Měření vlhkosti v čistých prostorách

Volba správných měřicích přístrojů je klíčová pro dosažení optimálních měřicích výsledků. To platí i pro kalibrace, které by měly být prováděny pravidelně a založené na zpětně dohledatelných standardech.

Široká škála produktů, včetně farmaceutických výrobků a polovodičů, je vyráběna v čistých místnostech. Obvykle jsou sledovány vlhkost, teplota, obsah částic a tlak, protože tyto parametry mohou mít významný vliv na kvalitu a produktivitu.

Relativní vlhkost

Relativní vlhkost (rF) označuje podíl vodní páry ve směsi plynu v prostředí. Udává poměr aktuálního obsahu vodní páry v místnosti k maximálnímu možnému obsahu vodní páry při stejné teplotě. Procesy jako roztažení a smrštění, tvrdnutí a změkčení materiálů, změna viskozity kapaliny, růst mikroorganismů, nárůst statické elektřiny, koroze a tvorba rzi jsou do značné míry ovlivněny vlhkostí.

Rosný bod

Rosný bod (Td) je teplota, na kterou musí být směs plynů ochlazena, aby došlo ke kondenzaci. Rosný bod je veličina, kterou lze uvést velmi malé množství vody ve směsi, například ve vzduchu. Při mikroobrábění polovodičů jsou podmínky velmi suché, protože molekuly vody jsou považovány za kontaminanty. Za takových podmínek je relativní vlhkost prakticky konstantní kolem 0 % rF, avšak na rosné bodové škále jsou i nejmenší změny obsahu vody ve měřeném plynu snadno detekovatelné.

Různé aplikace, různé požadavky

Výrobci farmaceutických produktů obvykle disponují velkým počtem čistých místností. Řízení a zaznamenávání teploty a vlhkosti podléhá přísným pravidlům GMP (Good Manufacturing Practice). Největší požadavek na senzory vlhkosti je vysoká přesnost. Proto je velmi důležité provádět přesné kalibrace, aby bylo zajištěno, že senzory dlouhodobě nevykazují odchylky měření.
V potravinářském průmyslu musí být vlhkost v výrobních prostorách udržována na určité úrovni nebo pod ní. Obecně jsou běžné hodnoty například 40 % nebo méně. Tím je omezen růst mikroorganismů a bakterií, které by mohly vést k otravám z potravin.
V výrobě polovodičů a elektroniky se stále zkracuje interval mezi jednotlivými generacemi produktů. To zvyšuje význam sledování vlhkosti a rosného bodu v průběhu výroby. V mini-prostředích výrobních závodů jsou často požadovány vysoce přesné měřicí systémy s odchylkami pouze +/-1 % rF.
Velmi důležitá je také kontrola vlhkosti při výrobě tekutých krystalových displejů a barev. V těchto případech hraje klíčovou roli životnost a přesnost senzorů vlhkosti. Především v takových výrobních zařízeních se často vyskytují nežádoucí znečišťující látky ve vzduchu, které mohou ovlivnit senzory.

Senzorové technologie pro vlhkost a rosné body

V praxi se používají dva typy senzorů vlhkosti, které měří obsah vody ve vzduchu: jeden měří relativní vlhkost, druhý rosné bod. V prostředí s vlhkostí alespoň 10 % rF se většinou používá přímé měření vlhkosti, zatímco při nízké vlhkosti je preferováno měření rosného bodu. V mimořádných případech je však možné použít i při vysoké vlhkosti.

K senzoru vlhkosti a rosného bodu patří:
1. Psychrometr
2. Mechanický hygrometr
3. Lithiumchloridový hygrometr
4. Odporový hygrometr
5. Kapacitní hygrometr
6. Rosný bodový reflektorový hygrometr

Senzory 1 - 6 jsou schopny měřit běžné okolní vlhkosti. Senzory 5 a 6 se dále používají při měření nízkých rosních bodů. Princip jednotlivých technologií je stručně popsán níže.

1. Psychrometr je jednoduchá forma hygrometru složeného ze dvou teploměrů. Suchý teploměr měří aktuální teplotu vzduchu, zatímco vlhký teploměr je obalen mokrou látkou. Chlazení je zajištěno odpařováním vody. Množství odpařování a vzniklá chladící účinek závisí na vlhkosti vzduchu. Rozdílem mezi oběma teplotami se pomocí tabulek nebo výpočtů určuje tlak vodní páry v okolním vzduchu a z toho se vypočítává relativní vlhkost. Tento postup se často používá v laboratořích a klimatických komorách.
2. Mechanický hygrometr měří vlhkost pomocí materiálu, který se při změně vlhkosti smršťuje nebo rozpíná, například lidské vlasy. Tento princip měření je používán již mnoho let. Přesnost tohoto způsobu není příliš vysoká.
3. Lithiumchloridový hygrometr funguje na základě hygroskopické vlastnosti (schopnosti látky přitahovat molekuly vody) lithiumchloridu. Senzor tvoří spirála obalená savým materiálem a potažená lithiumchloridem. Přes spirálu vede střídavý proud, který způsobuje její zahřívání. Při zahřívání se z lithiumchloridové vrstvy odpařuje voda, závisí-li na tlaku vodní páry v okolí. Čím suchější spirála je, tím vyšší je odpor v látce a tím méně prochází proud. To způsobí ochlazení spirály, které se dosáhne, když se dosáhne rovnovážného stavu, kdy voda není ani uvolňována, ani přijímána. Teplota tohoto bodu je přímo úměrná rosné teplotě okolního vzduchu.
4. Odporový hygrometr využívá skutečnosti, že elektrický odpor materiálu absorbujícího vlhkost se mění. Speciální senzory měří elektrický odpor mezi elektrodami. Tento odporový senzor je vhodný pro sériovou výrobu a je často používán v domácích spotřebičích a spotřebním zboží. Nicméně měření u těchto zařízení při velmi nízké nebo velmi vysoké vlhkosti není příliš přesné.
5. Kapacitní hygrometr měří vlhkost pomocí změny kapacity tenkého polymerního filmu. Tento typ senzoru dosahuje většinou dostatečné přesnosti a je často používán v průmyslu. Patentované senzory Vaisala HUMICAP® využívají právě tuto technologii.
6. Rosný bodový reflektorový hygrometr využívá tvorbu kondenzátu při rosné teplotě, když je vzduch ochlazován a obsahuje vodní páru. Spodní část reflektoru je ochlazena, dokud nedosáhne rosného bodu dané plynu. Při dosažení kondenzace se mění odraz světla od odrazové plochy. Pokud je povrch zrcadla v stabilním stavu, kdy dochází ke stejnému jevu odpařování i kondenzace, je teplota zrcadla rovna rosné teplotě okolního plynu. Tento typ senzoru se často používá ve výzkumných institucích.
Nejčastěji používané senzory ve čistých místnostech jsou odporové hygrometry, kapacitní hygrometry (rosný bod) a rosné bodové reflektory. Při výběru vhodného měřicího přístroje je důležité nejen sledovat cenu a technické specifikace, ale také zohlednit přesnost měření, odborné znalosti výrobce v různých aplikacích a dostupnost servisu. Tyto faktory pak výrazně přispívají k úspěšnému nasazení zařízení.

Pravidelné a zpětně dohledatelné kalibrace jsou důležité

Vždy je třeba zajistit, že hodnoty zobrazené měřicími přístroji jsou spolehlivé a přesné. Toho lze dosáhnout pravidelnou kalibrací, která je zásadní. Typické intervaly kalibrace jsou uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 2 ukazuje příklad zpětné dohledatelnosti pro stacionární měřicí přístroje vlhkosti a teploty. Ve světě jsou všechny měření založena na Mezinárodní soustavě jednotek (SI). Tento systém zajišťuje, že ve většině případů jsou používány stejné veličiny a že měření prováděná různými přístroji na různých místech jsou srovnatelná.
Každý poskytovatel kalibračních služeb by měl být schopen doložit platnou zpětnou dohledatelnost. Minimálně by měl být kalibrován alespoň jeden referenční vzorek v externím laboratoři, který se používá pro interní kalibraci.
V některých případech může být vhodné zřídit vlastní kalibrační středisko, například pokud je obtížné přemísťovat měřicí přístroje (kalibrace na místě) nebo pokud je potřeba velký počet měřicích zařízení. Pokud je zřízen interní kalibrační servis, je vhodné založit k tomu příslušnou instituci. Může se jednat o osobu nebo celou oddělení s odpovídajícím vedením a kalibračním personálem.
Laboratorní kalibrace je vždy vhodnější než kalibrace na místě. V laboratoři lze podstatně minimalizovat vliv okolního prostředí a tím i počet ovlivňujících faktorů. Kalibrace přímo v provozu je rychlý a jednoduchý způsob kontroly měřicích přístrojů, aniž by bylo nutné je odstraňovat z procesu nebo oblasti.
Pro tento typ kalibrace je nutný pracovní normál jako referenční vzorek. Tento pracovní normál může být přenosný nebo jinak vhodný měřicí přístroj, který slouží k kalibraci stacionárního zařízení. Pracovní normály jsou kalibrovány v nadřazených laboratořích.
Vaisala nabízí akreditované kalibrační služby pro své tlakové, teplotní, rosné bodové a vlhkostní měřicí přístroje. Tyto služby jsou dostupné prostřednictvím regionálních servisních center. Jsou k dispozici jak pro již nainstalované přístroje, tak při dodání nových zařízení.
Bezplatná kalibrační příručka od Vaisala je k dispozici na www.vaisala.com/calibrationbook. Kniha obsahuje užitečné informace ke všem otázkám týkajícím se kalibrace.