ZR810 Sensor, atmosferische drukveranderingen - Industrial Physics ZR810 Sensor, atmosferische drukveranderingen - Industrial Physics

Productaanvragen

Product(en) waarin ik geïnteresseerd ben

U heeft momenteel geen producten in uw winkelwagen, ga verder met browsen en selecteer een of meerdere producten.

Offerte aanvragen

Ga door met browsen

Kennisbank

ZR810 Sensor, atmosferische drukveranderingen

Beschouwingen over het effect van atmosferische drukveranderingen op de metingen van de potentiometrische zirconiumzuurstofsensor

Inleiding

Een potentiometrische zirconium-zuurstofsensor is een elektrochemisch apparaat dat gebruik maakt van een bij hoge temperatuur gestabiliseerde zirconium-oxide-elektrolyt van keramische makelij. De sensor bestaat uit een buis die aan één uiteinde is afgesloten met elektroden. Deze zijn meestal van platina, afgezet op het binnen- en buitenoppervlak.

Theorie

De buis is gasdicht aan de buitenkant en werkt bij temperaturen die gewoonlijk tussen 500 en 750ºC liggen. Hij geleidt elektriciteit door middel van zuurstofionen en het potentiaalverschil over de cel wordt gegeven door de Nernst-vergelijking:

  width=

Waar:
E is het potentiaalverschil / volt
R is de gasconstante / 8,314 J mol-1 K-1
F is de constante van Faraday / 96484 coulomb mol-1
p1 en p2 zijn de partiële drukken van zuurstof buiten en binnen de zirconia buis, respectievelijk.

Noot

De partiële druk van een gas in een mengsel is gelijk aan de volumefractie van het gas maal de totale druk van het gasmengsel. Dus zuurstof in de lucht bij een standaard atmosferische druk van 1013 mbar betekent een molfractie van 20,9/100 = 0,209.

Daarom is p1= 0,209 x 1013 = 211,7 mbar

Berekening

Indien het gasmonster wordt ontlucht en aan de atmosfeer wordt blootgesteld, zal er een drukval (∆p) optreden tussen de inlaat van de sensor en de uitgang van de uitlaatbuis. De druk van het gasmonster in de zirconia buis = ∆p + totale externe druk. Bij het aanbevolen debiet van 150 ml/min bedraagt de tegendruk van bijvoorbeeld 5 m slang van 1/8″ ongeveer 20 mbar. Indien langere stukken slang nodig zijn, wordt ¼” slang aanbevolen om de tegendruk tot een minimum te beperken.

 

We beschouwen het geval waarin de sensor op nul wordt gezet en gekalibreerd bij lage atmosferische druk (b.v. 980 mbar) en vervolgens wordt gebruikt bij een hogere atmosferische druk (b.v. 1040 mbar). We berekenen de sensoruitgang en de instrumentele aflezingen voor monsters van 1 ppm en 1% zuurstof.

De Nernst-vergelijking kan worden herleid tot:

  width=

Merk op dat E nu in mV is. We nemen een bedrijfstemperatuur van 650 ºC

Geval 1 – met een externe totale druk van 980 mbar

Voor 1ppm zuurstof

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

De sensorpotentiaal wordt E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 204,8/1×10-3 = 243,24 mV

Voor 1% vol zuurstof

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

De sensorpotentiaal zal E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 204,8/10,0 = 60,05 mV zijn

Geval 2 – met een externe totale druk van 1040 mbar

Voor 1ppm zuurstof

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

De sensorpotentiaal wordt E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 217,4./1,06×10-3 = 243,26 mV

Voor 1% vol zuurstof

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

De sensorpotentiaal zal E = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 217,4/10,6 = 60,07 mV zijn

Vergelijking van het sensorpotentieel voor geval 1 en 2

Voor 1% vol zuurstof
De procentuele verandering in E = [(243,26/243,24) x 100] – 100 = 0,008%
d.w.z. dat de sensorpotentiaal E 0,008% groter is bij 1040 mbar.

Voor 1% vol zuurstof
De procentuele verandering in E = [(60,07/60,05) x 100 – 100] = 0,033%
d.w.z. dat de sensorpotentiaal E 0,033% groter is bij 1040 mbar.

Vergelijking van het sensorpotentieel voor geval 1 en 2

Zoals gezegd, het instrument is gekalibreerd op 980 mbar. Daarom worden de theoretische meetwaarden genormaliseerd op 1,00 ppm en 1,00% vol zuurstof voor de twee gasconcentraties bij die druk.

 

Door de sensorpotentialen van geval 2 in de vergelijkingen van geval 1 te substitueren, kunnen wij p2 oplossen en de theoretische aflezingen bepalen.

Voor 1 ppm zuurstof is de vergelijking voor de sensor potentiaal:
243,26 = 0,0496 x (273,3 + 650) x log10 204,8/p2

Door de vergelijking op te lossen voor p2vinden we dat de partiële zuurstofdruk 9,999E-04 mbar zou zijn en de aflezing 0,999 ppm zou zijn.

Voor 1% vol zuurstof is de vergelijking voor de sensor potentiaal:
60,07=0,0496 x (273,3+650) x log10 204,8/p2

Door de vergelijking op te lossen voor p2 vinden we dat de partiële zuurstofdruk 9,999 mbar zou zijn en de aflezing van het instrument 0,999% vol zou zijn.

Conclusie

Onder normale bedrijfsomstandigheden is het effect van veranderingen in de atmosferische druk op de meting van zuurstofconcentraties met behulp van de zirconiumzuurstofsensor verwaarloosbaar. En barometrische druk correctie is niet nodig.

Augustus 2012
Door Dr Malcolm Taylor PhD, GRSC

DOWNLOAD DE PDF

BEKIJK ONZE SYSTECH PRODUCTEN