Fallexempel på högrena gaser inom processindustrin

Några av de mest utmanande industriella processerna, såsom ren gasproduktion eller halvledartillverkning, kräver mycket noggranna mätningar av spårfuktighetsnivåer.

Vanligtvis anses de bästa mätningarna vara de som utförs i laboratoriemiljöer. Det finns emellertid källor till osäkerhet som är kopplade till provtagningen, till exempel kontaminering, medelvärdesberäkning och slangar. I den här artikeln visar vi provtagningsrelaterade osäkerhetskällor i laboratoriemiljöer jämfört med onlinemätningar.

Det är vanligtvis underförstått att det bästa sättet att uppnå en hög noggrannhet är att köpa ett mätinstrument med de bästa specifikationerna. För fuktighetsmätningar innebär detta ett instrument av analysatortyp eftersom dessa i teorin är mycket exakta. Analysatorer är emellertid dyrare än mer robusta industriinstrument. De är också mer känsliga för omgivningseffekter och kräver därför specifika och stabila förhållanden. 

Vanligtvis mäter inte analysatorer direkt från processen. Istället tas ett gasprov som leds till analysatorn och sedan slösas bort. Problemen med provgaser är vanliga i alla mätningar:  

• De kanske inte är representativa för de faktiska processförhållandena.
• De kan också påverkas av externa faktorer vid provtagning och analys.
• De kan vara påverkade av läckor, eller till och med vara källan till läckor.  

Föreställ dig till exempel att väga lite pulver. Om pulvret blir blött av regn mellan provtagning och vägning kommer provet inte att återspegla pulvrets verkliga vikt och sammansättning. På samma sätt kan vattenånga lätt förändra och öka luftfuktigheten i ett gasprov, vilket leder till felaktiga resultat även med de mest avancerade och splitternya instrument.

Så här förbättrar du fuktighetsmätningar i extremt torra miljöer

Experiment
För att demonstrera problemet och studera dess effekter byggde vi en testkonfiguration (visas i figur 1). Grundidén i konfigurationen var att ha en konstant fuktighet, som sedan stördes genom att temperaturen på slangen ändrades inom ett intervall på 20 °C till 27 °C. I teorin skulle detta resultera i en adsorptions-/desorptionseffekt som påverkar den totala mängden vattenånga som lämnar värmekammaren. På samma sätt skulle ett provtagningsrör ut från fältet till mätlaboratoriet kunna utsättas för utomhusväder och därmed för temperaturförändringar. I mindre skala kan de varierande inomhustemperaturerna påverka på liknande sätt. Under experimenten hölls gastrycket inom intervallet 1 bar(a) till 2 bar(a), och flödeshastigheten var hela denna tid mindre än 1 l/min, vilket motsvarar analysatorernas flödeshastigheter. Figure 1. Test set-up

Konfigurationen bestod av en fuktighetsgenerator, två Vaisala DMT152-daggpunktsinstrument, en värmekammare med ett 6,7 m elektropolerat stålrör, samt en CRDS-analysator. Ett DMT152-daggpunktsinstrument placerades före och efter värmekammaren (Figur 1). Slangen från den andra DMT152 till analysatorn hölls så kort som möjligt i syfte att minimera omgivande effekter mellan DMT152 och analysatorn. Temperaturen i värmekammaren övervakades med två temperatursensorer.
 

Resultat
Flera mätningar utfördes med olika tryck, flödeshastigheter och luftfuktighet. Värmekammaren kontrollerades på samma sätt genom vart och ett av experimenten. (se bild 2.)

I figur 2: Eftersom temperaturen (svart) störs mer och mer, desto mer detekterar DMT152 vid utloppet bullrig fuktighet, medan inloppsfuktigheten är konstant genom mätningen. I slutet av mätningen stabiliseras temperaturen till laboratorietemperatur, och båda DMT152-instrument är återigen stabila och indikerar samma frostpunktstemperatur. Denna bild visar tydligt effekten av provtagningsrörets temperaturstabilitet på utgående fuktighet - och därmed på fuktmätningar.

En annan mätning illustreras i figur 3. Här var inloppsfuktigheten inte lika stabil som i figur 2, men både DMT152-instrumenten och CRDS-analysatorn indikerar en liknande trend. I figur 3 är emellertid inloppsfuktigheten mycket mindre bullrig jämfört med CRDS-analysatorn eller DMT152 vid utloppet. Faktum är att fuktigheten vid utloppet förändras så mycket att varken DMT152 eller CRDS-analysatorn indikerar rätt inloppsfuktighet, och i själva verket ligger båda utanför sina specifikationer. Här är emellertid instrumenten fullt funktionella och deras prestanda kända för att följa sina specifikationer - problemet ligger hos provtagningsröret. Den ändrade temperaturen orsakar ett adsorptions-/desorptionsfenomen som resulterar i varierande fuktighet i provtagningsrörets utlopp.

Resultaten av mätkampanjen visade:

• Maximal frostpunktstemperaturförändring orsakad av adsorption/desorption var över 4 °C.
• Flödeshastighetseffekter: större flöde är lika med mer buller.
• Ju fler temperaturförändringar desto större blir adsorptions-/desorptionseffekten i slangen.
• Ju lägre luftfuktighet, desto större relativ effekt.

Nyckelbudskap
I denna artikel testades omgivande effekter på provtagning. Om mätmiljön eller provtagningen inte är idealisk kan det ha en betydande inverkan på mätresultaten. Som visas i figurerna 2 och 3 överträffar den mer prisvärda DMT152 (placerad vid inloppet) den dyrare analysatorn, detta tack vare den bättre representativiteten för inline-processmätning. Därför rekommenderas det att utföra mätningar direkt på platsen av intresse och minimera användningen av provtagning när så är möjligt. Detta tillvägagångssätt är också betydligt mer kostnadseffektivt, detta tack vare den enklare mätinställningen och mätprincipen.