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(mǎi)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(mǎi)分析儀類(lèi)型的儀表,因?yàn)檫@類(lèi)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(chēng)量一些粉末。如果在采樣和稱(chēng)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。
如何改進(jìn)極端干燥環(huán)境中的濕度測(cè)量:
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(lèi)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。
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)
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(lèi)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。
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。