洁净室的湿度测量

[2011/9/13]

　　要想获得最佳的湿度测量数据，选择正确的测量仪器十分重要。同时，还应定期按照可追溯性标准进行校准。

　　在洁净室内生产的产品范围很广，包括药物和半导体等。通常情况下，湿度、温度、颗粒和压力都是受控的，因为这些参数对产品质量和生产效率而言具有非常重要的影响。

　　相对湿度

　　相对湿度(%RH)用于描述存在于空气和水的气体混合物内的水蒸气含量。它是指空气中实际含有的水蒸气量与当时温度下饱和水蒸气量的百分比。在生产现场出现的问题，例如材料的膨胀和收缩、硬化和软化、液体的粘度变化、微生物的繁殖、静电增加、腐蚀和生锈等很大程度上都受到湿度的影响。

　　露点

　　露点(Td)是指露水或冷凝水在冷却气体上形成时的温度。露点温度用于描述气体(例如空气)中非常微小的水分含量。半导体在微机械加工过程中，由于水分子被认为是污染物，因此其加工环境极其干燥。在这种情况下，相对湿度几乎保持在0%RH，但是露点温度对于被测气体的水分含量变化而言仍然非常敏感。

　　不同的应用，不同的需求

　　A制药厂通常配备有大量的洁净室。温度和湿度的控制和记录都严格按照GMP(优良制造规范)的要求执行。湿度传感器最重要的特性就是误差非常小。进行精确的校准对于传感器而言至关重要，这样可以检查其在长时间内是否存在漂移现象。

　　在食品加工厂，必须将生产现场保持或低于某一特定的湿度。通常为40%或更低的湿度值。这有助于抑制可能引发食物中毒的微生物和细菌的繁殖。

　　在半导体和电子产品工厂，产品的更新换代越来越快。因此，在生产过程中对湿度和露点的控制也变得更加严格。在生产现场的微环境下，常常要求达到+ / - 1%RH的超高精度。液晶显示器制造厂和涂料生产厂的湿度控制也同样重要。在这种情况下，湿度传感器的耐用性和精度就显得十分重要。这些工厂会产生影响传感器元件的各种气体。

　　湿度和露点传感器技术

　　用于测量空气中水分含量的湿度传感器大致可分为两种类型。一种用于测量湿度，另一种则用于测量露点。在湿度水平高于10%RH的空气中通常需要进行湿度测定，在低湿度的环境下，则倾向于测量露点。在某些高湿条件下，采用露点测量会更方便。

　　湿度和露点传感器包括：

　　1. 干湿球湿度计

　　2. 机械湿度计

　　3. 氯化锂露点仪

　　4. 电阻型湿度计

　　5. 电容型湿度计(结露仪)

　　6. 镜面露点仪

　　传感器1 - 6可以测量一般的湿度。传感器5和6也可用于低露点的测量。每种技术的原理简述如下：

　　1. 干湿球湿度计是湿度计的简单型，由两个温度计组成。一个温度计有一个干球，另一个球则保持在湿润状态以便测定湿球温度。湿球通过水的蒸发作用冷却。蒸发量以及温度计的冷却状态取决于空气的湿度。这一数据连同湿度查算表或计算结果一起被用来测定周围空气中的水气分压和相对湿度。这种方法通常被用于实验室以及温湿度试验箱。

　　2. 机械湿度计用一种能随湿度的变化而伸长或收缩的器具，例如人的头发，以此来测量和记录湿度。这种测量方法已经使用了很长时间。但是这种方法的精度不太理想。

　　3. 根据氯化锂的吸湿特性(物质吸收水分子的能力)，可采用氯化锂露点仪作为测量手段。传感器由一个卷轴组成，卷轴用一块吸附性布料和一个惰性电极双股线圈(两根绝缘导线，电流逆向穿过)覆盖。卷轴用氯化锂包覆。交流电通过线圈和氯化锂溶液，达到电阻加热的效果。卷轴受热之后，水分从氯化锂溶液中蒸发，其蒸发率受周围空气中的水分气压控制。当卷轴开始干燥时，氯化锂溶液的电阻增加，此时通过线圈的电流较小。这样可以让卷轴冷却。当卷轴的加热和冷却达到一个平衡点时，它既不吸收也不排出水分，并且其平衡温度与周围空气的露点温度成正比。

　　4. 电阻型湿度计利用材料电阻的变化来吸收水分。它用特殊的传感器来测量通过电线的电流电阻。这类传感器适合于批量生产，几乎大多数用于家用电器和其它电器产品。但是，在极低或极高的湿度环境下，其测量精度可能会受到影响。

　　5. 电容型湿度计利用检测聚合物薄膜的电容变化来测量湿度。这类传感器可以轻易达到相当高的精度，并且大部分用于工业领域。Vaisala生产的专利产品HUMICAP®湿度传感器正是采用了此项技术。

　　6. 镜面露点仪利用含水蒸气的空气在冷却过程中在达到露点温度时产生露水这一特点进行测定。镜面达到气体的露点温度后被冷却。露水凝结时，它会改变镜面上的反射光。镜面达到平衡状态时，蒸发和凝结作用的速度相同，镜面的温度等于被测气体的露点温度。这类传感器通常被研究机构所用。

　　用于洁净室的大多数传感器包括电阻型湿度计、电容型湿度计(结露仪)和镜面露点仪。选择某种适当的仪器时，不但要关注其价格和产品规格，而且还应考虑其测量精度、制造商的应用经验以及可用的服务。所有这些因素都有助于改善用户的实际体验效果，也有助于实现成功的运行。

　　定期可追溯的校准非常重要

　　校准时务必确保测量设备提供的数据是可靠和精确的。定期校准是绝对必要的。常用的校准周期可参阅表1。对于已安装的湿度和温度装置，表格2给出了可追溯信息链的实例。从全球范围来看，所有的测量数据都基于全球通用的国际单位制(SI)。这样可以确保我们采用相同的数量，而且在各种不同的地点，在各种型式设备上测得的数据具有可比性。

　　国家实验室负责保留和制定这种可追溯性记录，并提供最高精度的校准服务。国家计量标准实验室提供的校准服务可能仅限于最高级别的原始标准校准。

　　商业性的校准服务则适用于较低等级的标准和测量设备。这些可以是制造商对他们自己的产品提供的校准服务，或者是实验室为任何测量设备提供校准服务。未经认可的校准服务是指大多数服务供应商(包括大部分测量设备制造商)的校准服务和大量商业性校准服务。未经认可的服务其资质是不可靠的。在使用之前，其校准资质应经过相应的审核。每个校准服务供应商都必须拥有一套有效的可追溯信息链。最低限度要求是原始标准必须在外部实验室进行校准，然后再用于校准服务。如果没有单独要求，一些商业性的校准服务所提供的校准证书不包括不确定性估算这项服务。一些校准服务根本无法计算不确定数据。因此请务必考虑这些服务的资质。

　　拥有一套内部的校准系统有时候是切实可行的。如果测量设备很难转移(现场校准)，或校准设备的数量很多的话，这种做法是行之有效的。要建立一套内部的校准系统，应设立一个适当的组织机构。这个机构可以只有一个人，也可以是配有管理人员和校准人员的一个部门。

　　实验室校准通常优于现场校准。在实验室内，环境造成的影响可以减小到最低程度，并且可以非常明显地减少影响校准的不利因素。现场校准是一种简单快速的检查测量设备的方法，它不需要将设备从加工区域移走。现场校准需要一种操作标准作为基准。这种操作标准可以规定用手持式的设备或其它的设备来校准安装在工艺现场的仪器。操作标准应在更高级别的

　　实验室进行校准。

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