Medición de humedad en salas limpias

Medición de humedad en salas limpias

La elección de los instrumentos de medición adecuados es de suma importancia para lograr resultados óptimos. Esto también se aplica a las calibraciones, que deben realizarse a intervalos regulares y basarse en estándares trazables.

Una gran cantidad de productos, incluidos productos farmacéuticos y semiconductores, se fabrican en salas limpias. Por lo general, se supervisan la humedad, la temperatura, el contenido de partículas y la presión, ya que estos parámetros pueden tener un impacto significativo en la calidad y la productividad.

Humedad relativa

La humedad relativa (HR) indica la proporción del vapor de agua en la mezcla de gases de un entorno. Es la relación entre el contenido actual de vapor de agua en un espacio y la cantidad máxima posible de vapor de agua a la misma temperatura. Procesos como la expansión y contracción, el endurecimiento y ablandamiento de materiales, cambios en la viscosidad de un líquido, crecimiento de microbios, aumento de la electricidad estática, así como corrosión y formación de óxido, son en gran medida influenciados por la humedad.

Punto de rocío

El punto de rocío (Td) es la temperatura a la que una mezcla de gases debe enfriarse para que se produzca condensación. El punto de rocío es una magnitud que indica cantidades muy pequeñas de agua en una mezcla de gases, como el aire. En la microfabricación de semiconductores, las condiciones son muy secas, ya que las moléculas de agua se consideran contaminantes. Bajo estas condiciones, la humedad relativa se mantiene prácticamente constante en casi 0 % HR, pero en la escala del punto de rocío, incluso los cambios mínimos en el contenido de agua en el gas medido son fácilmente detectables.

Aplicaciones diferentes, requisitos diferentes

Los fabricantes de productos farmacéuticos suelen contar con un gran número de salas limpias. El control y registro de la temperatura y la humedad están sujetos a las estrictas normas de las GMP (Buenas Prácticas de Manufactura). La característica más importante que deben tener los sensores de humedad es una alta precisión. Por ello, es fundamental poder realizar calibraciones precisas para garantizar que los sensores no presenten deriva en sus mediciones a largo plazo.
En la industria alimentaria, la humedad en las salas de producción debe mantenerse en un valor específico o por debajo de un umbral, generalmente alrededor del 40 % o menos. Esto limita el crecimiento de gérmenes y bacterias que podrían causar intoxicaciones alimentarias.
En la fabricación de semiconductores y electrónica, la distancia entre generaciones de productos se acorta cada vez más. Como resultado, la supervisión de la humedad o del punto de rocío en el proceso de fabricación se vuelve cada vez más importante. En los mini-entornos de las plantas de producción, se exigen sistemas de medición de alta precisión con desviaciones de ±1 % HR.
La supervisión de la humedad también es crucial en instalaciones para la fabricación de pantallas de cristal líquido y tintas. En estos casos, la durabilidad y precisión de los sensores de humedad son fundamentales. En particular, en estas instalaciones, a menudo aparecen contaminantes del aire no deseados que pueden afectar los elementos del sensor.

Tecnologías de sensores para humedad y punto de rocío

En la práctica, se utilizan dos tipos de sensores de humedad que miden el contenido de agua en el aire: un tipo mide la humedad relativa y el otro el punto de rocío. En una atmósfera con un contenido de humedad de al menos el 10 % HR, se prefiere principalmente la medición directa de humedad, mientras que en ambientes con baja humedad se prefiere la medición del punto de rocío. Sin embargo, en casos especiales, también se emplea en condiciones de alta humedad.

Los sensores de humedad y punto de rocío incluyen:
1. Psicrómetro
2. Higrómetro mecánico
3. Higrómetro de cloruro de litio
4. Higrómetro de resistencia
5. Higrómetro capacitivo
6. Higrómetro de espejo de punto de rocío

Los sensores 1 a 6 son capaces de medir humedades ambientales normales. Además, los sensores 5 y 6 se utilizan para mediciones de temperaturas de punto de rocío bajas. A continuación, se describe brevemente el principio de cada tecnología.

1. El psicrómetro es una forma sencilla de higrómetro que consta de dos termómetros. El termómetro seco mide la temperatura actual del aire, mientras que el termómetro húmedo está envuelto en un paño húmedo. Se enfría mediante la evaporación del agua. La cantidad de evaporación y el enfriamiento por evaporación dependen de la humedad del aire. A partir de la diferencia entre las dos temperaturas, mediante tablas o cálculos, se determina la presión de vapor de agua en el aire y, en consecuencia, se calcula la humedad relativa. Este método se usa frecuentemente en laboratorios y cámaras climáticas.
2. En un higrómetro mecánico, la humedad se mide y registra mediante un material que se contrae o expande con los cambios de humedad, como el cabello humano. Este principio de medición se ha utilizado durante muchos años. La precisión del método no es especialmente alta.
3. El higrómetro de cloruro de litio funciona según un principio de medición basado en la propiedad higroscópica (capacidad de una sustancia para atraer moléculas de agua) del cloruro de litio. El sensor consiste en una bobina recubierta con un tejido absorbente, con una bobina bifilar (dos hilos aislados con corrientes opuestas). La bobina está recubierta de cloruro de litio. La corriente alterna pasa a través de la bobina y la solución de cloruro de litio, generando calor. Al calentar la bobina, el agua de la solución de cloruro de litio se evapora según la presión de vapor del agua en el aire circundante. Cuanto más seca esté la bobina, mayor será la resistencia en la solución y menor el flujo de corriente. Esto provoca que la bobina se enfríe nuevamente. Este ciclo de calentamiento y enfriamiento alcanza finalmente un equilibrio en el que el agua no se evapora ni se absorbe. La temperatura en este punto es directamente proporcional al punto de rocío del aire circundante.
4. En un higrómetro de resistencia, se aprovecha el hecho de que la resistencia eléctrica de un material que absorbe humedad cambia con la humedad. Se utilizan sensores especiales para medir la resistencia eléctrica entre electrodos. Este tipo de sensor resistivo es adecuado para mediciones en producción en serie y se emplea principalmente en electrodomésticos y bienes de consumo. Sin embargo, sus mediciones no son muy precisas en ambientes con humedad muy baja o muy alta.
5. Un higrómetro capacitivo mide la humedad aprovechando el cambio en la capacitancia de un polímero delgado. Este tipo de sensor suele ofrecer una precisión suficiente y se emplea frecuentemente en la industria. Los sensores de humedad Vaisala HUMICAP® patentados utilizan esta tecnología.
6. Un higrómetro de espejo de punto de rocío aprovecha la condensación que se produce en la superficie del espejo cuando la temperatura alcanza el punto de rocío del aire. Se enfría un espejo hasta que se alcanza el punto de rocío del gas en cuestión. Cuando se produce la condensación, la luz reflejada por la superficie del espejo cambia. Cuando la superficie del espejo alcanza un estado estable, en el que la evaporación y la condensación ocurren simultáneamente, la temperatura del espejo es igual a la temperatura del punto de rocío del gas circundante. Este tipo de sensor se usa con frecuencia en laboratorios de investigación.
Los sensores más utilizados en salas limpias son el higrómetro de resistencia, el higrómetro capacitivo (indicador de punto de rocío) y el higrómetro de espejo de punto de rocío. Al seleccionar un instrumento de medición adecuado, es importante no solo considerar los precios y las especificaciones del producto, sino también la precisión de la medición, los conocimientos del fabricante sobre diferentes aplicaciones y el servicio disponible. Estos factores contribuyen en gran medida al éxito en el uso de los dispositivos.

Es importante realizar calibraciones periódicas y trazables

Siempre debe asegurarse de que los valores mostrados por los instrumentos de medición sean confiables y precisos. Para ello, es fundamental realizar calibraciones periódicas. Los intervalos de calibración típicos se muestran en la Tabla 1.
La Tabla 2 presenta un ejemplo de cadena de trazabilidad para instrumentos de medición de humedad y temperatura estacionarios. A nivel mundial, todas las mediciones se basan en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Este sistema garantiza que las mismas magnitudes se utilicen en todas partes y que las mediciones realizadas con diferentes instrumentos en distintos lugares sean comparables.
Cada proveedor de servicios de calibración debe poder demostrar una cadena de trazabilidad válida. Al menos una referencia de laboratorio debe haber sido calibrada en un laboratorio externo, que luego se utilice para la calibración interna.
En algunos casos, puede ser conveniente establecer un laboratorio de calibración propio, por ejemplo, si es difícil mover los instrumentos (calibración in situ) o si se requiere un gran número de dispositivos. Si se crea un servicio de calibración interno, es recomendable establecer una institución específica para ello. Puede estar formada por una persona o por un departamento completo con personal de calibración y dirección adecuados.
Una calibración en laboratorio siempre es preferible a una calibración en el lugar. En un laboratorio, se pueden minimizar de manera significativa los efectos del entorno y otros factores que influyen en las mediciones. Las calibraciones en operación son una forma rápida y sencilla de verificar los instrumentos sin necesidad de retirarlos del proceso o área.
Para este tipo de calibración, es necesario un patrón de referencia de trabajo. Este patrón puede ser un instrumento portátil u otro equipo adecuado que se utilice para calibrar el dispositivo estacionario. Los patrones de referencia se calibran en laboratorios superiores.
Vaisala dispone de servicios de calibración reconocidos para sus instrumentos de medición de presión, temperatura, punto de rocío y humedad. Estos servicios se ofrecen a través de los centros de servicio regionales. Están disponibles tanto para equipos ya instalados como junto con la entrega de nuevos dispositivos.
Se puede solicitar un manual de calibración gratuito a Vaisala en www.vaisala.com/calibrationbook. El libro contiene información útil sobre todas las cuestiones relacionadas con la calibración.