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ZR810 Sensor, Atmosphärische Druckänderungen

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ZR810 Sensor, Atmosphärische Druckänderungen

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

Einführung

Der potentiometrische Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensor ist ein elektrochemisches Gerät, das einen hochtemperaturstabilisierten Zirkoniumoxid-Keramik-Elektrolyten verwendet. Der Sensor hat die Form eines an einem Ende verschlossenen Rohrs, auf dessen Innen- und Außenfläche Elektroden, in der Regel Platin, aufgebracht sind.

Theorie

Das Rohr ist bei der Betriebstemperatur, die üblicherweise im Bereich von 500 bis 750 ºC liegt, vollkommen gasdicht. Es leitet Elektrizität mit Hilfe von Sauerstoff-Ionen. Die Potenzialdifferenz über der Zelle wird durch die Nernst-Gleichung bestimmt: 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. Für Sauerstoff in Luft bei einem Standardatmosphärendruck von 1013 mbar beträgt der Molenbruch also 20,9/100 = 0,209. Daher ist p1= 0,209 x 1013 = 211,7 mbars

Berechnung

Wenn die Gasprobe in die Atmosphäre entlüftet 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 werden den Sensorausgang und die Messwerte des Geräts für Proben mit 1 ppm und 1 % Sauerstoff berechnen. Die Nernst-Gleichung kann wie folgt reduziert werden: 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 204,8/1x10-3 = 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 217,4/1,06x10-3 = 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

Wir haben gesagt, dass das Instrument bei 980 mbar kalibriert wurde. 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 Fall 2 in die Gleichungen für Fall 1 können wir p2lösen 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. Eine Korrektur des barometrischen Drucks ist nicht erforderlich. August 2012 Von Dr. Malcolm Taylor PhD, GRSC DAS PDF HERUNTERLADEN UNSERE SYSTECH-PRODUKTE ANSEHEN