流程工業高純氣體案例

　　純氣體生產或半導體制造等某些要求嚴苛的工業流程，需要非常精確地測量微量水分含量。

　　通常認為，在實驗室環境中才能實現理想測量。但是，采樣時會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量相比，實驗室環境中存在哪些會造成不確定性的采樣相關因素。

　　人們通常認為，實現高準確度的理想方法是購買具有高規格的測量儀表。對于濕度測量而言，這意味著要購買分析儀類型的儀表，因為這類儀表理論上準確度高。然而，相較于更堅固耐用的工業儀表，分析儀價格昂貴，且對環境的影響異常敏感，因此需要特定且穩定的使用條件。

　　通常，分析儀并不直接在流程中進行測量，而是要先行采集氣體樣本，將其導入分析儀，然后將樣本遺棄。在所有測量中，氣體樣本通常都存在以下問題：

　　樣本可能無法代表實際的工藝條件。

　　樣本還可能受到采樣和分析中外部因素的影響。

　　樣本可能會受到泄漏的影響，甚至成為泄漏的源頭。

　　舉例來說，想象要稱量一些粉末。如果在采樣和稱量之間的過程中，粉末被雨水打濕，樣本將無法反映粉末的真實重量和成分。同樣，水氣也能輕易改變氣體樣本的濕度，即使使用先進的全新儀表，結果也會不準確。

　　實驗

　　為了展示該問題并研究其影響，我們構建了一個測試裝置（如圖 1 所示）。該裝置的基本思路是保持恒定的濕度，然后通過在 20 °C 至 27 °C 范圍內改變管道溫度來干擾濕度。理論上，這會導致吸附/解吸效應，從而影響排出加熱室的水氣總量。同樣，在從現場轉至測量實驗室的過程中，采樣管可能會暴露在室外天氣下，進而受到溫度變化的影響。在較小的范圍內，不同的室內溫度也可能產生類似的影響。實驗過程中，氣壓保持在 1 bar(a) 至 2 bar(a) 范圍內，流速始終小于 1 l/min，與分析儀的流速一致。

　　Figure 1. Test set-up

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

　　結果

　　在不同的壓力、流速和濕度下進行了多次測量。每次實驗中都以相同的方式控制加熱室。（見圖 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，出口處的 DMT152 檢測到的噪聲濕度越來越多，而入口濕度在測量過程中保持恒定。測量結束后，溫度穩定至實驗室溫度，兩臺 DMT152 儀表再次穩定并指示相同的霜點溫度。該圖清晰展示了采樣管溫度的穩定性對輸出濕度的影響，因而會影響濕度的測量結果。

　　圖 3 繪制了另一次測量的結果。該圖中，入口濕度不像圖 2 中那樣穩定，但 DMT152 儀表和 CRDS 分析儀都呈現出類似的趨勢。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。事實上，出口處的濕度變化過大，以至于 DMT152 和 CRDS 分析儀都無法正確指示入口濕度，并且二者的誤差實際都超出了其規格。然而，此處使用的儀表功能完好，并且性能符合其規格要求，問題出在采樣管上。溫度的變化會引起吸附/解吸現象，從而導致采樣管出口的濕度發生變化。

　　Figure 3. DMT152 instrument vs. CRDS analyzer

　　該測量活動的結果表明：

　　吸附/解吸引起的最大霜點溫度變化超過 4 °C。

　　流量的影響：流量越大，噪聲越大。

　　溫度變化越大，管內的吸附/解吸效應越劇烈。

　　濕度越低，相對影響越大。

　　關鍵要點

　　在本文中，我們測試了環境對采樣的影響。如果測量環境或采樣不理想，可能會對測量結果產生重大影響。如圖 2 和圖 3 所示，由于其在線過程測量的結果更具代表性，位于入口處的 DMT152 價格更加實惠，且表現優于價格更高的分析儀。因此，建議直接在想要關注的位置進行測量，并盡可能減少采樣管的使用。由于測量裝置和測量原理更加簡單，這種方法也具有更為顯著的成本效益。