p2= 1 x 10-6 x (1040 + 20) = 1,06 x 10-3 mbars

Das Sensorpotenzial ist E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 217,4/1,06×10-3 = 243,26 mV

Für 1% vol Sauerstoff

p1= 0,209 x 1040 = 217,4 mbars
p2= 1/100 x (1040 + 20) = 10,6 mbars

Das Sensorpotenzial ist E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 217,4/10,6 = 60,07 mV

Vergleich des Sensorpotenzials für Fall 1 und 2

Für 1% vol Sauerstoff
Die prozentuale Änderung von E = [(243,26/243,24) x 100] – 100 = 0,008 %.
d.h. das Sensorpotential E ist bei 1040 mbar um 0,008% größer.

Für 1% vol Sauerstoff
Die prozentuale Änderung von E = [(60,07/60,05) x 100 – 100] = 0,033 %.
d.h. das Sensorpotential E ist bei 1040 mbar um 0,033% größer.

Vergleich des Sensorpotenzials für Fall 1 und 2

Wie bereits erwähnt, ist das Gerät auf 980 mbar kalibriert. Daher werden die theoretischen Messwerte für die beiden Gaskonzentrationen bei diesem Druck auf 1,00 ppm und 1,00 % vol Sauerstoff normiert.

 

Durch Einsetzen der Sensorpotentiale aus dem zweiten Fall in die Gleichungen für den ersten Fall können wir p2 lösen und die theoretischen Messwerte bestimmen.

Für 1 ppm Sauerstoff lautet die Gleichung für das Sensorpotenzial:
243,26 = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 204,8/p2

Löst man die Gleichung für p2, so ergibt sich ein Sauerstoffpartialdruck von 9,999E-04 mbar und ein Messwert von 0,999 ppm.

Für 1 % vol Sauerstoff lautet die Gleichung für das Sensorpotenzial:
60,07=0,0496 x (273,3+650) x log10 204,8/p2

Löst man die Gleichung für p2 , so ergibt sich ein Sauerstoffpartialdruck von 9,999 mbar und ein Messwert von 0,999 % vol.

Schlussfolgerung

Unter normalen Betriebsbedingungen sind die Auswirkungen von Änderungen des atmosphärischen Drucks auf die Messung der Sauerstoffkonzentration mit dem Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensor vernachlässigbar. Und eine Luftdruckkorrektur ist nicht erforderlich.

August 2012
Von Dr. Malcolm Taylor PhD, GRSC

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