流程工業(yè)高純氣體案例

　　純氣體生產(chǎn)或半導(dǎo)體制造等某些要求嚴(yán)苛的工業(yè)流程，需要非常精確地測(cè)量微量水分含量。

　　通常認(rèn)為，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中才能實(shí)現(xiàn)理想測(cè)量。但是，采樣時(shí)會(huì)引入某些不確定因素，如污染、平均值、管道等。在本文中，我們將展示與在線測(cè)量相比，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中存在哪些會(huì)造成不確定性的采樣相關(guān)因素。

　　人們通常認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的理想方法是購(gòu)買具有高規(guī)格的測(cè)量?jī)x表。對(duì)于濕度測(cè)量而言，這意味著要購(gòu)買分析儀類型的儀表，因?yàn)檫@類儀表理論上準(zhǔn)確度高。然而，相較于更堅(jiān)固耐用的工業(yè)儀表，分析儀價(jià)格昂貴，且對(duì)環(huán)境的影響異常敏感，因此需要特定且穩(wěn)定的使用條件。

　　通常，分析儀并不直接在流程中進(jìn)行測(cè)量，而是要先行采集氣體樣本，將其導(dǎo)入分析儀，然后將樣本遺棄。在所有測(cè)量中，氣體樣本通常都存在以下問(wèn)題：

　　樣本可能無(wú)法代表實(shí)際的工藝條件。

　　樣本還可能受到采樣和分析中外部因素的影響。

　　樣本可能會(huì)受到泄漏的影響，甚至成為泄漏的源頭。

　　舉例來(lái)說(shuō)，想象要稱量一些粉末。如果在采樣和稱量之間的過(guò)程中，粉末被雨水打濕，樣本將無(wú)法反映粉末的真實(shí)重量和成分。同樣，水氣也能輕易改變氣體樣本的濕度，即使使用先進(jìn)的全新儀表，結(jié)果也會(huì)不準(zhǔn)確。

　　實(shí)驗(yàn)

　　為了展示該問(wèn)題并研究其影響，我們構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試裝置（如圖 1 所示）。該裝置的基本思路是保持恒定的濕度，然后通過(guò)在 20 °C 至 27 °C 范圍內(nèi)改變管道溫度來(lái)干擾濕度。理論上，這會(huì)導(dǎo)致吸附/解吸效應(yīng)，從而影響排出加熱室的水氣總量。同樣，在從現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)至測(cè)量實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中，采樣管可能會(huì)暴露在室外天氣下，進(jìn)而受到溫度變化的影響。在較小的范圍內(nèi)，不同的室內(nèi)溫度也可能產(chǎn)生類似的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氣壓保持在 1 bar(a) 至 2 bar(a) 范圍內(nèi)，流速始終小于 1 l/min，與分析儀的流速一致。

　　Figure 1. Test set-up

　　該裝置由一臺(tái)濕度發(fā)生器、兩臺(tái)維薩拉 DMT152 露點(diǎn)儀表、一個(gè)帶有 6.7 m 電拋光鋼管的加熱室和一臺(tái) CRDS 分析儀組成。兩臺(tái) DMT152 露點(diǎn)儀表分別放置在加熱室之前和之后（圖 1）。從第二臺(tái) DMT152 到分析儀的管道盡可能短，以盡量降低 DMT152 和分析儀之間的環(huán)境影響。使用兩個(gè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)加熱室的溫度。

　　結(jié)果

　　在不同的壓力、流速和濕度下進(jìn)行了多次測(cè)量。每次實(shí)驗(yàn)中都以相同的方式控制加熱室。（見(jiàn)圖 2）

　　Figure 2. Temperature ramp and response of DMT152 instruments

　　在圖 2 中，隨著溫度（黑色）的干擾增強(qiáng)，出口處的 DMT152 檢測(cè)到的噪聲濕度越來(lái)越多，而入口濕度在測(cè)量過(guò)程中保持恒定。測(cè)量結(jié)束后，溫度穩(wěn)定至實(shí)驗(yàn)室溫度，兩臺(tái) DMT152 儀表再次穩(wěn)定并指示相同的霜點(diǎn)溫度。該圖清晰展示了采樣管溫度的穩(wěn)定性對(duì)輸出濕度的影響，因而會(huì)影響濕度的測(cè)量結(jié)果。

　　圖 3 繪制了另一次測(cè)量的結(jié)果。該圖中，入口濕度不像圖 2 中那樣穩(wěn)定，但 DMT152 儀表和 CRDS 分析儀都呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。然而，在圖 3 中，與 CRDS 分析儀或出口處的 DMT152 相比，入口濕度的噪聲要小得多。事實(shí)上，出口處的濕度變化過(guò)大，以至于 DMT152 和 CRDS 分析儀都無(wú)法正確指示入口濕度，并且二者的誤差實(shí)際都超出了其規(guī)格。然而，此處使用的儀表功能完好，并且性能符合其規(guī)格要求，問(wèn)題出在采樣管上。溫度的變化會(huì)引起吸附/解吸現(xiàn)象，從而導(dǎo)致采樣管出口的濕度發(fā)生變化。

　　Figure 3. DMT152 instrument vs. CRDS analyzer

　　該測(cè)量活動(dòng)的結(jié)果表明：

　　吸附/解吸引起的最大霜點(diǎn)溫度變化超過(guò) 4 °C。

　　流量的影響：流量越大，噪聲越大。

　　溫度變化越大，管內(nèi)的吸附/解吸效應(yīng)越劇烈。

　　濕度越低，相對(duì)影響越大。

　　關(guān)鍵要點(diǎn)

　　在本文中，我們測(cè)試了環(huán)境對(duì)采樣的影響。如果測(cè)量環(huán)境或采樣不理想，可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。如圖 2 和圖 3 所示，由于其在線過(guò)程測(cè)量的結(jié)果更具代表性，位于入口處的 DMT152 價(jià)格更加實(shí)惠，且表現(xiàn)優(yōu)于價(jià)格更高的分析儀。因此，建議直接在想要關(guān)注的位置進(jìn)行測(cè)量，并盡可能減少采樣管的使用。由于測(cè)量裝置和測(cè)量原理更加簡(jiǎn)單，這種方法也具有更為顯著的成本效益。