Article d’expert Hannu Sairanen Scientifique principal Vaisala Comment améliorer les mesures d'humidité dans des environnements extrêmement secsExemple de cas de gaz de haute pureté dans l'industrie de transformationCertains des processus industriels les plus complexes, tels que la production de gaz pur ou la fabrication de semi-conducteurs, nécessitent des mesures très précises des niveaux d'humidité à l'état de trace.On considère généralement que les meilleures mesures sont effectuées en laboratoire. Cependant, il existe des sources d'incertitude liées à l'échantillonnage, telles que la contamination, la moyenne et le tube. Dans cet article, nous démontrons les sources d'incertitude liées à l'échantillonnage dans des environnements de laboratoire par rapport aux mesures en ligne.Il est généralement admis que le meilleur moyen d'obtenir une exactitude élevée est d'acheter un instrument de mesure présentant les meilleures spécifications. Pour les mesures d'humidité, cela signifie un instrument de type analyseur car, en théorie, ils sont très précis. Cependant, les analyseurs sont plus chers que les instruments industriels plus robustes. Ils sont également plus sensibles aux effets ambiants et nécessitent donc des conditions spécifiques et stables. Habituellement, les analyseurs ne prennent pas les mesures directement à partir du processus. Un échantillon de gaz est plutôt prélevé, acheminé vers l'analyseur, puis gaspillé. Les problèmes liés aux échantillons de gaz sont communs à toutes les mesures : ils peuvent ne pas être représentatifs des conditions réelles du processus.Ils peuvent également être affectés par des facteurs externes liés à l'échantillonnage et à l'analyse.Ils peuvent être concernés par des fuites, voire être à l'origine de fuites. Prenons, par exemple une pesée de poudre. Si la poudre est mouillée par la pluie entre l'échantillonnage et la pesée, l'échantillon ne reflétera pas la masse et la composition réelles de la poudre. De même, la vapeur d'eau peut facilement modifier et augmenter l'humidité d'un échantillon de gaz, générant des résultats inexacts, même avec les instruments les plus avancés et les plus récents. Comment améliorer les mesures d'humidité dans des environnements extrêmement secs ExpériencesPour démontrer le problème et étudier ses impacts, nous avons élaboré une configuration de test (démontrée dans la figure 1). L'idée de base de l'installation était d'avoir une humidité constante, qui était ensuite perturbée en modifiant la température des tubes sur une plage de 20 °C à 27 °C. En théorie, cela entraînerait un effet d'adsorption/désorption, qui influencerait la quantité totale de vapeur d'eau sortant de la chambre thermique. De même, un tube de prélèvement allant du terrain au laboratoire de mesure pourrait être exposé à des intempéries extérieures et donc à des variations de température. À plus petite échelle, les variations de températures intérieures pourraient avoir un impact similaire. Au cours des expériences, la pression du gaz a été maintenue dans une plage de 1 bar(a) à 2 bar(a) et le débit était toujours inférieur à 1 l/min, ce qui correspond aux débits des analyseurs. Image Figure 1. Test set-up L'installation comprenait un générateur d'humidité, deux instruments de point de rosée Vaisala DMT152, une chambre thermique avec un tube en acier électropoli de 6,7 m et un analyseur CRDS. Un instrument de point de rosée DMT152 a été placé avant et après la chambre thermique (figure 1). Les tubes reliant le deuxième instrument DMT152 à l'analyseur ont été maintenus aussi courts que possible afin de minimiser les effets ambiants entre le DMT152 et l'analyseur. La température de la chambre thermique a été surveillée à l'aide de deux capteurs de température. RésultatsPlusieurs mesures ont été effectuées avec différents débits, pressions et humidités. La chambre thermique a été contrôlée de la même manière à chaque expérience. (Voir la figure 2.) Image Sur la figure 2, plus la température (en noir) est perturbée, plus le DMT152 en sortie détecte une humidité bruyante alors que l'humidité en entrée est constante tout au long de la mesure. À la fin de la mesure, la température est stabilisée à la température du laboratoire et les deux instruments DMT152 sont à nouveau stables et indiquent la même température de point de givre. Cette image démontre clairement l'effet de la stabilité de la température du tube d'échantillonnage sur l'humidité de sortie - et donc sur les mesures d'humidité.Une autre mesure est représentée sur la figure 3. Ici, l'humidité à l'entrée n'était pas aussi stable que sur la figure 2, mais les instruments DMT152 et l'analyseur CRDS indiquent une tendance similaire. Cependant, sur la figure 3, l'humidité à l'entrée est beaucoup moins bruyante que celle de l'analyseur CRDS ou du DMT152 à la sortie. En fait, l'humidité à la sortie change tellement que ni le DMT152 ni l'analyseur CRDS n'indiquent l'humidité d'entrée correcte, et en fait, les deux sont hors de leurs spécifications. Cependant, ici, les instruments sont entièrement fonctionnels et leurs performances sont connues pour respecter leurs spécifications ; le problème vient du tube de prélèvement. Le changement de température provoque un phénomène d'adsorption/désorption qui se traduit par une humidité variable à la sortie du tube de prélèvement. Image Figure 3. DMT152 instrument vs. CRDS analyzer Les résultats de la campagne de mesures ont révélé les faits suivants :La variation maximale de la température du point de givre provoquée par l'adsorption/désorption était supérieure à 4 °C.Impacts sur le débit : plus de débit est élevé, plus le bruit est important.Plus la température change, plus l'effet d'adsorption/désorption dans le tube est important.Plus l'humidité est faible, plus l'effet relatif est important. Points clés à retenirDans cet article, les effets de l'environnement sur l'échantillonnage ont été testés. Si l'environnement de mesure ou l'échantillonnage n'est pas idéal, cela peut avoir un impact significatif sur les résultats de mesure. Comme le montrent les figures 2 et 3, le DMT152, plus abordable, situé à l'entrée, surpasse l'analyseur plus cher grâce à la meilleure représentativité de la mesure du processus en ligne. Par conséquent, il est recommandé d'effectuer des mesures directement sur le point d'intérêt et de minimiser autant que possible le recours à l'échantillonnage. Cette approche est aussi nettement plus rentable, grâce à la configuration et au principe de mesure plus simples. Solutions pour les processus dans l'industrie des semi-conducteurs et pour le contrôle et la surveillance des installations La fabrication des plaquettes de semi-conducteurs et des composants microélectroniques est un processus exigeant avec peu de marge d'erreur. L'industrie a besoin d'instruments de surveillance et de mesure ultra-performants pour assurer l'exactitude des compositions chimiques et des conditions atmosphériques. En savoir plus Transmetteur de point de rosée Vaisala DRYCAP® DMT152 Le transmetteur de point de rosée Vaisala DRYCAP® DMT152 est conçu pour mesurer les points de rosée très bas dans les applications OEM, jusqu’à -80 °C. Son excellente stabilité sur le long terme et la fiabilité de son fonctionnement reposent sur la toute dernière technologie DRYCAP® faisant appel à un capteur polymère. Transmetteur de point de rosée DMT152 Hannu Sairanen Scientifique principal et métrologue, Ph.D ENG Vaisala Description En tant que scientifique principal chez Vaisala, Hannu Sairanen est spécialisé dans la mesure de l'humidité et ses applications, notamment la métrologie de l'humidité. Il possède plus de 10 ans d'expérience en métrologie de l'humidité, en mesures d'humidité et en processus dépendants de l'humidité, avec de nombreuses publications sur ses travaux dans ces domaines. Hannu est titulaire d'un doctorat de l'Université Aalto en Finlande, avec une spécialité en thermodynamique appliquée.
