Pomiar wilgotności w pomieszczeniach czystych

Pomiar wilgotności w pomieszczeniach czystych

Dobór odpowiednich urządzeń pomiarowych ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia optymalnych wyników pomiarów. Dotyczy to również kalibracji, które powinny być przeprowadzane regularnie i opierać się na standardach odtwarzalnych.

Wiele produktów, w tym produkty farmaceutyczne i półprzewodniki, jest wytwarzanych w pomieszczeniach czystych. Zazwyczaj monitoruje się wilgotność, temperaturę, ilość cząstek i ciśnienie, ponieważ te parametry mogą mieć istotny wpływ na jakość i wydajność produktu.

Wilgotność względna

Wilgotność względna (rF) określa udział pary wodnej w mieszaninie gazów otoczenia. Podaje stosunek aktualnej zawartości pary wodnej w pomieszczeniu do maksymalnej możliwej zawartości pary wodnej przy tej samej temperaturze. Procesy takie jak rozszerzanie i kurczenie się, twardnienie i zmiękczanie materiałów, zmiana lepkości cieczy, wzrost mikroorganizmów, wzrost ładunku statycznego oraz korozja i rdzewienie są w dużej mierze zależne od wilgotności.

Temperatura punktu rosy

Temperatura punktu rosy (Td) to temperatura, do której musi zostać schłodzony mieszanina gazów, aby doszło do kondensacji. Temperatura punktu rosy jest wielkością, która pozwala określić bardzo małe ilości wody w mieszaninie gazów, takich jak powietrze. W warunkach mikroobróbki półprzewodników panują bardzo suche warunki, ponieważ cząsteczki wody są traktowane jako zanieczyszczenia. W takich warunkach wilgotność względna jest praktycznie stała na poziomie niemal 0% rF, jednak nawet najmniejsze zmiany zawartości wody w mierzonym gazie są na skali punktu rosy łatwo wykrywalne.

Różne zastosowania, różne wymagania

Producenci produktów farmaceutycznych zazwyczaj dysponują dużą liczbą pomieszczeń czystych. Sterowanie i rejestracja temperatury i wilgotności podlega surowym przepisom GMP (Dobra Praktyka Produkcyjna). Najważniejszą cechą, którą muszą spełniać czujniki wilgotności, jest wysoka dokładność. Dlatego niezwykle istotne jest przeprowadzanie precyzyjnych kalibracji, aby zapewnić, że czujniki nie będą wykazywać długoterminowej dryfu pomiarowego.
W przemyśle spożywczym wilgotność w pomieszczeniach produkcyjnych musi mieścić się w określonych granicach lub być poniżej nich. Powszechnie stosowane są wartości np. 40% lub mniej. Zapobiega to rozwojowi drobnoustrojów i bakterii, które mogą powodować zatrucia pokarmowe.
W produkcji półprzewodników i elektroniki coraz krótsze są przerwy między generacjami produktów. W związku z tym monitorowanie wilgotności i punktu rosy w procesie produkcyjnym staje się coraz ważniejsze. W mini-środowiskach zakładów produkcyjnych coraz częściej wymaga się wysokiej precyzji systemów pomiarowych z odchyleniami +/-1% rF.
Bardzo istotne jest również monitorowanie wilgotności w urządzeniach do produkcji wyświetlaczy ciekłokrystalicznych i farb. W takich przypadkach ważna jest trwałość i dokładność czujników wilgotności. Szczególnie w takich zakładach często występują niepożądane zanieczyszczenia powietrza, które mogą wpływać na elementy czujników.

Technologie czujników dla wilgotności i punktu rosy

W praktyce stosuje się dwa rodzaje czujników wilgotności, które mierzą zawartość wody w powietrzu: jeden typ czujnika mierzy wilgotność względną, drugi punkt rosy. W atmosferze o zawartości wilgoci co najmniej 10% rF najczęściej stosuje się bezpośredni pomiar wilgotności, natomiast przy niskiej wilgotności preferowany jest pomiar punktu rosy. W szczególnych przypadkach te metody są również stosowane przy wysokiej wilgotności.

Do czujników wilgotności i punktu rosy należą:
1. Psychrometr
2. Higrometr mechaniczny
3. Higrometr chlorku litu
4. Higrometr oporowy
5. Higrometr kapacytacyjny
6. Higrometr z lustrem punktu rosy

Czujniki 1 - 6 są zdolne do pomiaru normalnej wilgotności otoczenia. Czujniki 5 i 6 są również stosowane do pomiaru niskich temperatur punktu rosy. Poniżej krótki opis zasad działania poszczególnych technologii.

1. Psychrometr jest prostą formą higrometru, składającą się z dwóch termometrów. Termometr suchy
mierzy aktualną temperaturę powietrza, natomiast termometr wilgotny jest owinięty mokrym materiałem. Jest chłodzony przez parowanie wody. Zarówno ilość parowania, jak i powstające podczas niego chłodzenie parne zależą od wilgotności powietrza. Różnicę między dwoma temperaturami wykorzystuje się do wyliczenia ciśnienia pary wodnej w otoczeniu za pomocą tabel lub obliczeń, a na tej podstawie oblicza się wilgotność względną. Metoda ta jest często stosowana w laboratoriach i komorach klimatycznych.
2. W przypadku higrometru mechanicznego wilgotność jest mierzona i rejestrowana za pomocą materiału, który kurczy się lub rozpręża przy zmianie wilgotności, np. ludzkie włosy. Zasada ta jest stosowana od wielu lat. Dokładność tej metody nie jest szczególnie wysoka.
3. Higrometr chlorku litu działa na zasadzie pomiaru opartej na higroskopijnej właściwości (zdolności do przyciągania cząsteczek wody) chlorku litu. Czujnik składa się z cewki owiniętej materiałem chłonnym, pokrytej chlorkiem litu. Przez cewkę przepływa prąd zmienny, który powoduje jej nagrzewanie. Podczas nagrzewania wody z chlorku litu odparowuje, zależnie od ciśnienia pary wodnej w otoczeniu. Im suchsza cewka, tym wyższy jej opór i mniejszy przepływ prądu. W efekcie cewka się schładza. Ten cykl nagrzewania i chłodzenia osiąga stan równowagi, w którym woda nie jest ani oddawana, ani pobierana. Temperatura w tym stanie jest bezpośrednio proporcjonalna do punktu rosy otoczenia.
4. W przypadku higrometru oporowego wykorzystywany jest fakt, że opór elektryczny materiału pochłaniającego wilgoć zmienia się w zależności od wilgotności. Do pomiaru oporu elektrycznego między elektrodami używa się specjalnych czujników. Ten rezystancyjny typ czujnika nadaje się do pomiarów w produkcji seryjnej i jest stosowany głównie w urządzeniach domowych i konsumenckich. Jednak pomiary tych urządzeń przy bardzo niskiej lub bardzo wysokiej wilgotności nie są szczególnie dokładne.
5. Higrometr kapacytacyjny mierzy wilgotność, wykorzystując zmianę pojemności cienkowarstwowego polimeru. Ten typ czujnika osiąga w większości przypadków wystarczającą dokładność i jest często stosowany w przemyśle. Patented Vaisala HUMICAP® czujniki wilgotności wykorzystują tę technologię.
6. Higrometr z lustrem punktu rosy korzysta z kondensacji na powierzchni lustra przy temperaturze punktu rosy, gdy powietrze jest schładzane, zawierające parę wodną. Lustro jest chłodzone do momentu osiągnięcia punktu rosy danego gazu. Gdy lustro osiąga stan kondensacji, zmienia się światło odbite od jego powierzchni. Gdy powierzchnia lustra osiąga stabilny stan, w którym zachodzi jednoczesna parowanie i kondensacja, temperatura lustra jest równa temperaturze punktu rosy otoczenia. Ten czujnik jest często używany w instytutach badawczych. Najczęściej stosowanymi czujnikami w pomieszczeniach czystych są higrometry rezystancyjne, kapacytacyjne (wskazujące punkt rosy) oraz higrometr z lustrem punktu rosy. Przy wyborze odpowiedniego urządzenia pomiarowego ważne jest, aby nie kierować się wyłącznie ceną i specyfikacją produktu, lecz także dokładnością pomiaru, wiedzą producenta na temat różnych zastosowań oraz dostępnością serwisu. To właśnie te czynniki decydują o skutecznym użytkowaniu urządzeń.

Regularne i odtwarzalne kalibracje są ważne

Zawsze należy zapewnić, że wskazania urządzeń pomiarowych są wiarygodne i dokładne. W tym celu kluczowe jest regularne przeprowadzanie kalibracji. Typowe interwały kalibracji przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 2 przedstawia przykład łańcucha odtwarzalności dla stacjonarnych urządzeń do pomiaru wilgotności i temperatury. Wszystkie pomiary na świecie opierają się na Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI). System ten zapewnia, że wszędzie używa się tych samych wielkości i pomiary wykonane różnymi urządzeniami w różnych miejscach są porównywalne.
Każdy dostawca usług kalibracyjnych powinien móc wykazać ważny łańcuch odtwarzalności. Co najmniej jedno laboratorium referencyjne musi być skalibrowane w laboratorium zewnętrznym, które następnie służy do kalibracji wewnętrznej.
W niektórych przypadkach korzystne może być posiadanie własnej jednostki kalibracyjnej, np. gdy trudno jest przemieszczać urządzenia pomiarowe (kalibracja na miejscu) lub gdy konieczne jest kalibrowanie dużej liczby urządzeń. W przypadku utworzenia własnej jednostki kalibracyjnej warto powołać odpowiednią instytucję do jej nadzorowania. Może ona składać się z jednej osoby lub całego działu z odpowiednim kierownictwem i personelem kalibracyjnym.
Kalibracja laboratoryjna jest zawsze lepsza od kalibracji w miejscu użytkowania. W laboratorium można znacznie ograniczyć wpływ czynników środowiskowych i innych czynników zakłócających. Kalibracje w miejscu użytkowania są szybkim i prostym sposobem sprawdzania urządzeń pomiarowych bez konieczności ich wyjmowania z procesu lub obszaru.
Do tego typu kalibracji potrzebny jest wzorzec roboczy jako odniesienie. Wzorzec roboczy może być przenośnym lub innym odpowiednim urządzeniem pomiarowym używanym do kalibracji urządzenia stacjonarnego. Wzorce robocze są kalibrowane w laboratoriach nadrzędnych.
Vaisala posiada uznane usługi kalibracyjne dla swoich urządzeń do pomiaru ciśnienia, temperatury, punktu rosy i wilgotności. Usługi te są dostępne poprzez regionalne centra serwisowe. Są one dostępne zarówno dla już zainstalowanych urządzeń, jak i przy dostawie nowych.
Darmowe podręczniki kalibracji Vaisala można zamówić na stronie www.vaisala.com/calibrationbook. Książka zawiera przydatne informacje na temat wszelkich zagadnień związanych z kalibracją.

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