Vědět, jak fouká vítr

Obrázek 1: Rozložení proudění pod FFU

Obrázek 2: Instalace senzoru pod FFU

Dipl. Ing. (FH) Helmar Scholz, vedoucí vývoje senzorů, SCHMIDT Technology GmbH

Naměřování rychlosti laminárního proudění vzduchu v čistých místnostech klade na senzory nejvyšší nároky. Výběr vhodné metody měření pro přesné stanovení nejmenších rychlostí proudění je pouze prvním krokem. Konstrukční aspekty, jako snadná čistitelnost, odolnost proti opotřebení a driftu, jsou stejně důležité jako přesná, aplikací blízká kalibrační metoda. Odpovídající aplikace a provoz takto specializované sensoriky vyžadují od provozovatele také komplexní know-how.

Pro měření proudění vzduchu je obecně vhodných mnoho fyzikálních principů, jejich technická realizace však vzhledem k různým aplikačním podmínkám vede k velké rozmanitosti měřicích přístrojů. Nicméně jen málo z těchto metod nebo systémů splňuje speciální požadavky, které na měření proudění v čistém prostoru klade.

Jako pravděpodobně největší výzvu je třeba vnímat nízký rozsah měřených rychlostí proudění, ve kterém mají sondy měřit. V případě monitorování a řízení laminárního proudění pod takzvanou filtrační jednotkou (FFU), což je hlavní aplikace pro proudové senzory v čistých místnostech, je typická rychlost proudění kolem 0,45 m/s. To odpovídá pohybu vzduchu, který při bezvětří pocítí například pomalý procházkař s rychlostí asi 1,5 km/h. Je tedy nezbytné zvolit metodu, která takto nízké rychlosti nejen dokáže měřit, ale také dostatečně přesně a opakovatelně rozlišit. K tomu je vhodné především tepelné měření (kalorimetrická metoda, měření ochlazování vyhřátého předmětu), protože jeho maximální citlivost je právě v nízkém rozsahu rychlostí. Alternativní metody měření, jako například diferenční tlak nebo vortexové senzory, selhávají kvůli příliš vysokému začátku měřicího rozsahu, zatímco systémy založené na tryskách vykazují nejvyšší citlivost až při vyšších rychlostech.

Další, neméně důležitou výhodou tepelného anemometru je skutečnost, že neobsahuje žádné pohyblivé části. To znamená, že nemůže dojít ke kontaminaci čistého vzduchu oděrem nebo únikem mazacích prostředků. Bezúdržbová konstrukce umožňuje driftově stabilní provoz a zajišťuje dlouhodobě vysokou a spolehlivou reprodukovatelnost měřených hodnot. A v neposlední řadě je možné realizovat GMP-souladný, snadno čistitelný a sterilizovatelný design bez zářezů, což je klíčové při udržování požadavků na čistotu v prostoru. Mechanické metody, například s křídlovými sondami, jsou z výše uvedených důvodů zcela nevhodné pro trvalou instalaci v čistých místnostech, stejně tak i výše zmíněné alternativní metody měření nejsou z hlediska absence zářezů bez problémů.

Dobré měření však nezávisí pouze na volbě správné měřicí metody, ale také na správném vyrovnání a kalibraci senzorů. Je nutné používat vysoce přesné, speciálně pro tento účel vyvinuté větrací komory, které umožní přesně charakterizovat a dokumentovat senzory po celou jejich životnost, počínaje výrobou. V konkrétním případě laminárního proudění hrají roli dva aspekty, které jsou často podceňovány. Nízké rychlosti proudění vyžadují extrémně klidné prostředí, aby bylo možné dosáhnout požadované přesnosti. Například při kalibraci v „otevřeném“, neizolovaném měřicím úseku může již otevření blízké laboratoře nebo prosté „přejití“ kolem měřicího místa způsobit významné odchylky. Proto je vhodné, aby výrobce disponoval uzavřenou větrací komorou, která minimalizuje vliv okolního prostředí. Na druhou stranu je často podceňovaným nebo dokonce neznámým aspektem samotné použití, a to měření (směrem dolů) pod filtračním krytem. Je třeba vzít v úvahu, že tepelné systémy pracující s topnými tělesy generují přirozenou konvekci, která vytváří proudění směrem vzhůru, jež musí být kompenzováno. Tato odchylka měřených hodnot může podle typu přístroje dosahovat až 10 % hodnoty při 0,45 m/s. Rozdíl mezi měřením horizontálního a vertikálního proudění není důležitý pouze pro tepelné senzory, ale i pro křídlové senzory, především v nižším rozsahu rychlostí proudění, záleží na tom, jak je uložené ložisko křídelního kola zatíženo (visící nebo ležící). Většina výrobců však má pouze větrací komory, ve kterých jsou senzory kalibrovány v horizontálním proudění, přičemž vliv konvekce se zde vůbec nezohledňuje. Komory určené pro měření pod filtračním krytem, kde jsou senzory kalibrovány v aplikaci, jsou k dispozici pouze u velmi mála výrobců.

Pro přesnou referenci musí výrobce senzorů kromě vhodné větrací komory disponovat také odpovídající referenční měřicí technikou, která umožní normou stanovenou kontrolu proudění v pravidelných intervalech. K tomu je nejvhodnější použití laserového Dopplerova anemometru, který umožňuje měřit rychlosti pod 0,05 m/s s vysokou přesností a rozlišením.

Pokud si uvědomíme, jak je tato měřicí veličina malá a jak snadno může být ovlivněna nejmenšími vlivy prostředí, je nutné výsledky měření v čistém prostoru kriticky posuzovat. Při instalaci v čisté místnosti je třeba vzít v úvahu, že rozložení rychlosti pod filtračním krytem není nikdy homogenní, zvláště v okrajových oblastech filtru je výrazně narušeno rámem (viz obrázek 1). Proto je osvědčené umístit měřicí bod senzoru do středu pod laminárním proudícím zařízením. Bez ohledu na zvolenou montážní polohu je důležité zajistit, aby měřicí místo zůstalo zachováno i při manipulacích (například čištění nebo výměně senzoru), což zajistí srovnatelnost hodnot i po delší dobu. Montážní a instalační systém, který garantuje nebo alespoň usnadňuje přesnost polohy, je dalším kritériem při výběru senzoru (viz obrázek 2).

I při správném výběru a instalaci čistotního senzoru je možné udělat chybu. Nejčastěji k tomu dochází při referenčních měřeních ručními přístroji, které mají sloužit k ověření funkčnosti použitých senzorů, buď při uvedení zařízení do provozu, nebo periodicky během provozu. Pokud se při tom nezohlední případné principové odlišnosti různých měřicích systémů, může dojít k výrazným rozdílům mezi kontrolovaným a kontrolujícím senzorem. Například pokud je referenční senzor křídlové anemometr („propeler“), měří skutečnou molekulovou rychlost vzduchu wR, zatímco tepelné anemometry měří normovanou rychlost proudění wN (v závislosti na aktuálním tlaku vzduchu pN a teplotě TN). Pro srovnání obou typů senzorů je nejlepší přepočítat normované signály tepelného senzoru na skutečnou rychlost wR podle následujícího vzorce:

Podle vzorce je zřejmé, že jak tlak vzduchu, tak teplota mají vliv na výsledek měření tepelného anemometru. V čisté místnosti lze vliv teploty vzhledem ke stabilním podmínkám a provozu v blízkosti normové hodnoty TN = 20 °C prakticky zanedbat, naopak vliv aktuálního tlaku vzduchu je podstatný, jak ukazuje následující příklad. Tepelný proudový senzor určený pro měření laminárního proudění pod FFU s otáčkově řízeným ventilátorem byl kalibrován na referenční hodnotu pN = 1013,25 hPa (normální tlak na úrovni moře). Pokud je tato filtrační jednotka provozována na úrovni moře v čisté místnosti, odpovídá skutečný tlak přibližně referenční hodnotě, takže senzor ukazuje normální rychlost wN, která odpovídá skutečné rychlosti wR = 0,45 m/s. Pokud je však tato jednotka instalována ve Schwarzwaldu ve výšce 1000 m (přibližně pact = 890 hPa), ventilátor FFU díky konstantní otáčkové rychlosti stále tlačí vzduch s rychlostí wR = 0,45 m/s skrz filtr, avšak kvůli nižší hustotě vzduchu se podle výše uvedeného vzorce, který přepočítává normovanou rychlost na skutečnou, zobrazí senzor s hodnotou:

Ve srovnání s křídlovým anemometrem ukazuje tepelné anemometr za těchto podmínek hodnotu pouze 0,40 m/s, což je rozdíl více než 10 %. Pokud tedy uživatel potřebuje skutečnou rychlost proudění jako měřicí veličinu v čisté místnosti, doporučuje se výsledky tepelného senzoru upravit podle výše uvedeného vzorce. Při tom lze z prvotních odhadů zanedbat vliv změn tlaku vzduchu způsobených počasím (obvykle < ±20 mbar). Přesnější měření umožní použití tlakoměru, který zachytí všechny vlivy aktuálního tlaku vzduchu, případně lze měřit i okolní teplotu a zohlednit ji.

Naměřování proudění vzduchu v čisté místnosti tedy není jednoduchou záležitostí. Výběr správného měřicího systému, reprodukovatelné umístění a správná interpretace výsledků jsou nezbytnými předpoklady pro spolehlivý a přesný měřicí provoz. A je třeba si vždy uvědomit, co vlastně měříme: slabý vánek při jarní procházce.