Articolo per esperti Hannu Sairanen Principal Scientist Vaisala Come migliorare le misurazioni dell'umidità in ambienti estremamente secchiEsempio di gas a elevata purezza nella produzione di processoAlcuni dei processi industriali più complessi, ad esempio la produzione di gas puri o di semiconduttori, richiedono misurazioni particolarmente accurate dei livelli di umidità in tracce.Le misurazioni migliori vengono solitamente eseguite in ambienti di laboratorio. Tuttavia, il campionamento porta con sé alcune fonti di incertezza, che possono dipendere, ad esempio, dalla contaminazione, dal calcolo dei valori medi e dai tubi utilizzati. In questo articolo dimostreremo le fonti di incertezza legate al campionamento negli ambienti di laboratorio mettendole a confronto con le misurazioni in linea.In genere, il modo migliore per ottenere un'elevata precisione è acquistare uno strumento di misura con caratteristiche di livello superiore. Per le misurazioni dell'umidità, l'ideale è un analizzatore poiché, in teoria, è molto preciso. Tuttavia, gli analizzatori sono più costosi rispetto ad altri strumenti industriali altrettanto validi. Inoltre, sono più sensibili agli effetti ambientali e pertanto richiedono condizioni specifiche e stabili. Di solito, gli analizzatori non effettuano la misurazione direttamente dal processo. Si procede prelevando un campione, che poi viene analizzato e gettato. I problemi con i gas campione sono comuni a tutte le misurazioni. Questi gas, infatti, potrebbero non essere rappresentativi delle condizioni effettive del processooppure essere influenzati da fattori esterni durante il campionamento e l'analisi.Non solo: potrebbero anche verificarsi perdite di gas oppure il gas potrebbe essere addirittura all'origine della perdita. Immaginiamo, ad esempio, di dover pesare della polvere. Se la polvere si bagna a causa della pioggia tra il campionamento e la pesatura, il campione non rifletterà il peso reale e la composizione effettiva della polvere stessa. In modo analogo, il vapore acqueo può facilmente alterare e aumentare l'umidità di un campione di gas, generando risultati poco precisi anche con gli strumenti più avanzati e innovativi. Come migliorare le misurazioni dell'umidità in ambienti estremamente secchi EsperimentiPer dimostrare il problema e studiarne l'impatto, abbiamo creato un'installazione di prova (Figura 1). L'idea alla base dell'installazione era quella di avere un'umidità costante, che è stata successivamente disturbata modificando la temperatura dei tubi in un intervallo compreso tra 20 e 27 °C. In teoria, ciò comporterebbe un effetto di adsorbimento/desorbimento, che influisce sulla quantità totale di vapore acqueo in uscita dalla camera termica. Allo stesso modo, un tubo di campionamento in uscita dal campo al laboratorio di misurazione potrebbe essere esposto alle intemperie, con conseguenti variazioni della temperatura. Su scala ridotta, le variazioni della temperatura interna potrebbero avere un impatto simile. Durante gli esperimenti, la pressione del gas è stata mantenuta nell'intervallo compreso tra 1 bar(a) e 2 bar(a), con portata costantemente inferiore a 1 l/min, l'equivalente della portata degli analizzatori. Image Figure 1. Test set-up L'installazione era composta da un generatore di umidità, due trasmettitori del punto di rugiada DMT152 di Vaisala, una camera termica con tubo in acciaio elettrolucidato da 6,7 m e un analizzatore CRDS. I trasmettitori del punto di rugiada DMT152 sono stati posizionati a monte e a valle della camera termica (Figura 1). Il tubo dal secondo trasmettitore DMT152 all'analizzatore è stato tenuto il più corto possibile per ridurre al minimo gli effetti ambientali tra il trasmettitore DMT152 e l'analizzatore. La temperatura della camera termica è stata monitorata con due sensori di temperatura. RisultatiSono state eseguite più misurazioni con diversi valori di pressione, portata e umidità. Durante ciascun esperimento, la camera termica è stata controllata allo stesso modo (vedere Figura 2). Image Nella Figura 2, man mano che la temperatura (in nero) viene disturbata, il trasmettitore DMT152 sull'uscita rileva l'umidità di disturbo, mentre l'umidità in ingresso rimane costante nel corso della misurazione. Al termine della misurazione, la temperatura è stabilizzata alla temperatura di laboratorio ed entrambi i trasmettitori DMT152 sono di nuovo stabili, indicando la stessa temperatura del punto di gelo. La figura dimostra chiaramente l'effetto della stabilità della temperatura del tubo di campionamento sull'umidità in uscita e, quindi, sulle misurazioni dell'umidità.Nella Figura 3 è rappresentata un'altra misurazione. Qui, l'umidità in ingresso non era stabile come nella Figura 2, ma entrambi i trasmettitori DMT152 e l'analizzatore CRDS seguono un andamento simile. Nella Figura 3, tuttavia, l'umidità in ingresso causa molti meno disturbi rispetto all'analizzatore CRDS o al trasmettitore DMT152 sull'uscita. In effetti, la variazione dell'umidità in uscita è talmente elevata che né il trasmettitore DMT152 né l'analizzatore CRDS indicano l'umidità in ingresso corretta (entrambi non rientrano nelle specifiche). Gli strumenti sono però perfettamente funzionanti e le loro prestazioni sono in linea con le specifiche. Il problema riguarda il tubo di campionamento. La variazione della temperatura causa il fenomeno di adsorbimento/desorbimento, che comporta a sua volta una variazione dell'umidità all'uscita del tubo di campionamento. Image Figure 3. DMT152 instrument vs. CRDS analyzer Dai risultati della campagna di misurazione è emerso quanto segue:La variazione massima della temperatura del punto di gelo causata dall'adsorbimento/dal desorbimento era superiore a 4 °C.Per quanto riguarda l'impatto sulla portata, maggiore è il flusso, maggiore sarà il disturbo.Maggiore è la variazione della temperatura, maggiore sarà anche l'effetto di adsorbimento/desorbimento nei tubi.Più è bassa l'umidità, maggiore sarà l'effetto relativo. Punti chiaveIn questo articolo sono descritti gli effetti ambientali sul campionamento. Se l'ambiente di misurazione o di campionamento non è ideale, l'impatto sui risultati della misurazione potrebbe essere significativo. Come mostrato nella Figura 2 e nella Figura 3, il trasmettitore DMT152 (più conveniente) posizionato all'ingresso supera in prestazioni l'analizzatore (più costoso) grazie alla migliore rappresentatività della misurazione del processo in linea. Pertanto, si consiglia di eseguire le misurazioni direttamente nel punto di interesse e di ridurre al minimo l'uso del campionamento, laddove possibile. Questo approccio è anche molto più conveniente in quanto l'installazione e il principio di misurazione sono più semplici. Soluzioni per processi di produzione di semiconduttori, nonché per monitoraggio e controllo degli impianti La produzione di wafer semiconduttori e di dispositivi microelettronici è un processo impegnativo con margine di errore ridotto. L'industria dipende da strumenti di monitoraggio e misura ad alte prestazioni per composizioni chimiche e condizioni atmosferiche precise. Scopri di più Trasmettitore del punto di rugiada Vaisala DRYCAP® DMT152 Il trasmettitore del punto di rugiada DRYCAP® DMT152 di Vaisala è progettato per misurare il punto di rugiada basso nelle applicazioni OEM, anche fino a -80 °C. L'eccellente stabilità a lungo termine e l'affidabilità delle prestazioni si devono alla tecnologia dei sensori polimerici DRYCAP® più recente. Trasmettitore del punto di rugiada DMT152 Hannu Sairanen Principal Scientist e tecnico metrologo, Ph.D ENG Vaisala In qualità di Principal Scientist presso Vaisala, Hannu Sairanen è specializzato nella misurazione dell'umidità e nelle relative applicazioni, inclusa la metrologia. Vanta oltre 10 anni di esperienza nel campo della metrologia e delle misurazioni dell'umidità, oltre che nei processi dipendenti dall'umidità, e numerose pubblicazioni basate sull'attività svolta in questi ambiti. Sairanen ha conseguito un dottorato in termodinamica applicata presso la Aalto University (Finlandia).
