Precyzja w trudnych warunkach

W pomieszczeniach hodowlanych panują szczególne warunki.

Struktura czujnika HUMICAP firmy Vaisala.

Matthias Lorenzen, Menedżer ds. Rozwoju Biznesu, EMEA, Vaisala.

Wybór odpowiednich urządzeń pomiarowych ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia optymalnych wyników pomiarów. Szczególne wyzwanie stanowią pomiary wilgotności, wykonywane w pomieszczeniach czystych i komorach klimatycznych. Krytyczne środowiska takie jak te są zależne od wysokowydajnych metod pomiarowych, ponieważ parametry takie jak wilgotność czy temperatura mają na przykład w produkcji istotny wpływ na jakość produktów i wydajność. Nie bez powodu ich sterowanie i rejestrowanie podlega surowym wytycznym. Aby móc utrzymać ciągłość pracy z ustalonymi specyfikacjami, urządzenia pomiarowe stosowane do tego celu muszą nieustannie gwarantować wysoką dokładność – i to w trudnych warunkach.

Dobór odpowiednich urządzeń do pomiaru wilgotności w pomieszczeniach czystych i komorach klimatycznych wymaga starannego rozważenia. Gotowe rozwiązania „z półki” praktycznie nie istnieją ze względu na różnorodność zastosowań i warunków w tych środowiskach. W przemyśle półprzewodników i elektroniki, z coraz krótszymi cyklami produkcyjnymi, coraz ważniejsza staje się kontrola wilgotności lub punktu rosy w procesie produkcji. W mini-środowiskach zakładów produkcyjnych coraz częściej wymaga się wysokiej precyzji systemów pomiarowych z odchyleniami +/-1% wilgotności względnej powietrza (rF). Przy monitorowaniu wilgotności w urządzeniach do produkcji ekranów ciekłokrystalicznych i farb, oprócz dokładności, istotna jest trwałość czujników. Szczególnie w takich środowiskach często pojawiają się niepożądane zanieczyszczenia powietrza, które mogą wpływać na elementy sensorów. Przy wyborze urządzeń pomiarowych w komorach klimatycznych pojawia się między innymi pytanie, czy pomiary wilgotności są konieczne na całym zakresie temperatur pracy, czy podczas testów może wystąpić kondensacja, lub czy komora będzie przez dłuższy czas pracować przy wilgotności względnej bliskiej 100%. Również agresywne gazy lub ekstremalnie suche środowiska mogą stanowić wyzwanie – nie wszystkie urządzenia pomiarowe są do takich warunków odpowiednie.

Tu potrzebni są specjaliści

Pomieszczenia czyste i komory klimatyczne wystawiają urządzenia pomiarowe na ciężką próbę, ponieważ często panują tam warunki, które utrudniają dokładne pomiary:

Wysoka wilgotność – środowiska z nasyconą atmosferą są problematyczne dla większości elektronicznych czujników wilgotności. Lepszym rozwiązaniem są psychrometry, które dostarczają dokładnych wartości. Jednak wymagają one ciągłej konserwacji i osiągają granice skuteczności przy niskich wartościach wilgotności lub ekstremalnych temperaturach. Optymalnym rozwiązaniem w takich przypadkach są czujniki pojemnościowe z inteligentną funkcją podgrzewania: temperatura sondy jest utrzymywana nieznacznie powyżej temperatury otoczenia. Zapobiega to skraplaniu się lub zamarzaniu sondy i umożliwia kontynuację pomiarów nawet w kondensujących się środowiskach. Podgrzewane sondy mogą być również używane w warunkach, gdzie występują kombinacje temperatur i wilgotności, w których psychrometry nie są skuteczne lub nie mogą być stosowane.

Agresywne gazy – czujniki wilgotności zwykle mają bezpośredni kontakt z gazem (mieszaniną gazów) otoczenia. W niektórych zastosowaniach mogą wystąpić szczególnie wysokie stężenia agresywnych chemikaliów, co prowadzi do zwykle odwracalnej dryfu zysku – odchylenia od wartości pomiaru wilgotności lub punktu rosy. Prosty czujnik wilgotności szybko osiąga swoje granice w takich warunkach. W takich przypadkach stosuje się wysokiej jakości czujniki wilgotności, które wyróżniają się wyborem polimeru czujnika i zoptymalizowaną konstrukcją. Przykładem jest pojemnościowy czujnik HUMICAP®180R firmy Vaisala, produkowany na podstawie wieloletniego doświadczenia w produkcji czujników wilgotności w własnym czystym pomieszczeniu. Kolejnym rozwiązaniem problemu dryfu czujnika jest „chemiczne czyszczenie czujnika” oferowane przez Vaisala. Podgrzewając czujnik, usuwane są z niego obce cząsteczki odpowiedzialne za dryf, przywracając pierwotne właściwości czujnika.

Ekstremalnie suche środowiska – do pomiaru zawartości wody w powietrzu w praktyce stosuje się różne czujniki w zależności od zakresu wilgotności. Standardowy czujnik wilgotności jest zwykle używany od wilgotności 10% rF. Jednak w komorach klimatycznych może być konieczne pomiar wilgotności na poziomie zaledwie 3% rF lub mniej. Większość urządzeń do pomiaru wilgotności, które są przystosowane do zakresu od 0 do 100% rF, nie działa już niezawodnie przy tak niskiej wilgotności. W takich przypadkach stosuje się urządzenia do pomiaru punktu rosy, które dzięki specjalnej technologii polimerowych czujników mogą niezawodnie mierzyć punkt rosy. Czujniki pojemnościowe korzystające z tej technologii mogą być stosowane w bardzo szerokim zakresie temperatur. Przy zakresie od -70 do +180 stopni Celsjusza nie ograniczają ich ani punkty zamarzania, ani wrzenia.

Również kalibracja odgrywa rolę

Aby zapewnić stałą wysoką dokładność urządzeń pomiarowych, ważne jest regularne przeprowadzanie precyzyjnych kalibracji. Zasadniczo lepsza jest kalibracja laboratoryjna niż kalibracja w miejscu użytkowania. W laboratorium można znacznie zminimalizować wpływ warunków otoczenia i czynników zakłócających. Kalibracje w trakcie eksploatacji są jednak szybkim i prostym sposobem na sprawdzenie urządzeń pomiarowych bez konieczności ich wyłączania z procesu lub obszaru. Do kalibracji w miejscu użytkowania używa się przenośnych uniwersalnych przyrządów pomiarowych, które graficznie wyświetlają wyniki pomiarów w trakcie i mogą je przesłać do komputera. W najlepszym wypadku można je bezpośrednio podłączyć do urządzeń pomiarowych. Na tę możliwość warto zwrócić uwagę już podczas wyboru urządzeń pomiarowych.

Opisane „twarde” czynniki decyzyjne, które opierają się na użytkowaniu, pomagają w wyborze urządzeń pomiarowych. Jeśli do tego dołożymy jeszcze „miękkie” czynniki, takie jak łatwa instalacja i konserwacja, niskie zapotrzebowanie na obsługę, możliwość indywidualnej adaptacji oraz serwis producenta, to można znaleźć optymalne wyposażenie do pomiaru wilgotności w pomieszczeniach czystych i komorach klimatycznych.

Porada serwisowa: Uważaj przy wyborze usług kalibracyjnych

Kalibracje powinny być zawsze wykonywane przez certyfikowanych dostawców usług. Mogą to być producenci oferujący kalibrację własnych produktów lub laboratoria, które ogólnie kalibrują urządzenia pomiarowe. Bez akredytacji kompetencje usług nie są potwierdzone. Dlatego przed wyborem takiego dostawcy warto sprawdzić ich kompetencje. Każdy dostawca usług kalibracyjnych powinien móc wykazać ważny łańcuch odtwarzalności. Co najmniej jedno laboratorium referencyjne musi być kalibrowane w zewnętrznym laboratorium, które następnie jest wykorzystywane do kalibracji wewnętrznej. Ponadto zakres usług powinien być jasno określony przed rozpoczęciem współpracy: niektórzy komercyjni dostawcy w certyfikatach kalibracji podają niepewność pomiaru tylko wtedy, gdy jest ona zamawiana osobno. Inni w ogóle nie są w stanie obliczyć niepewności pomiaru.