Saber cómo sopla el viento

Figura 1: Distribución del flujo debajo de una FFU

Figura 2: Montaje de un sensor debajo de una FFU

Dipl. Ing. (FH) Helmar Scholz, Jefe de Desarrollo de Sensores, SCHMIDT Technology GmbH

La medición de velocidad de corrientes de aire laminares en salas limpias presenta los más altos requisitos para los sensores. La selección de un método de medición adecuado para medir con precisión las velocidades de flujo más pequeñas es solo el primer obstáculo. Aspectos constructivos como un diseño fácil de limpiar, sin desgaste ni deriva, son tan importantes como un método de calibración preciso y cercano a la aplicación. En consecuencia, la aplicación y operación de sensores tan especializados también requiere un conocimiento profundo por parte del operador.

Para la medición de corrientes de aire, en principio, son adecuados muchos principios físicos, cuya implementación técnica debido a las condiciones específicas de cada aplicación conduce a una enorme variedad de instrumentos de medición. Sin embargo, solo unos pocos de estos procedimientos o sistemas cumplen con los requisitos especiales que plantea la medición de flujo en una sala limpia.

La mayor dificultad probablemente sea el rango de velocidades de flujo bajas en las que las sondas deben medir. En el caso de la supervisión y regulación del flujo laminar bajo una llamada unidad de ventilación con filtro (FFU), que puede considerarse como el caso principal de uso para sensores de flujo en salas limpias, la velocidad típica de flujo es de 0,45 m/s. Esto corresponde a un movimiento de aire que un paseante tranquilo en calma sentiría a una velocidad de aproximadamente 1,5 km/h. Por lo tanto, es imprescindible seleccionar un método que no solo pueda medir velocidades tan bajas, sino también resolverlas con suficiente precisión y reproducibilidad. Para esto, se recomienda especialmente el método térmico (método calorimétrico, medición del enfriamiento de un objeto calentado), ya que su máxima sensibilidad se encuentra precisamente en el rango de velocidades bajas. Métodos alternativos como sensores de diferencia de presión o vortex fracasan desde el principio debido a un rango de medición demasiado alto, mientras que los sistemas basados en orificios tienen su máxima sensibilidad solo a altas velocidades.

Otra ventaja, no menos importante, de un anemómetro térmico es que funciona completamente sin partes móviles. Esto significa que no puede ocurrir contaminación cruzada del aire limpio por desgaste o entrada de lubricantes. La libertad de desgaste permite un funcionamiento sin deriva y garantiza, por tanto, durante largos períodos, una alta y confiable reproducibilidad de los resultados de medición. Por último, pero no menos importante, se puede realizar un diseño compatible con GMP, fácil de limpiar y esterilizar, sin esquinas vivas, un criterio esencial si se recuerda el aspecto principal de una sala limpia. Los procedimientos mecánicos, como las sondas de palas, son totalmente inadecuados para instalaciones fijas en salas limpias por las razones mencionadas, y los métodos de medición alternativos anteriormente mencionados también presentan problemas, especialmente en cuanto a la ausencia de esquinas vivas.

Pero no solo la elección del método de medición correcto determina un buen resultado; también se establece otro pilar en la calibración y ajuste de los sensores. Se requieren túneles de viento de alta precisión, diseñados específicamente para ello, para caracterizar y documentar los sensores con suficiente precisión durante todo su ciclo de vida, desde la fabricación. En el caso concreto del flujo laminar, hay dos aspectos que a menudo se subestiman. Por un lado, las bajas velocidades de flujo exigen un entorno extremadamente estable para poder alcanzar las precisiones requeridas. Por ejemplo, durante un proceso de calibración en una línea de medición "abierta", no aislada del entorno, incluso abrir un laboratorio cercano o simplemente pasar por delante del punto de medición puede causar desviaciones importantes. Por ello, se recomienda que el fabricante disponga de un túnel de viento cerrado para minimizar estos efectos ambientales. Por otro lado, un aspecto a menudo subestimado o incluso desconocido en la aplicación misma es que se debe medir una corriente de aire (en dirección opuesta) debajo de la cubierta del filtro. Es importante tener en cuenta que los sistemas térmicos, que trabajan con calefactores, generan una corriente de convección ascendente debido a su propio calor, que debe ser compensada por la corriente descendente en la corriente de caída. La desviación en la medición causada por esto puede llegar, dependiendo del instrumento, hasta un 10% del valor medido en 0,45 m/s. La diferencia entre medición de flujo horizontal y vertical no solo la detectan sensores térmicos; también para los sensores de palas es crucial, especialmente en bajas velocidades, en qué modo se carga el cojinete de la pala (colgando o en posición horizontal). La mayoría de los fabricantes solo disponen de túneles de viento en los que los sensores se calibran en flujo horizontal, sin considerar la convección propia. Los túneles de viento específicos para corrientes de caída, donde los sensores se calibran en condiciones cercanas a la aplicación, solo se encuentran en muy pocos proveedores de sensores.

Para una referencia precisa, el fabricante de los sensores debe contar además con tecnología de referencia adecuada, que permita verificar la medición del flujo en conformidad con las normas en intervalos regulares. Para ello, solo se recomienda el uso de un anemómetro láser Doppler, que puede medir velocidades por debajo de 0,05 m/s con alta precisión y resolución.

Al comprender cuán pequeñas son estas magnitudes de medición y cuán fácilmente pueden ser afectadas por pequeñas influencias ambientales, se debe cuestionar críticamente un resultado de medición en una sala limpia. Es importante tener en cuenta que, durante la instalación en una sala limpia, la distribución de velocidades debajo de una unidad de cubierta con filtro nunca es homogénea; en particular, en los bordes del filtro, la distribución se ve claramente afectada por el marco (ver figura 1). Por ello, se recomienda montar el punto de medición del sensor en el centro debajo de la unidad de flujo laminar. Independientemente del lugar de montaje elegido, para garantizar la mejor reproducibilidad, la posición de medición debe mantenerse constante a lo largo de todas las manipulaciones (por ejemplo, durante limpiezas o cambios de sensor). Así, los valores permanecen comparables durante largos períodos. Un sistema de montaje e instalación que garantice o facilite la precisión en la posición es otro criterio importante en la elección del sistema de sensores (ver figura 2).

Incluso tras la correcta selección y montaje del sensor en la sala limpia, aún pueden ocurrir errores. La causa más frecuente son las mediciones de referencia con instrumentos manuales, que sirven para verificar cualitativa y cuantitativamente el funcionamiento de los sensores instalados, ya sea durante la puesta en marcha del sistema o periódicamente durante su operación. Si no se consideran las peculiaridades inherentes a los diferentes sistemas de medición, pueden producirse diferencias importantes entre el sensor controlado y el que controla. Por ejemplo, si el sensor de referencia es un anemómetro de palas ("propulsor"), mide la velocidad molecular real del aire, wR, en contraste con los anemómetros térmicos, que miden una velocidad de flujo normalizada, wN, basada en una presión y temperatura específicas (pN y TN). Para comparar ambos tipos de sensores, lo mejor es convertir la señal de velocidad normalizada del sensor térmico en la velocidad real, usando la siguiente fórmula en función de los parámetros ambientales actuales:

De la fórmula se puede deducir fácilmente que tanto la presión del aire como la temperatura influyen en el resultado del anemómetro térmico. En una sala limpia, la influencia de la temperatura puede considerarse prácticamente despreciable debido a las condiciones estables y al funcionamiento cercano al valor de referencia normal de TN = 20 °C. Sin embargo, la influencia de la presión atmosférica actual, como muestra el siguiente ejemplo, no puede ignorarse. Se calibró un sensor térmico de flujo para medición en flujo laminar bajo una FFU con un ventilador controlado por velocidad, en un valor de referencia pN = 1013,25 hPa (presión normal a nivel del mar). Si esta unidad de cubierta con filtro se opera a nivel del mar en una sala limpia, la presión real será aproximadamente igual a la presión de referencia, y el sensor mostrará una velocidad normal wN que coincide con la velocidad real wR = 0,45 m/s. Pero si esa misma unidad se instala en la Selva Negra a unos 1000 m de altura (aproximadamente p = 890 hPa), el motor del ventilador de la FFU, aunque mantiene la misma velocidad de rotación, genera un flujo de aire con una velocidad real de 0,45 m/s, pero debido a la menor densidad del aire, la lectura del sensor, calculada con la fórmula ajustada, será:

En comparación con un anemómetro de palas, el anemómetro térmico en estas condiciones mostrará solo 0,40 m/s, una diferencia de más del 10%. Si el usuario necesita la velocidad real como magnitud de medición en la sala limpia, se recomienda convertir los resultados del sensor térmico usando la fórmula mencionada. Además, las variaciones de presión atmosférica por cambios meteorológicos (típicamente < ±20 mbar) pueden ser consideradas en primera aproximación. Para mediciones realmente precisas, se recomienda usar un sensor de presión que registre todas las influencias del aire circundante, y quizás también medir y considerar la temperatura ambiente.

Por lo tanto, la medición de flujo en una sala limpia no es una tarea trivial. La selección del sistema de medición correcto, la colocación reproducible y la interpretación adecuada de los resultados son condiciones imprescindibles para obtener una medición confiable y duradera. Y siempre debe tenerse presente qué se está midiendo: una brisa suave en un paseo de primavera.