考虑大气压力变化对电位氧化锆氧传感器测量的影响

介绍

电位计氧化锆氧传感器是一种电化学装置，它使用由陶瓷制成的高温稳定氧化锆电解质。 传感器由一根管子组成，管子的一端用电极封闭。 这些通常是铂，沉积在内外表面。

理论

该管在 500 至 750ºC 的温度范围内是气密的，并在温度范围内运行。 它通过氧离子导电，电池两端的电位差由能斯特方程给出：

在哪里：
E是电位差/伏特
R是气体常数 / 8.314 J mol-1 K-1
F是法拉第常数 / 96484 库仑 mol-1
p1和p2分别是氧化锆管内外的氧分压。

笔记

混合物中气体的分压等于气体的体积分数乘以气体混合物的总压力。 因此，在 1013 毫巴的标准大气压下，空气中的氧气意味着摩尔分数为 20.9/100 = 0.209。

因此p 1 = 0.209 x 1013 = 211.7 毫巴

计算

如果气体样品被排放并暴露在大气中，则传感器入口和出口管出口之间将存在压降 (Δp)。 氧化锆管内气体样品的压力 = ∆p + 总外部压力。 在 150 毫升/分钟的推荐流速下，例如 5 米长的 1/8″ 管道导致的背压约为 20 毫巴。如果需要更长的管道，建议使用 ¼” 管道以最小化背压。

我们考虑传感器在低大气压（例如 980 毫巴）下归零和校准，然后在较高大气压（例如 1040 毫巴）下使用的情况。 我们计算 1 ppm 和 1% 氧气样品的传感器输出和仪器读数。

能斯特方程可以简化为：

请注意， E现在以 mV 为单位。 我们以工作温度为 650 ºC

案例 1 – 外部总压力为 980 毫巴

对于 1ppm 氧气

p 1 = 0.209 x 980 = 204.8 毫巴
p 2 = 1 x 10-6 x (980 + 20) = 1 x 10-3 毫巴

传感器电位将为E = 0.0496 x (273.3 + 650) x log10 204.8/1×10-3 = 243.24 mV

对于 1% vol 氧气

p 1 = 0.209 x 980 = 204.8 毫巴
p 2 = 1/100 x (980 + 20) = 10.0 毫巴

传感器电位将为E = 0.0496 x (273.3 + 650) x log10 204.8/10.0 = 60.05 mV

案例 2 – 外部总压力为 1040 毫巴

对于 1ppm 氧气

p 1 = 0.209 x 1040 = 217.4 毫巴
p 2 = 1 x 10-6 x (1040 + 20) = 1.06 x 10-3 毫巴

传感器电位将为E = 0.0496 x (273.3 + 650) x log10 217.4./1.06×10-3 = 243.26 mV

对于 1% vol 氧气

p 1 = 0.209 x 1040 = 217.4 毫巴
p 2 = 1/100 x (1040 + 20) = 10.6 毫巴

传感器电位将为E = 0.0496 x (273.3 + 650) x log10 217.4/10.6 = 60.07 mV

情况 1 和 2 的传感器电位比较

对于 1% vol 氧气
E的百分比变化 = [(243.26/243.24) x 100] – 100 = 0.008%
即传感器电位E在 1040 毫巴时大 0.008%。

对于 1% vol 氧气
E的百分比变化 = [(60.07/60.05) x 100 – 100] = 0.033%
即传感器电位E在 1040 毫巴时大 0.033%。

情况 1 和 2 的传感器电位比较

如前所述，仪器校准到 980 毫巴。 因此，对于该压力下的两种气体浓度，理论读数标准化为 1.00 ppm 和 1.00% vol 氧气。

通过将案例二的传感器电位代入案例一的方程，我们可以求解 p2 并确定理论读数。

对于 1 ppm 氧气，传感器电位方程为：
243.26 = 0.0496 x (273.3 + 650) x log10 204.8/ p 2

通过求解p 2的方程，我们发现氧分压为 9.999E-04 毫巴，仪器读数为 0.999 ppm。

对于 1% vol 氧气，传感器电位方程为：
60.07=0.0496 x (273.3+650) x log10 204.8/ p 2

通过求解p2方程，我们发现氧分压为 9.999 毫巴，仪器读数为 0.999% vol。

结论

在正常操作条件下，大气压力变化对使用氧化锆氧传感器测量氧浓度的影响可以忽略不计。 并且不需要气压校正。

2012 年 8 月
作者：马尔科姆·泰勒博士 GRSC

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