Misurazione dell'umidità in ambienti puliti

La scelta degli strumenti di misura corretti è di fondamentale importanza per ottenere risultati ottimali. Questo vale anche per le calibrazioni, che dovrebbero essere eseguite a intervalli regolari e basate su standard tracciabili.

Una vasta gamma di prodotti, inclusi prodotti farmaceutici e semiconduttori, vengono realizzati in ambienti controllati. In genere si monitorano umidità, temperatura, contenuto di particelle e pressione, poiché questi parametri possono influenzare significativamente la qualità e la produttività.

Umidità Relativa

L'umidità relativa (UR) indica la percentuale di vapore acqueo nel miscuglio di gas di un ambiente. Esprime il rapporto tra il contenuto attuale di vapore acqueo in una stanza e il massimo possibile a quella temperatura. Processi come espansione e contrazione, indurimento e ammorbidimento dei materiali, variazioni della viscosità di un liquido, crescita di microbi, aumento dell'elettricità statica, così come corrosione e formazione di ruggine, sono in gran parte influenzati dall'umidità.

Punto di Rugiada

Il punto di rugiada (Td) è la temperatura alla quale un miscuglio di gas deve essere raffreddato per provocare condensazione. Il punto di rugiada è una grandezza che indica la quantità di acqua molto piccola presente in un gas, come ad esempio l'aria. In condizioni di micro lavorazione dei semiconduttori, si verificano condizioni molto secche, poiché le molecole d'acqua sono considerate contaminanti. In tali condizioni, l'umidità relativa è praticamente costante intorno allo 0% UR, ma sulla scala del punto di rugiada anche le minime variazioni del contenuto di acqua nel gas misurato sono facilmente rilevabili.

Applicazioni diverse, requisiti diversi

I produttori di prodotti farmaceutici di solito dispongono di un gran numero di ambienti controllati. La regolazione e la registrazione di temperatura e umidità sono soggette alle rigide regole delle GMP (Good Manufacturing Practice). La caratteristica più importante richiesta ai sensori di umidità è un'alta precisione. È quindi estremamente importante poter eseguire calibrazioni precise per garantire che i sensori non presentino drift nel tempo.
Nell'industria alimentare, l'umidità nelle aree di produzione deve essere mantenuta a un certo livello o al di sotto di un valore specifico. Valori come il 40% o inferiori sono generalmente comuni. Ciò limita la crescita di germi e batteri che potrebbero causare intossicazioni alimentari.
Nella produzione di semiconduttori ed elettronica, l'intervallo tra le generazioni di prodotti si riduce sempre di più. Di conseguenza, il monitoraggio dell'umidità o del punto di rugiada nel processo di produzione diventa sempre più importante. Nei mini-ambienti degli stabilimenti di produzione, sono richiesti sistemi di misura ad alta precisione con deviazioni di +/-1% UR.
L'importanza del monitoraggio dell'umidità è elevata anche negli impianti per la produzione di schermi a cristalli liquidi e colori. In questi casi, la durata e la precisione dei sensori di umidità rivestono un ruolo cruciale. Spesso, in tali impianti di produzione, si verificano inquinanti atmosferici indesiderati che influenzano gli elementi sensore.

Tecnologie dei sensori per umidità e punto di rugiada

In pratica, vengono utilizzati due tipi di sensori di umidità, che misurano il contenuto di acqua nell'aria: un tipo di sensore misura l'umidità relativa, l'altro il punto di rugiada. In un'atmosfera con un contenuto di umidità di almeno il 10% UR, si preferisce generalmente una misurazione diretta dell'umidità, mentre a bassi livelli di umidità si predilige la misurazione del punto di rugiada. Tuttavia, in casi particolari, questa viene utilizzata anche a umidità elevata.

I sensori di umidità e punto di rugiada includono:
1. Psicrometro
2. Igrometro meccanico
3. Igrometro al cloruro di litio
4. Igrometro a resistenza
5. Igrometro capacitivo
6. Igrometro a specchio del punto di rugiada

I sensori da 1 a 6 sono in grado di misurare l'umidità ambientale normale. I sensori 5 e 6 vengono inoltre utilizzati per la misurazione di temperature di punto di rugiada molto basse. Di seguito viene brevemente descritto il principio di funzionamento di ciascuna tecnologia.

1. Il psicrometro è una forma semplice di igrometro costituita da due termometri. Il termometro secco
misura la temperatura dell'aria attuale, mentre il termometro umido è rivestito con un panno bagnato. Viene raffreddato dall'evaporazione dell'acqua. La quantità di evaporazione e il raffreddamento da essa derivante dipendono dall'umidità dell'aria. Dalla differenza tra le due temperature si calcola, tramite tabelle o formule, la pressione di vapore acqueo nell'aria e quindi si determina l'umidità relativa. La tecnica è spesso utilizzata in laboratori e camere climatiche.
2. Nel caso di igrometro meccanico, l'umidità viene misurata e registrata tramite un materiale che si restringe o si espande in funzione dell'umidità, come ad esempio i capelli umani. Questo principio di misurazione è stato utilizzato per molti anni. La precisione di questa tecnica non è particolarmente elevata.
3. L'igrometro al cloruro di litio funziona secondo un principio di misura basato sulla proprietà igroscopica (capacità di assorbire molecole d'acqua) del cloruro di litio. Il sensore consiste in una bobina rivestita con un tessuto assorbente, con una bobina bifilare (due fili isolati con correnti opposte). La bobina è rivestita di cloruro di litio. Attraverso la bobina e la soluzione di cloruro di litio, viene fatta passare una corrente alternata che provoca riscaldamento. Riscaldando la bobina, l'acqua evapora dalla soluzione di cloruro di litio, dipendentemente dalla pressione di vapore dell'acqua nell'aria circostante. Più la bobina si asciuga, maggiore diventa la resistenza nella soluzione e minore è il flusso di corrente attraverso la bobina, causando un raffreddamento della stessa. Questo ciclo di riscaldamento e raffreddamento raggiunge infine uno stato di equilibrio, in cui l'acqua non viene né assorbita né rilasciata. La temperatura a questo punto è direttamente proporzionale al punto di rugiada dell'aria circostante.
4. Nel caso di igrometro a resistenza, si sfrutta il fatto che la resistenza elettrica di un materiale assorbente umidità cambia. Sensori speciali vengono utilizzati per misurare la resistenza elettrica tra gli elettrodi. Questo tipo di sensore resistivo è adatto per misure in produzione di serie e viene impiegato principalmente nel settore degli elettrodomestici e dei beni di consumo. Tuttavia, le misurazioni di questi dispositivi non sono molto precise in ambienti con umidità molto bassa o molto alta.
5. Un igrometro capacitivo misura l'umidità sfruttando la variazione di capacità di un polimero sottile. Questo tipo di sensore raggiunge generalmente una precisione sufficiente ed è molto usato in ambito industriale. I sensori di umidità Vaisala HUMICAP® brevettati utilizzano questa tecnologia.
6. Un igrometro a specchio del punto di rugiada sfrutta la formazione di condensa alla temperatura di rugiada quando l'aria viene raffreddata, contenente vapore acqueo. Si raffredda uno specchio fino a raggiungere il punto di rugiada del gas in questione. Quando si raggiunge lo stato di condensa, la luce riflessa dalla superficie dello specchio cambia. Quando la superficie dello specchio raggiunge uno stato stabile, in cui evaporazione e condensazione avvengono contemporaneamente, la temperatura dello specchio è uguale alla temperatura di rugiada dell'aria circostante. Questo tipo di sensore è spesso utilizzato in laboratori di ricerca.
I sensori più comunemente impiegati nelle camere bianche sono l'igrometro a resistenza, l'igrometro capacitivo (indicatore del punto di rugiada) e l'igrometro a specchio del punto di rugiada. Nella scelta di uno strumento di misura adeguato, è importante non solo considerare prezzi e specifiche di prodotto, ma anche la precisione di misura, la competenza del produttore in diversi campi applicativi e il servizio disponibile. Questi fattori contribuiscono in modo determinante al successo nell'impiego degli strumenti.

Calibrazioni regolari e tracciabili sono importanti

È sempre importante assicurarsi che i valori visualizzati dagli strumenti di misura siano affidabili e precisi. Per questo, è fondamentale eseguire calibrazioni regolari. Gli intervalli di calibrazione tipici sono riportati nella Tabella 1.
La Tabella 2 mostra un esempio di catena di tracciabilità per strumenti di misura di umidità e temperatura stazionari. Tutte le misurazioni nel mondo si basano sul Sistema Internazionale di Unità (SI). Questo sistema garantisce che le stesse grandezze siano utilizzate ovunque e che le misurazioni effettuate con strumenti diversi in luoghi diversi siano confrontabili.
Ogni fornitore di servizi di calibrazione dovrebbe poter dimostrare una catena di tracciabilità valida. È necessario che almeno una calibrazione di riferimento di laboratorio sia stata eseguita presso un laboratorio esterno, che viene poi utilizzato per la calibrazione interna.
In alcuni casi, può essere utile istituire un centro di calibrazione aziendale, ad esempio se è difficile spostare gli strumenti di misura (calibrazione in loco) o se sono necessari molti strumenti. Se si istituisce un servizio di calibrazione interno, è consigliabile creare un'istituzione dedicata, costituita da una persona o da un intero reparto con personale qualificato per la calibrazione.
Una calibrazione di laboratorio è sempre preferibile rispetto a una calibrazione in loco. In laboratorio, si possono minimizzare significativamente gli effetti dell'ambiente e di altri fattori influenti. Le calibrazioni in azienda sono un modo rapido e semplice per verificare gli strumenti di misura senza doverli rimuovere dal processo o dal reparto.
Per questa tipologia di calibrazione, è necessario un normale di lavoro come riferimento. Il normale di lavoro può essere uno strumento portatile o comunque adatto, utilizzato per calibrare lo strumento fisso. I normali di lavoro vengono calibrati in laboratori di livello superiore.
Vaisala dispone di servizi di calibrazione riconosciuti per i suoi strumenti di misura di pressione, temperatura, punto di rugiada e umidità. Questi servizi sono offerti attraverso i centri di assistenza regionali. Sono disponibili sia per gli strumenti già installati che in combinazione con la consegna di nuovi strumenti.
Un manuale di calibrazione gratuito di Vaisala può essere richiesto su www.vaisala.com/calibrationbook. Il manuale contiene informazioni utili su tutte le questioni relative alla calibrazione.