Measurement of gas concentrations in an environmental mixed flowing gas test chamber

Abstract

Durability of industrial electronic components and systems can be tested with mixed flowing gas (MFG) tests. In mixed flowing gas tests electronics are exposed to parts-per-billion trace level pollutant gases in a test chamber and their effects on the devices are assessed. The test conditions consists of controlled temperature, humidity and pollutant gases. To assure correct test conditions the gas concentrations have to be measured with accuracy. In this thesis different measurement methods for the pollutant gases are presented and the most suitable ones are chosen for MFG use.

Industry standards on MFG tests list many different measurement methods for gas concentration analysis. Their advantages and disadvantages are assessed and uncertainty analysis is done for the most suitable analyzers of these measurement methods. For sulfur dioxide and hydrogen sulfide the most suitable method is ultraviolet fluorescence spectroscopy. For nitrogen dioxide the most suitable methods are chemiluminescence and cavity attenuated phase shift spectroscopy. With chlorine a colorimetry-based chemcassette method is deemed the most suitable with caveats.

Main source of uncertainty for the analyzers is identified as the one caused by linearity. For most analyzers the uncertainty of linearity can be brought down by calibrating the device to a lower gas detecting range. Outside of uncertainty analysis an effect of humidity on measurement was found in ultraviolet fluorescence spectroscopy and chemiluminescence. This effect has to be characterized before conducting MFG tests.

Teollisen elektroniikan toimintavarmuutta voidaan testata virtaavalla monikaasuympäristötestillä. Monikaasuympäristötestauksessa elektroniikkaa altistetaan miljardisosan jäämätason kaasukonsentraatiolle testauskammiossa ja kaasujen vaikutus laitteisiin arvioidaan. Testiympäristön lämpötilaa, ilmankosteutta ja kaasujen konsentraatiota valvotaan. Jotta oikeisiin testiolosuhteisiin päästään, on kaasujen konsentraation mittaukseen käytettävä erityistä huolta. Tässä diplomityössä eri kaasunmittaustapoja esitellään ja sopivimmat valitaan jatkokäyttöön.

Monikaasutestejä koskevat standardit listaavat monia eri mittausmenetelmiä kaasujen konsentraation selvittämiseksi. Eri menetelmien soveltuvuutta arvioidaan ja epävarmuustarkastelu tehdään kaikista sopivimmille analysaattoreille tämän arvion pohjalta. Rikkidioksidin ja rikkivedyn mittaamiseen sopivin menetelmä on ultraviolettifluoresenssispektroskopia. Typpidioksidin mittaukseen parhaiten soveltuu kemiluminesenssimenetelmä sekä kaviteettiavusteinenvaihe-erospektroskopia. Kloorille taas soveltuu parhaiten kolorimetrinen chemcassette-menetelmä tietyin varauksin.

Epävarmuuden päälähde eri analysaattoreille tunnistettiin linearisuuden aiheuttamaksi. Useimmilla arvioiduilla analysaattoreilla lineaarisuuden aiheuttamaa epävarmuutta voi laskea kalibroimalla mittalaite matalemmalle mittausalueelle. Epävarmuustarkastelun ohessa löytyi myös ilmankosteuden aiheuttama vaikutus mittauksiin ultraviolettifluoresenssispektroskopiassa ja kemiluminesenssissa. Tämä vaikutus tulee luonnehtia ennen monikaasutestien tekemistä.