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如何改进干燥环境中的湿度测量

更新时间:2024-01-02  |  点击率:467
  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,需要非常准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。
 
  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)
 
  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。
 
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。