Mesure du débit pour l'amélioration des systèmes de surveillance des salles blanches

Capteur (Source de l'image : Schmidt Technology)

Fig. 1 : Caractéristique typique d'une cascade de pression (source de l'image : Schmidt Technology).

Tableau 1

Fig. 2 : Seul le consommation électrique des ventilateurs représente environ 57 % des coûts énergétiques. (Source de l'image : Schmidt Technology)

Fig. 3 : Principe de mesure de l'ajustement du débit d'air (source de l'image : Schmidt Technology)

Fig. 4 : Capteur avec support mural : un diamètre d'environ 50 mm suffit pour mesurer très précisément la soi-disant sursaturation. (Source de l'image : Schmidt Technology)

Fig. 5 : Avec un capteur de flux bidirectionnel, il est possible d'identifier de manière fiable la direction du flux. (Source de l'image : Schmidt Technology)

La sécurité des produits, des processus et des employés dans les salles blanches et environnements similaires est généralement assurée par le maintien de chambres à surpression définies et en cascade. Cela génère un flux d'air provenant de zones de plus haute pureté vers des zones de moindre pureté (sauf pour les chambres sous vide avec exigences opposées). Lorsque la mesure de la pression nécessaire est complétée par la mesure du flux d'air et de sa direction, la sécurité opérationnelle peut être augmentée et souvent les coûts énergétiques également réduits.

Introduction

Pour garantir la protection de certains produits contre la contamination, causée par des personnes ou des conditions ambiantes, ou inversement, par exemple pour protéger les personnes et l'environnement contre des substances biologiques dangereuses, une variété de processus ont lieu dans des salles blanches. On trouve typiquement ces processus dans l'industrie médicale et pharmaceutique, dans les secteurs des semi-conducteurs ou de l'alimentation. Dans d'autres secteurs industriels, le nombre de processus devant être réalisés dans des salles blanches augmente également. La classification de ces salles et la manière de distinguer finalement les zones propres des zones moins propres est décrite dans la norme EN ISO 14644. Elle recommande de créer ce qu'on appelle des zones invulnérables, ce qui, en pratique, est très difficile à réaliser. En effet, il faut que les personnes et les matériaux puissent entrer et sortir sans problème. Une autre possibilité consiste à protéger les zones propres par un flux d'air déplacé pour éviter la contamination provenant de zones moins propres. Cela se fait généralement par un concept de différence de pression avec une surpression régulée. Les capteurs de pression sont connectés à un système de surveillance validé par GaiVlP et les pressions mesurées sont continuellement documentées.

Les surpressions exigées par la norme se situent entre 5 et 20 Pascals, ce qui correspond finalement aux pressions mesurables de manière fiable avec des capteurs de différence de pression. La raison en est la capacité de résolution des capteurs de pression disponibles sur le marché. Pour des raisons de sécurité, on utilise généralement des pressions d'air ambiant moyennes à élevées. Par exemple, dans les salles blanches pharmaceutiques, celles-ci se situent souvent entre 15 et 30 Pascals. Une pression de référence est déterminée, à partir de laquelle les pressions partielles des zones de pureté augmentent par étapes. Toute la commande du flux d'air d'entrée pour l'ensemble du système de traitement d'air est basée sur cette pression de référence. Si des fluctuations apparaissent sur le capteur de pression pour cette pression de référence, cela affecte l'ensemble du système de traitement d'air de la salle blanche. Dans certaines situations, la mesure de pression ne fournit cependant pas toujours suffisamment de données pour pouvoir, à partir de mesures objectives, démontrer le risque de contamination pour l'environnement du produit. Par exemple, lorsque les portes de sas sont ouvertes, la pression chute par rapport à la zone de pureté adjacente à un point tel qu'elle peut être mesurée. L'air circule alors du secteur propre vers le secteur moins propre, mais cela ne peut pas être détecté par la mesure. La conséquence est que, dans de telles situations, la sécurité du produit ne peut pas être démontrée de manière exhaustive.

Vitesse de flux de 0,2 m/s suffit

Les différences de pression entre zones de pureté, inférieures à 5 Pa, telles que décrites ci-dessus, ne sont cependant pas nécessaires pour maintenir la propreté de l'air dans chaque zone. La norme EN ISO 14644-4 définit une vitesse de flux minimale de 0,2 m/s pour différencier les zones de pureté, ce qui correspond à une différence de pression inférieure à 0,1 Pa. Sur le marché, il existe désormais des capteurs de flux capables de mesurer précisément et de manière fiable à partir d'une vitesse d'air (WN) de 0,05 m/s. Cela est bien en dessous d'une différence de pression de 0,01 Pa. On peut en déduire qu'avec une technologie de mesure du flux supplémentaire, capable d'une telle précision, il est possible de mesurer des flux de 0,2 m/s d'une zone de pureté à une autre, permettant de détecter en toute sécurité les surpressions. Autrement dit, il est possible de faire des déclarations sur la fonction de protection ou sur un risque de contamination transportée par l'air, même à faibles flux d'air, qui ne peuvent plus être détectés par la mesure de pression classique.

Facile à installer

Pour l'installation de tels capteurs de flux, de petites ouvertures murales d'environ 50 mm de diamètre suffisent pour mesurer très précisément la surpression, c'est-à-dire l'air qui s'échappe du salle blanche en raison de la surpression existante à l'intérieur. Pour évaluer l'effet de la pression ambiante sur la vitesse de surpression, la loi d'échappement de Torricelli peut être appliquée. Avec de l'air ambiant à 20°C et une pression standard de 1013,5 hPa, les relations suivantes apparaissent (Tab. 1). Par conséquent, un capteur de flux placé dans une ouverture de surpression dans le mur d'une salle blanche peut même détecter une surpression très faible. La direction du flux d'air, cependant, est cruciale. Si l'air circule du secteur propre vers le secteur moins propre, la fonction de la salle blanche est assurée et la sécurité du produit garantie. Avec de telles valeurs de mesure fiables, il est parfois possible de libérer une charge produite malgré une alarme du capteur de pression. Pour garantir cette sécurité, c'est-à-dire détecter les retours d'air, on peut aujourd'hui utiliser des capteurs de flux capables de mesurer la direction du flux de manière bidirectionnelle. Leur principe repose sur un capteur thermopile, qui détecte le refroidissement induit par un flux d'air à l'aide d'un élément semi-conducteur chauffé. On parle aussi d'anémométrie thermique, décrite plus en détail sur http://sensorik.schmidttechnology-aktuell.de/ fakten/stromungsmessung-durch-erzwungene-konvektion-2/. En connectant en parallèle deux de ces éléments semi-conducteurs et en analysant lequel est le plus chaud, la direction du flux peut être identifiée de manière fiable. Ces capteurs de flux bidirectionnels fournissent donc également en cas de chute de pression des données objectives permettant de quantifier les risques de contamination par air transporté. Lorsqu'un tel capteur est relié à un système de surveillance, des données de mesure exhaustives et fiables sont disponibles. Ces capteurs, conformes aux normes actuelles, peuvent être facilement intégrés dans des systèmes de surveillance existants via une interface 4-20 mA, par exemple. La valeur ajoutée des données de surveillance est ainsi considérablement renforcée par l'intégration de la mesure de la direction du flux. Des calibrages, répondant également aux exigences accrues de l'industrie pharmaceutique, sont aujourd'hui facilement accessibles.

Économies d'énergie comme effet supplémentaire

Des taux de renouvellement d'air élevés entraînent non seulement des coûts très importants pour la condition climatique des flux d'air entrants, mais aussi des coûts très élevés pour l'entraînement des ventilateurs du système de traitement d'air (CTA).

Les expériences pratiques montrent que près de 57 % des coûts énergétiques proviennent uniquement de la consommation électrique des ventilateurs. En ajustant les quantités d'air en fonction des besoins, un potentiel d'économie d'énergie important est exploitable. En réduisant de 50 % le volume d'air fourni, la surpression dans le système diminue à 25 % (soit 75 % de moins qu'à 100 % de volume d'air), ce qui correspond à une réduction exponentielle de la consommation électrique à seulement 12,5 %. Cela signifie que l'énergie électrique nécessaire diminue de façon exponentielle pour atteindre seulement 1/8. Bien que cette relation physique idéale ne puisse être exploitée qu'en partie dans les applications de salles blanches, elle permet néanmoins de réaliser d'importantes économies d'énergie. Cela nécessite, par exemple, de réduire la surpression dans la pièce aussi près que possible des exigences minimales de la norme, tout en maintenant une régulation précise et stable avec le moins d'air neuf possible, c'est-à-dire la puissance du ventilateur de la CTA. Les périodes de calme, comme la nuit ou les week-ends, sont particulièrement propices à cette démarche. La sécurité de fonctionnement de la salle blanche, c'est-à-dire le maintien d'une situation stable, ainsi que les flux laminaire nécessaires doivent toutefois être garantis. La méthode doit respecter la norme et fournir des valeurs de mesure claires ainsi qu'une documentation de ces valeurs. Avec seulement des capteurs de différence de pression, cela reste difficile avec la technologie actuelle. L'installation de capteurs de flux offre cependant des réserves suffisantes pour optimiser ces processus.

Conclusion

La preuve de flux d'air via des capteurs de flux bidirectionnels, ou leur documentation, apporte une sécurité supplémentaire dans les salles blanches. Ces capteurs, faciles à installer et simples à intégrer dans des systèmes de surveillance, peuvent être rapidement ajoutés à des salles blanches existantes ou à des environnements comparables. Comme le montre l'analyse énergétique des coûts d'exploitation des salles blanches, la réduction des taux de renouvellement d'air, tout en respectant un minimum sûr conforme aux exigences normatives, offre souvent un potentiel d'économie considérable.