Mesure de l'humidité dans des salles propres

Le choix des bons appareils de mesure est d'une importance capitale pour atteindre des résultats optimaux. Cela s'applique également aux étalonnages, qui doivent être effectués à intervalles réguliers et basés sur des normes traçables.

Une grande variété de produits, y compris des produits pharmaceutiques et des semi-conducteurs, sont fabriqués en salles blanches. En général, l'humidité, la température, la teneur en particules et la pression sont surveillées, car ces paramètres peuvent avoir une influence considérable sur la qualité et la productivité.

Humidité relative

L'humidité relative (HR) désigne la proportion de vapeur d'eau dans le mélange gazeux d'un environnement. Elle indique le rapport entre la teneur actuelle en vapeur d'eau dans une pièce et la teneur maximale possible à la même température. Des phénomènes tels que l'expansion et la contraction, le durcissement et le ramollissement des matériaux, la modification de la viscosité d'un liquide, la croissance de micro-organismes, l'augmentation de l'électricité statique ainsi que la corrosion et la rouille sont en grande partie influencés par l'humidité.

Point de rosée

Le point de rosée (Td) est la température à laquelle un mélange gazeux doit être refroidi pour provoquer la condensation. Le point de rosée est une grandeur qui permet d'indiquer des quantités très faibles d'eau dans un mélange gazeux, comme par exemple l'air. Lors de la micro-fabrication de semi-conducteurs, des conditions très sèches prévalent, car les molécules d'eau sont considérées comme des contaminants. Dans de telles conditions, l'humidité relative reste pratiquement constante à près de 0 % HR, mais même de très petites variations de la teneur en eau dans le gaz mesuré peuvent être facilement détectées sur l'échelle du point de rosée.

Applications différentes, exigences différentes

Les fabricants de produits pharmaceutiques disposent généralement d'un grand nombre de salles blanches. La régulation et l'enregistrement de la température et de l'humidité sont soumis à des règles strictes de la GMP (Good Manufacturing Practice). La propriété la plus importante exigée des capteurs d'humidité est une grande précision. Il est donc essentiel de pouvoir effectuer des étalonnages précis pour garantir que les capteurs ne présentent pas de dérive des valeurs de mesure à long terme.
Dans l'industrie agroalimentaire, l'humidité dans les salles de production doit être maintenue à une valeur spécifique ou en dessous d'une certaine limite. Des valeurs d'environ 40 % ou moins sont généralement courantes. Cela limite la croissance de germes et de bactéries pouvant causer des intoxications alimentaires.
Dans la fabrication de semi-conducteurs et d'électronique, l'écart entre les générations de produits se réduit de plus en plus. Il en résulte que la surveillance de l'humidité ou du point de rosée dans le processus de fabrication devient de plus en plus importante. Dans les mini-environnements des sites de production, des systèmes de mesure très précis avec des écarts de +/-1 % HR sont de plus en plus demandés.
Il est également crucial de surveiller l'humidité dans les installations de fabrication d'écrans à cristaux liquides et de peintures. Dans ces cas, la durabilité et la précision des capteurs d'humidité jouent un rôle majeur. Ces installations de production sont souvent sujettes à la présence de polluants atmosphériques indésirables, qui peuvent influencer les éléments sensibles des capteurs.

Technologies de capteurs pour l'humidité et le point de rosée

En pratique, deux types de capteurs d'humidité sont utilisés pour mesurer la teneur en eau de l'air : un type de capteur mesure l'humidité relative, l'autre le point de rosée. Dans une atmosphère avec une teneur en humidité d'au moins 10 % HR, la mesure directe de l'humidité est généralement privilégiée, tandis qu'en cas d'humidité faible, la mesure du point de rosée est préférée. Cependant, dans certains cas, cette dernière peut également être utilisée à des humidités élevées.

Les capteurs d'humidité et de point de rosée comprennent :
1. Psychromètre
2. Hygromètre mécanique
3. Hygromètre au chlorure de lithium
4. Hygromètre à résistance
5. Hygromètre capacitif
6. Hygromètre à miroir de point de rosée

Les capteurs 1 à 6 sont capables de mesurer l'humidité ambiante normale. Les capteurs 5 et 6 sont également utilisés pour la mesure de faibles températures de point de rosée. La description succincte du principe de chaque technologie est donnée ci-après.

1. Le psychromètre est une forme simple d'hygromètre composé de deux thermomètres. Le thermomètre sec mesure la température ambiante actuelle, tandis que le thermomètre humide est enveloppé dans un chiffon mouillé. Il est refroidi par évaporation de l'eau. La quantité d'évaporation ainsi que le refroidissement par évaporation dépendent de l'humidité de l'air. La différence entre les deux températures permet, à l'aide de tableaux ou de calculs, de déterminer la pression de vapeur d'eau dans l'air ambiant et d'en déduire l'humidité relative. Cette méthode est souvent utilisée dans les laboratoires et les chambres climatiques.
2. Avec un hygromètre mécanique, l'humidité est mesurée et enregistrée à l'aide d'un matériau qui se contracte ou se dilate en fonction de l'humidité, comme par exemple un cheveu humain. Ce principe de mesure est utilisé depuis de nombreuses années. La précision de cette méthode n'est pas particulièrement élevée.
3. L'hygromètre au chlorure de lithium fonctionne selon un principe de mesure basé sur la propriété hygroscopique (capacité d'une substance à attirer les molécules d'eau) du chlorure de lithium. Le capteur consiste en une bobine entourée d’un tissu absorbant, recouverte de chlorure de lithium. Un courant alternatif est appliqué à la bobine et à la solution de chlorure de lithium pour la chauffer. Lors du chauffage, l’eau s’évapore de la solution, en fonction de la pression de vapeur d’eau de l’air ambiant. Plus la bobine devient sèche, plus sa résistance augmente, et le courant dans la bobine diminue. La bobine se refroidit alors. Cet équilibrage thermique, où l’eau n’est ni absorbée ni libérée, permet de déterminer la température du point de rosée, directement proportionnelle à la température de rosée de l’air ambiant.
4. Avec un hygromètre à résistance, on exploite le fait que la résistance électrique d’un matériau hygroscopique change en fonction de l’humidité. Des capteurs spécifiques mesurent cette résistance entre les électrodes. Ce type de capteur résistif est adapté pour des mesures en production en série et est principalement utilisé dans les appareils ménagers et les biens de consommation. Cependant, ses mesures ne sont pas très précises dans des environnements à humidité très faible ou très élevée.
5. Un hygromètre capacitif mesure l’humidité en utilisant la variation de capacité d’un polymère mince. Ce type de capteur offre généralement une précision suffisante et est couramment utilisé dans l’industrie. Les capteurs d’humidité Vaisala HUMICAP® brevetés utilisent cette technologie.
6. Un hygromètre à miroir de point de rosée exploite la formation de condensation à la température du point de rosée lorsque l’air est refroidi, contenant de la vapeur d’eau. Un miroir est refroidi jusqu’à atteindre le point de rosée du gaz concerné. Lorsque la condensation se produit, la lumière réfléchie par la surface du miroir change. Lorsque la surface du miroir atteint un état stable, où évaporation et condensation coexistent, la température du miroir est égale à la température du point de rosée du gaz environnant. Ce type de capteur est souvent utilisé dans les instituts de recherche.
Les capteurs les plus couramment utilisés en salles blanches sont l’hygromètre à résistance, l’hygromètre capacitif (indicateur de point de rosée) et l’hygromètre à miroir de point de rosée. Lors du choix d’un appareil de mesure approprié, il est important de ne pas se limiter aux prix et aux spécifications du produit, mais aussi de prendre en compte la précision de mesure, l’expertise du fabricant dans différents domaines d’application ainsi que le service disponible. Ces facteurs contribuent grandement à la réussite de l’utilisation des appareils.

Des étalonnages réguliers et traçables sont essentiels

Il est toujours important de garantir que les valeurs affichées par les appareils de mesure sont fiables et précises. Pour cela, un étalonnage régulier est indispensable. Les intervalles d’étalonnage typiques sont indiqués dans le tableau 1.
Le tableau 2 présente un exemple de chaîne de traçabilité pour des appareils de mesure de l’humidité et de la température stationnaires. Partout dans le monde, toutes les mesures sont basées sur le Système international d’unités (SI). Ce système garantit que les mêmes grandeurs sont utilisées autant que possible partout, et que les mesures effectuées avec différents appareils en différents endroits sont comparables.
Chaque fournisseur de services d’étalonnage doit pouvoir démontrer une chaîne de traçabilité valide. Au moins un étalon de laboratoire doit avoir été étalonné dans un laboratoire externe, qui sera ensuite utilisé pour l’étalonnage interne.
Dans certains cas, il peut être judicieux d’établir un service d’étalonnage interne à l’entreprise, notamment si la manipulation des appareils est difficile (étalonnage sur site) ou si un grand nombre d’appareils doit être étalonné. Lorsqu’un service d’étalonnage interne est mis en place, il est conseillé de créer une institution dédiée. Celle-ci peut être composée d’une seule personne ou d’un service entier avec une direction et un personnel d’étalonnage.
Une étalonnation en laboratoire est toujours préférable à une étalonnation sur site. En laboratoire, il est possible de minimiser de manière significative l’impact de l’environnement et des facteurs influents. Les étalonnages en opération sont une méthode rapide et simple pour vérifier les appareils sans devoir les retirer du processus ou de la zone.
Pour ce type d’étalonnage, un étalon de référence de travail est nécessaire. Cet étalon peut être un appareil portable ou tout autre dispositif approprié utilisé pour l’étalonnage de l’appareil stationnaire. Les étalons de travail sont étalonnés dans des laboratoires de référence supérieurs.
Vaisala dispose de services d’étalonnage reconnus pour ses appareils de mesure de la pression, de la température, du point de rosée et de l’humidité. Ces services sont proposés via les centres de service régionaux. Ils sont disponibles aussi bien pour les appareils déjà installés que lors de la livraison de nouveaux appareils.
Un manuel d’étalonnage gratuit de Vaisala peut être demandé sur www.vaisala.com/calibrationbook. Ce livre contient des informations utiles sur toutes les questions relatives à l’étalonnage.

Références : Arun S. Mujumdar ; Handbook of Industrial Drying (2006)
Vaisala Calibration Book (2007)