锆石氧测量原理的背景

2025-07-25 16:14:44 admin

关于锆石氧传感器的特点进行了简要介绍之后,我想谈谈氧气测量原理的物理学背景。
 
PST22-04-01_书

 

酸素的分压

分压被定义为将混合气体简化为单一气体成分的压力。
这对应于仅由单一气体成分占据总体积的情况下的总压力。

 

多尔顿的法则

理想气体混合气体的总压(P-total)等于混合气体中各气体的分压(Pi)的总和。
 
  数式(1)…  PST22-04-1_f1
 
从式1可以导出,“混合气体的粒子总数(ntotal)”与“各气体成分的粒子数(ni)”的比,等于“混合气体的总压(Ptotal)”与“各气体成分的分压(Pi)”的比。
 
  数式(2)…  PST22-04-1_f2

  你燃气中的粒子数i
  ntotal混合气体的粒子总数
  圆周率气体的分压i
  总功率前压

PST22-04-1_zu1

 

例1:

海面的大气压力(标准大气条件下)是101.325kPa。
在此,干燥空气(大气)的主要成分是氮气(78.08%Vol)、氧气(20.95%Vol)、氩气(0.93%Vol)和二氧化碳(0.040%Vol)。由于这种干燥空气可近似为理想气体,因此体积含量(%)等于粒子数(n)。
方程2可以解出各个气体的分压(i),如下所示。
 
  数学(3)…  PST22-04-1_f3
 
在这种情况下,氧气的分压如下所示。
 
  PST22-04-1_f3-a
 
PST22-04-1_zu2
 
当然,这个值仅在大气干燥(湿度为0%)时相关。当大气中存在水分时,全压的一部分将被水蒸气压占据。因此,同时测量相对湿度和周围温度可以更准确地计算氧气分压(ppO2)。
 
PST22-04-1_zu3
 
首先,计算水分含量。
 
  数学(4)…  PST22-04-1_f4

  WVP水蒸气压(毫巴)i
  HRel相对湿度(%)
  WVP最大值最大水蒸气压(mbar)

 
在已知的环境温度下,最大水蒸气压(WVPmax)参考附录A的表格。 最大水蒸气压,也被称为露点温度。 暖空气可以容纳更多的水蒸气,因此WVPmax较高。
 
在这种情况下,氧气分压(ppO2)将如下所示。
 
  数学公式(5)…  PST22-04-1_f5

  二氧化碳分压酸素分圧(毫巴)
  英国石油公司气压(mbar)
  WVP水蒸气压(mbar)

以下的示例2表明,湿度(水分)会降低氧气分压,从而降低氧气的体积含量。

 

例2:

一般的气象观测所记录并可以获得以下信息(温度、湿度、大气压)。

  温度22℃
  湿度32%
  大气压986毫巴

参考附录A的表格,此时WVPMAX=26.43mbar。
 
  PST22-04-1_f-ex2-1
 
那时,氧气分压如下所示。
 
  PST22-04-1_f-ex2-2
 
已知氧气分压和全气压,可以计算氧气的体积含量。
 
  PST22-04-1_f-ex2-3


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