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Sensor ZR810, cambios de presión atmosférica

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Sensor ZR810, cambios de presión atmosférica

Consideraciones sobre el efecto de los cambios de presión atmosférica en las mediciones del sensor de oxígeno de circonio potenciométrico

Introducción

Un sensor potenciométrico de oxígeno de circonio es un dispositivo electroquímico que utiliza un electrolito de óxido de circonio estabilizado a alta temperatura y fabricado en cerámica. El sensor consiste en un tubo cerrado en un extremo con electrodos. Suelen ser de platino, depositado en las superficies interiores y exteriores.

Teoría

El tubo es estanco al gas y funciona a temperaturas que suelen oscilar entre los 500 y los 750ºC. Conduce la electricidad por medio de iones de oxígeno y la diferencia de potencial a través de la célula viene dada por la ecuación de Nernst: Dónde: E es la diferencia de potencial / voltios R es la constante de los gases / 8,314 J mol-1 K-1 F es la constante de Faraday / 96484 culombios mol-1 p1 y p2 son las presiones parciales de oxígeno fuera y dentro del tubo de circonio, respectivamente.

Nota

La presión parcial de un gas en una mezcla es igual a la fracción de volumen del gas por la presión total de la mezcla de gases. Así, el oxígeno que se encuentra en el aire a una presión atmosférica estándar de 1013 mbars significa una fracción molar de 20,9/100 = 0,209. Por tanto, p1= 0,209 x 1013 = 211,7 mbars

Cálculo

Si la muestra de gas se ventila y se expone a la atmósfera, habrá una caída de presión (∆p) entre la entrada del sensor y la salida del tubo de salida. La presión de la muestra de gas en el interior del tubo de circonio = ∆p + la presión externa total. Con el caudal recomendado de 150 ml/min, la contrapresión debida, por ejemplo, a 5 m de tubo de 1/8" es de unos 20 mbar. Si se requieren tramos más largos de tubería, se recomienda utilizar tubería de ¼" para minimizar la contrapresión.   Consideramos el caso de que el sensor se ponga a cero y se calibre a una presión atmosférica baja (por ejemplo, 980 mbars) y luego se utilice a una presión atmosférica más alta (por ejemplo, 1040 mbars). Calculamos la salida del sensor y las lecturas del instrumento para muestras de 1 ppm y 1% de oxígeno.
La ecuación de Nernst puede reducirse a
Nótese que E está ahora en mV. Tomamos la temperatura de funcionamiento como 650 ºC

Caso 1 - con una presión total externa de 980 mbars

Para 1ppm de oxígeno p1= 0,209 x 980 = 204,8 mbars p2= 1 x 10-6 x (980 + 20) = 1 x 10-3 mbars El potencial del sensor será E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 204,8/1x10-3 = 243,24 mV Para un 1% vol de oxígeno p1= 0,209 x 980 = 204,8 mbars p2= 1/100 x (980 + 20) = 10,0 mbars El potencial del sensor será E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 204,8/10,0 = 60,05 mV

Caso 2 - con una presión total externa de 1040 mbars

Para 1ppm de oxígeno p1= 0,209 x 1040 = 217,4 mbars p2= 1 x 10-6 x (1040 + 20) = 1,06 x 10-3 mbars El potencial del sensor será E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 217,4./1,06x10-3 = 243,26 mV Para un 1% vol de oxígeno p1= 0,209 x 1040 = 217,4 mbars p2= 1/100 x (1040 + 20) = 10,6 mbars El potencial del sensor será E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 217,4/10,6 = 60,07 mV

Comparación del potencial del sensor para los casos 1 y 2

Para un 1% vol de oxígeno El porcentaje de cambio en E = [(243,26/243,24) x 100] - 100 = 0,008%. es decir, el potencial E del sensor es un 0,008% mayor a 1040 mbars. Para un 1% vol de oxígeno El porcentaje de cambio de E = [(60,07/60,05) x 100 - 100] = 0,033%. es decir, el potencial E del sensor es un 0,033% mayor a 1040 mbars.

Comparación del potencial del sensor para los casos 1 y 2

Como se ha dicho, el instrumento está calibrado a 980 mbars. Por lo tanto, las lecturas teóricas se normalizan a 1,00 ppm y 1,00% vol de oxígeno para las dos concentraciones de gas a esa presión.   Sustituyendo los potenciales de los sensores del caso dos, en las ecuaciones del caso uno, podemos resolver para p2 y determinar las lecturas teóricas. Para 1 ppm de oxígeno la ecuación del potencial del sensor es 243,26 = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 204,8/p2 Resolviendo la ecuación para p2encontramos que la presión parcial de oxígeno sería de 9,999E-04 mbars y la lectura del instrumento sería de 0,999 ppm. Para un 1% vol de oxígeno la ecuación para el potencial del sensor es: 60,07=0,0496 x (273,3+650) x log10 204,8/p2 Resolviendo la ecuación para p2 encontramos que la presión parcial de oxígeno sería de 9,999 mbars y la lectura del instrumento sería de 0,999% vol.

Conclusión:

En condiciones normales de funcionamiento, el efecto de los cambios en la presión atmosférica sobre la medición de las concentraciones de oxígeno utilizando el sensor de oxígeno de circonio es insignificante. Y la corrección de la presión barométrica no es necesaria. Agosto 2012 Por el Dr. Malcolm Taylor PhD, GRSC DESCARGAR EL PDF VER NUESTROS PRODUCTOS SYSTECH