专业文章 Hannu Sairanen 首席科学家 Vaisala 如何改进极端干燥环境中的湿度测量流程工业高纯气体案例纯气体生产或半导体制造等某些要求严苛的工业流程，需要非常精确地测量微量水分含量。通常认为，在实验室环境中才能实现理想测量。但是，采样时会引入某些不确定因素，如污染、平均值、管道等。在本文中，我们将展示与在线测量相比，实验室环境中存在哪些会造成不确定性的采样相关因素。人们通常认为，实现高准确度的理想方法是购买具有高规格的测量仪表。对于湿度测量而言，这意味着要购买分析仪类型的仪表，因为这类仪表理论上准确度高。然而，相较于更坚固耐用的工业仪表，分析仪价格昂贵，且对环境的影响异常敏感，因此需要特定且稳定的使用条件。 通常，分析仪并不直接在流程中进行测量，而是要先行采集气体样本，将其导入分析仪，然后将样本遗弃。在所有测量中，气体样本通常都存在以下问题： 样本可能无法代表实际的工艺条件。样本还可能受到采样和分析中外部因素的影响。样本可能会受到泄漏的影响，甚至成为泄漏的源头。 举例来说，想象要称量一些粉末。如果在采样和称量之间的过程中，粉末被雨水打湿，样本将无法反映粉末的真实重量和成分。同样，水气也能轻易改变气体样本的湿度，即使使用先进的全新仪表，结果也会不准确。 如何改进极端干燥环境中的湿度测量 实验为了展示该问题并研究其影响，我们构建了一个测试装置（如图 1 所示）。该装置的基本思路是保持恒定的湿度，然后通过在 20 °C 至 27 °C 范围内改变管道温度来干扰湿度。理论上，这会导致吸附/解吸效应，从而影响排出加热室的水气总量。同样，在从现场转至测量实验室的过程中，采样管可能会暴露在室外天气下，进而受到温度变化的影响。在较小的范围内，不同的室内温度也可能产生类似的影响。实验过程中，气压保持在 1 bar(a) 至 2 bar(a) 范围内，流速始终小于 1 l/min，与分析仪的流速一致。 Image Figure 1. Test set-up 该装置由一台湿度发生器、两台维萨拉 DMT152 露点仪表、一个带有 6.7 m 电抛光钢管的加热室和一台 CRDS 分析仪组成。两台 DMT152 露点仪表分别放置在加热室之前和之后（图 1）。从第二台 DMT152 到分析仪的管道尽可能短，以尽量降低 DMT152 和分析仪之间的环境影响。使用两个温度传感器监测加热室的温度。 结果在不同的压力、流速和湿度下进行了多次测量。每次实验中都以相同的方式控制加热室。（见图 2） Image 在图 2 中，随着温度（黑色）的干扰增强，出口处的 DMT152 检测到的噪声湿度越来越多，而入口湿度在测量过程中保持恒定。测量结束后，温度稳定至实验室温度，两台 DMT152 仪表再次稳定并指示相同的霜点温度。该图清晰展示了采样管温度的稳定性对输出湿度的影响，因而会影响湿度的测量结果。图 3 绘制了另一次测量的结果。该图中，入口湿度不像图 2 中那样稳定，但 DMT152 仪表和 CRDS 分析仪都呈现出类似的趋势。然而，在图 3 中，与 CRDS 分析仪或出口处的 DMT152 相比，入口湿度的噪声要小得多。事实上，出口处的湿度变化过大，以至于 DMT152 和 CRDS 分析仪都无法正确指示入口湿度，并且二者的误差实际都超出了其规格。然而，此处使用的仪表功能完好，并且性能符合其规格要求，问题出在采样管上。温度的变化会引起吸附/解吸现象，从而导致采样管出口的湿度发生变化。 Image Figure 3. DMT152 instrument vs. CRDS analyzer 该测量活动的结果表明：吸附/解吸引起的最大霜点温度变化超过 4 °C。流量的影响：流量越大，噪声越大。温度变化越大，管内的吸附/解吸效应越剧烈。湿度越低，相对影响越大。 关键要点在本文中，我们测试了环境对采样的影响。如果测量环境或采样不理想，可能会对测量结果产生重大影响。如图 2 和图 3 所示，由于其在线过程测量的结果更具代表性，位于入口处的 DMT152 价格更加实惠，且表现优于价格更高的分析仪。因此，建议直接在想要关注的位置进行测量，并尽可能减少采样管的使用。由于测量装置和测量原理更加简单，这种方法也具有更为显著的成本效益。 用于半导体工艺流程、设施监测和控制的解决方案 半导体晶圆和微电子制造是一个要求很高、几乎不容出错的工艺过程。该行业高度依赖于高性能监测仪器，以准确测量化学品成分和环境条件。 了解更多 维萨拉 DRYCAP® 露点变送器 DMT152 维萨拉 DRYCAP® 露点变送器 DMT152 专为在 OEM 应用中测量低露点而设计，测量下限达到 -80°C。DRYCAP® 高分子传感器技术为该变送器铸就了良好的长期性能稳定性和可靠性。 露点变送器 DMT152 Hannu Sairanen 首席科学家和计量学家，工程博士 Vaisala 介绍：作为维萨拉的首席科学家，Hannu Sairanen 专注于研究湿度测量和应用，包括湿度计量学。他在湿度计量、湿度测量和湿度相关过程方面拥有 10 多年的经验，并且根据自己在这些领域所做的工作出版了许多作品。Hannu 拥有芬兰阿尔托大学的应用热力学博士学位。
