Silná trojice v neustálém nasazení

Obrázek 1: Měřicí technologie - Vlhkostní senzory

Obrázek 2: Měřící technologie - Teplotní senzory

Obrázek 3: Měřicí technologie - Diferenciální tlakové senzory

Obrázek 4: Technologie měření vlhkosti - přesnost měření

Tabulka 1: Srovnání provozních nákladů - různé technologie měření vlhkosti

Portrét Marco Cau

Pro produkty z farmaceutického, polovodičového a solárního průmyslu je řízená čistá místnost nejdůležitější podmínkou pro vysokou kvalitu a nízkou míru odpadu. Člověk téměř nezaznamená o pár % relativní vlhkosti vzduchu více či méně, u produktu však může být toto velmi rozhodující. Aby byly dodrženy požadované klimatické podmínky, je nezbytné používat vysoce kvalitní klimatická měřicí zařízení, protože ta stojí na prvním místě v řetězci měření/řízení a přímo ovlivňují následující prvky, jako jsou ventilátory, zvlhčovače vzduchu atd. Při koncepci čisté místnosti by proto měla být věnována velká pozornost sensorům.

V moderních čistých místnostech hrají klimatické senzory stále důležitější roli, neboť jsou zodpovědné za stabilní a shodný vnitřní vzduch. Typicky se v čistých místnostech téměř výhradně používají senzory vlhkosti, teploty a diferenčního tlaku, jejichž úkolem je kontinuálně určovat aktuální hodnotu a vydávat ji jako standardizovaný regulační signál. Ideálně by tento signál měl být přesný, reprodukovatelný a stabilní. Požadované cílové hodnoty a přesnost klimatických parametrů závisí především na oblasti použití. Čistá místnost v farmaceutické výrobě je definována odlišně než čisté místnosti v mikroelektronice, medicíně nebo v nemocnicích. Aby bylo možné splnit tyto často vysoké požadavky, je důležité vybírat senzory podle určitých kritérií. Existují totiž velké rozdíly v přesnosti, reprodukovatelnosti a stabilitě klimatických měřicích zařízení a použitá měřicí technologie hraje při tom důležitou roli.

Vlhkostní senzory
Zde rozlišujeme kapacitní a odporově-elektrolytické měřicí technologie. Kapacitní metoda je založena na dielektriku, které absorbuje vodu ze vzdušné vlhkosti. To mění kapacitu systému a tím vydává určitý signál. U odporově-elektrolytických senzorů se měří vodivost kapalného elektrolytu, která se mění při příjmu a uvolnění vody. U obou technologií dochází k elektronickému zpracování surové hodnoty, aby bylo možné získat efektivní hodnotu vlhkosti.

Teplotní senzory
U teplotních senzorů je k dispozici široká nabídka různých technologií, zde jsou zmíněny nejběžnější metody měření. Jedná se o PT100/PT1000 a tzv. NTC senzory. Obě měří okolní teplotu na základě závislosti na elektrickém odporu prvku. U PT100/1000 je to platina, u NTC jsou to kovové oxidy. Pokud teplota stoupne nebo klesne, mění se odpor a odpovídající signál je vydáván.

Diferenční tlakové senzory
Třetí skupinou jsou diferenční tlakové senzory. Ty měří rozdíl tlaku mezi vzduchem v místnosti a v čisté místnosti, mezi různými třídami čistých místností nebo při tlakových kaskádách. Obecně rozlišujeme dynamické a statické měření tlaku. První se provádí pomocí senzoru hmotnostního průtoku, který měří vzdušnou hmotu procházející z vyššího do nižšího tlakového rozsahu a přepočítává ji na diferenční tlak. Na druhé straně statické systémy měří změnu impedance, která vzniká při deformaci piezorezistivního vrstveného silikonu umístěného v membráně.

Výběr senzoru
Klimatická měřicí zařízení jsou bohužel často vybírána pouze na základě pořizovacích nákladů. Přistupovat k ceně jako jedinému kritériu výběru se však často ukazuje jako nedostatečné. Měly by být zohledněny i technické aspekty, jako například přesnost měření, stabilita, doba odezvy, hystereze atd. Nesmí se zapomenout, že na začátku každého řetězce měření/řízení je vždy senzor nebo klimatické měřicí zařízení, které zaznamenává aktuální hodnotu a předává ji akčním členům. Sensorika tak hraje klíčovou roli v celkovém konceptu klimatizačního systému. Pokud však vezmeme v úvahu následující aspekty, nic nebrání plynulému a nákladově efektivnímu provozu.

Obecně platí pravidlo: Měření by mělo být asi 5-8krát přesnější než požadovaná přesnost na „POINT OF ACTION“, tj. v procesu. Tento faktor vychází z celkové tolerance v celém řetězci měření/řízení, který zahrnuje kromě senzorů a akčních členů také ventilátory, filtrační systémy, zvlhčovače vzduchu, ventilační klapky atd.

Příklad měření vlhkosti vzduchu:
Přesnost měření +/- 2 % rF při koeficientu 5-8 poskytuje regulační přesnost v procesu od +/- 10 do +/- 16 % rF, což je v čisté místnosti obvykle nedostatečné. Při přesnosti měření +/- 0,5 % rF však dosahujeme přesnosti v procesu od +/- 2,5 do +/- 4 % rF. Tato přesnost je ve většině případů dostačující.

Investice do přesných senzorů se určitě vyplatí. Případné dodatečné náklady na měřicí přístroje nejsou v poměru ke zlepšenému procesu a sníženým provozním a energetickým nákladům. Takto optimalizované procesy přinášejí následující úspory nákladů: menší spotřeba energie na úpravu vody pro zvlhčování vzduchu; delší životnost filtračních systémů; prodloužená životnost zvlhčovačů vzduchu; delší kalibrační a nastavovací cykly; snížené regulační cykly; obecně minimalizované úpravy zařízení.

Pro využití těchto úsporných potenciálů je klíčový výběr správné technologie, jak ukazuje následující příklad.

Umístění senzoru
Výběr senzoru je však pouze polovinou úspěchu. Kromě kvality senzoru hraje důležitou roli i jeho umístění. Senzor může plně využít své přednosti pouze tehdy, je-li na správném místě. Klíčové je umístění v blízkosti procesu, tj. senzor by měl měřit co nejblíže procesu a naměřené hodnoty by měly být ihned převedeny do regulačního signálu a přenášeny. Dalšími kritérii jsou snadná dostupnost pro kalibraci a výměnu, optimální ochrana před dezinfekčními prostředky (např. H2O2), umístění v přívodním potrubí čerstvého vzduchu do místnosti a konečně instalace v oblastech, kde jsou dodržovány provozní podmínky uvedené výrobcem (např. teplota, kondenzace, vibrace atd.). Pokud jsou tato kritéria splněna, lze výrazně zlepšit přesnost měření, reprodukovatelnost, dlouhodobou stabilitu a životnost senzorů.

Programy úspor nákladů již nejsou volbou, ale nutností. Efektivita celých systémů musí být pečlivě prověřena a zahrnuta do kalkulací nákladů, nejen u jednotlivých komponent. Není užitečné, když je efektivní high-end zvlhčovač vzduchu řízen nepřesným senzorem s hysterezí.

Celkově jsou veškeré dodatečné náklady na pořízení špičkové měřicí techniky po velmi krátké době amortizovány, kvalita optimálního čistého vzduchu v místnosti je zajištěna a spotřeba energie je snížena. A v neposlední řadě přispívá úspora energie i k ochraně životního prostředí. Zkrátka: skutečná situace WIN-WIN!