Páratartalom mérés tiszta helyiségekben

Páratartalom mérés tiszta helyiségekben

A megfelelő mérőeszközök kiválasztása a legfontosabb a legjobb mérési eredmények eléréséhez. Ez vonatkozik a kalibrációkra is, amelyeket rendszeresen el kell végezni, és amelyek visszavezethetők a szabványokra.

Számos termék, beleértve a gyógyszerészeti termékeket és félvezetőket, tisztaterekben készül. Általában a nedvességet, hőmérsékletet, részecskeszámot és nyomást figyelik, mivel ezek a paraméterek jelentős hatással lehetnek a minőségre és a termelékenységre.

Relatív páratartalom

A rel. páratartalom (rF) a vízgőz arányát jelzi egy környezet gázelegyében. Megmutatja az adott helyiségben lévő vízgőz aktuális tartalmának és ugyanazon hőmérsékleten elérhető maximális vízgőztartalomnak az arányát. Olyan folyamatok, mint az anyagok tágulása és összehúzódása, megkeményedése és lágyulása, a folyadék viszkozitásának változása, mikroorganizmusok növekedése, a statikus elektromosság növekedése, valamint a korrózió és rozsda kialakulása nagyrészt a páratartalomtól függnek.

Páradiffúzió

A páradiffúzió (Td) az a hőmérséklet, amelyen egy gázelegynek le kell hűlnie, hogy kondenzáció lépjen fel. A páradiffúzió egy olyan érték, amellyel nagyon kis vízmennyiség is megadható egy gázelegyben, például levegőben. Félvezetők mikrofeldolgozásakor nagyon száraz körülmények uralkodnak, mivel a vízmolekulákat szennyező anyagoknak tekintik. Ilyen körülmények között a rel. páratartalom gyakorlatilag 0%-rF körül van, ugyanakkor a páradiffúzió skálán még a legkisebb víztartalom-változások is könnyen kimutathatók a mérendő gázban.

Különböző alkalmazások, különböző követelmények

A gyógyszeripari gyártók általában sok tisztatérrel rendelkeznek. A hőmérséklet és a páratartalom szabályozása és nyilvántartása szigorú GMP (Good Manufacturing Practice) szabályoknak felel meg. A legfontosabb tulajdonság, amit a páratartalom érzékelőktől elvárnak, a magas pontosság. Ezért rendkívül fontos a precíz kalibráció elvégzése, hogy biztosak legyünk abban, hogy a szenzorok hosszú távon nem mutatnak mérési eltérést.
Az élelmiszeriparban a páratartalomnak egy adott értéken kell lennie vagy alatta kell maradnia a gyártási helyiségekben. Általánosan elfogadott érték például a 40% vagy az alacsonyabb. Ez korlátozza a kórokozók és baktériumok növekedését, amelyek ételmérgezést okozhatnak.
A félvezető- és elektronikai gyártásban egyre rövidebbek a terméksorozatok közötti időszakok. Ennek eredményeként egyre fontosabbá válik a páratartalom és a páradiffúzió figyelemmel kísérése a gyártási folyamat során. A gyártóhelyek mini-környezetében egyre gyakrabban van szükség rendkívül pontos mérőrendszerekre, +/-1% rF eltéréssel.
Különösen fontos a páratartalom figyelése folyadékkristályos kijelzők és festékek gyártásánál. Ezekben az esetekben a páratartalom érzékelők tartóssága és pontossága kiemelten fontos. Különösen ilyen gyártási berendezéseknél fordulnak elő nem kívánt levegőszennyező anyagok, amelyek befolyásolhatják a szenzor elemeit.

Szenzortechnológiák a páratartalom és a páradiffúzió mérésére

A gyakorlatban kétféle páratartalom érzékelőt használnak, amelyek a levegő víztartalmát mérik: egy típus a relatív páratartalmat, a másik a páradiffúziót. Olyan atmoszférában, ahol a páratartalom legalább 10% rF, általában közvetlen páratartalom-mérést alkalmaznak, míg alacsony páratartalom esetén a páradiffúzió mérését részesítik előnyben. Különleges esetekben azonban magas páratartalom mellett is alkalmazzák ezt.

A páratartalom- és páradiffúzió-érzékelők közé tartozik:
1. Psychrométer
2. Mechanikus higrométer
3. Lítium-klorid higrométer
4. Ellenállás-alapú higrométer
5. Kapacitív higrométer
6. Páradiffúzió tükrös higrométer

Az 1-6. számú érzékelők képesek mérni a normál környezeti páratartalmat. Az 5. és 6. típusú érzékelőket alacsony páradiffúzió mérésére is használják. Az egyes technológiák rövid leírását az alábbiakban találja.

1. A psychrométer egy egyszerű higrométer, amely két hőmérőt tartalmaz. A száraz hőmérő
a jelenlegi levegőhőmérsékletet méri, míg a nedves hőmérő egy nedves ruhával van borítva. A víz párolgása által hűl meg. A párolgás mennyisége és az ezzel járó párolgási hűtés a levegő páratartalmától függ. A két hőmérséklet különbségéből táblázatok vagy számítások segítségével meghatározható a környezeti vízgőznyomás, és ebből számítható a relatív páratartalom. Ezt a módszert gyakran alkalmazzák laboratóriumokban és klimatikus próbatermekben.
2. Egy mechanikus higrométer a páratartalmat egy anyag segítségével méri és rögzíti, amely változó páratartalom mellett összehúzódik vagy kitágul, például emberi haj. Ezt a mérési elvet már régóta alkalmazzák. A módszer pontossága nem túl magas.
3. A lítium-klorid higrométer egy olyan mérési elvre épül, amely a lítium-klorid hygroszkópos tulajdonságán (vízmolekulák vonzásán) alapul. A szenzor egy szívóképes szövetbe burkolt tekercsből áll, bifiláris tekercseléssel (két szigetelt vezeték, amelyek ellenkező irányban folyó árammal vannak összekötve). A tekercs lítium-kloriddal van bevonva. A tekercs és a lítium-klorid oldat között váltakozó áram folyik, amely fűtést eredményez. A tekercs melegítésével víz párolog el a lítium-klorid oldatból, a vízgőznyomástól függően. Minél szárazabb a tekercs, annál magasabb az ellenállás az oldatban, és a folyamat során csökken az áram. Ez a hűtéshez vezet. Ez a fűtés és hűtés végül egy egyensúlyi állapotot eredményez, amikor a víz nem adódik le, sem nem szívódik fel. Ennek a pontnak a hőmérséklete közvetlenül arányos a környezeti vízparadiffúzióval.
4. Egy ellenállás-alapú higrométer azzal a ténytel használ, hogy a nedvességet felvevő anyag elektromos ellenállása változik. Különleges érzékelőket használnak az elektromos ellenállás mérésére az elektródák között. Ez a rezisztív típusú érzékelő alkalmas sorozatgyártásban történő mérésre, és elsősorban háztartási készülékek és fogyasztási cikkek mérésére alkalmazzák. Azonban ezeknek az eszközöknek a mérései nagyon alacsony vagy magas páratartalom mellett nem túl pontosak.
5. Egy kapacitív higrométer a páratartalmat egy vékony rétegű polimer kapacitásváltozásának mérésével érzékeli. Ez a szenzortípus általában megfelelő pontosságot ér el, és gyakran alkalmazzák az iparban. A szabadalmaztatott Vaisala HUMICAP® páratartalom érzékelők ezt a technológiát használják.
6. Egy páradiffúzió tükrös higrométer a kondenzáció kialakulását használja ki a páradiffúziós hőmérsékleten, amikor a levegő hűl, vízgőzt tartalmaz. Egy tükröt hűtenek, amíg el nem éri a gáz páradiffúziós hőmérsékletét. A kondenzációs állapot elérésével a tükrözött fény megváltozik. Amikor a tükör felülete stabil állapotba kerül, ahol az elpárolgás és a kondenzáció egyidejűleg zajlik, a tükör hőmérséklete megegyezik a környezeti gáz páradiffúziós hőmérsékletével. Ezt a típusú érzékelőt gyakran használják kutatóintézetekben.
A tisztaterekben leggyakrabban alkalmazott érzékelők a rezisztív higrométer, a kapacitív higrométer (páradiffúziós kijelző) és a páradiffúziós tükrös higrométer. A megfelelő mérőeszköz kiválasztásakor fontos nemcsak az árakat és a termék specifikációit figyelembe venni, hanem a mérési pontosságot, a gyártó szakértelmét különböző alkalmazási területeken, valamint az elérhető szervizszolgáltatásokat is.

A rendszeres és visszakövethető kalibrációk elengedhetetlenek

Mindig biztosítani kell, hogy a mérőeszközök által mutatott értékek megbízhatóak és pontosak legyenek. Ehhez rendszeres kalibrációra van szükség, amely alapvető fontosságú. A tipikus kalibrálási időközöket az 1. táblázat tartalmazza.
A 2. táblázat példát mutat egy állandó páratartalom- és hőmérsékletmérő kalibrálási láncára. Világszerte minden mérés az SI (Nemzetközi Egységrendszer) rendszerén alapul. Ez biztosítja, hogy a lehető legnagyobb egységesség legyen, és a különböző helyeken végzett mérések összehasonlíthatóak legyenek.
Minden kalibrálási szolgáltató képesnek kell lennie igazolni egy érvényes visszakövethetőségi láncot. Legalább egy laboratóriumi referencia kell, hogy külső laboratóriumban kalibrálva legyen, amelyet azután belső kalibrációra használnak.
Bizonyos esetekben célszerű lehet saját kalibrálóhelyet működtetni, például ha nehéz a mérőeszközök mozgatása (helyszíni kalibráció), vagy ha sok mérőeszközre van szükség. Ha saját kalibráló szolgáltatást hoznak létre, érdemes egy erre szakosodott intézményt alapítani, amely lehet egy személy vagy egy teljes osztály vezetővel és kalibrációs személyzettel.
A laboratóriumi kalibráció mindig előnyösebb, mint a helyszíni kalibráció. Egy laboratóriumban jelentősen csökkenthetők a környezeti hatások és a befolyásoló tényezők. A gyártási helyen végzett kalibráció gyors és egyszerű módja a mérőeszközök ellenőrzésének anélkül, hogy azokat ki kellene venni a folyamatból vagy a területről.
Ezen kalibráció típushoz munkaszabványra van szükség, amely lehet hordozható vagy más módon alkalmas mérőeszköz, amit a helyszíni mérőeszköz kalibrálására használnak. A munkaszabványokat felügyelő laboratóriumok kalibrálják.
A Vaisala elismert kalibrálási szolgáltatásokat nyújt nyomás-, hőmérséklet-, páradiffúzió- és páratartalom-mérőeszközeire. Ezeket a szolgáltatásokat regionális szervizközpontokon keresztül kínálják. Elérhetők már telepített eszközökhöz és új eszközök szállításával együtt is.
A Vaisala ingyenes kalibrálási kézikönyvet kínál, amelyet a www.vaisala.com/calibrationbook címen lehet kérni. A könyv hasznos információkat tartalmaz minden a kalibrációval kapcsolatos kérdéshez.

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