Savoir comment le vent souffle

Figure 1 : Distribution du flux sous une FFU

Abbildung 2: Montage eines Sensors unter einer FFU

Dipl. Ing. (FH) Helmar Scholz, Chef du développement des capteurs, SCHMIDT Technology GmbH

La mesure de la vitesse des flux d'air laminaire dans les salles blanches impose des exigences très élevées aux capteurs. Le choix d'une méthode de mesure appropriée pour une détection précise des plus faibles vitesses de circulation ne constitue que la première étape. Des aspects constructifs tels qu'un design facile à nettoyer, sans usure ni dérive, sont tout aussi importants qu'une procédure de calibration précise et proche de l'application. En conséquence, l'application et l'exploitation de capteurs aussi spécialisés nécessitent également un savoir-faire approfondi de la part de l'exploitant.

Pour la mesure des flux d'air, de nombreux principes physiques sont généralement adaptés, dont la mise en œuvre technique varie énormément en raison des conditions spécifiques à chaque application. Cependant, seuls quelques-uns de ces procédés ou systèmes répondent aux exigences particulières que pose la mesure de flux dans une salle blanche.

La plus grande difficulté réside probablement dans la plage de faibles vitesses de circulation que les sondes doivent mesurer. Dans le cas de la surveillance et du contrôle du flux laminaire sous une unité de filtration (FFU), qui constitue le cas d'application principal pour les capteurs de flux dans une salle blanche, la vitesse typique de circulation est d'environ 0,45 m/s. Cela correspond à un mouvement d'air qu'un promeneur marchant tranquillement par vent calme, à une vitesse d'environ 1,5 km/h, ressentirait. Il est donc impératif de choisir une méthode capable de mesurer ces vitesses extrêmement faibles, avec une précision et une reproductibilité suffisantes. La méthode thermique (procédé calorimétrique, mesure du refroidissement d'un objet chauffé) est particulièrement adaptée, car sa sensibilité maximale se situe justement dans la plage des faibles vitesses. Des méthodes alternatives telles que la pression différentielle ou les capteurs à vortex échouent dès le départ en raison d'une plage de mesure trop élevée, tandis que les systèmes à buse sont les plus sensibles à des vitesses plus élevées.

Un autre avantage non moins important d’un anémomètre thermique est qu’il fonctionne entièrement sans pièces mobiles. Cela signifie qu’il ne peut pas provoquer de contamination croisée de l’air propre par usure ou introduction de lubrifiants. L’absence d’usure permet un fonctionnement sans dérive et garantit ainsi, sur de longues périodes, une grande fiabilité et une reproductibilité précise des résultats de mesure. Enfin, il est possible de réaliser un design conforme aux bonnes pratiques de fabrication (GMP), facile à nettoyer et à stériliser, sans arêtes vives, ce qui est essentiel dans le contexte d’une salle blanche. Les méthodes mécaniques, telles que les sondes à ailettes, sont totalement inadaptées pour une installation fixe dans une salle blanche pour ces raisons, et même les méthodes mentionnées ci-dessus, en particulier en ce qui concerne l’absence d’arêtes, présentent des problèmes.

Ce n’est pas seulement le choix de la méthode de mesure qui garantit un bon résultat, mais aussi la calibration et l’étalonnage des capteurs. Il est nécessaire d’utiliser des tunnels à vent de haute précision, spécialement conçus à cet effet, afin de caractériser et documenter précisément les capteurs tout au long de leur cycle de vie, dès leur fabrication. Dans le cas spécifique du flux laminaire, deux aspects souvent sous-estimés jouent un rôle : d’une part, les faibles vitesses de circulation nécessitent un environnement extrêmement stable pour atteindre la précision requise. Par exemple, lors d’un étalonnage dans un espace de mesure « ouvert » non isolé de l’environnement, même ouvrir un laboratoire voisin ou simplement passer à proximité de la zone de mesure peut entraîner des écarts importants. Il est donc conseillé que le fabricant dispose d’un tunnel à vent fermé pour minimiser ces influences environnementales. D’autre part, un aspect souvent sous-estimé ou inconnu concerne l’application elle-même : il faut mesurer une déviation (vers le bas) du flux sous le plafond filtrant. Il faut tenir compte du fait que les systèmes thermiques, qui utilisent des chauffages, génèrent par convection naturelle un flux ascendant, qui doit être compensé par la déviation mesurée. La différence de mesure causée par cette déviation peut atteindre jusqu’à 10 % de la valeur mesurée à 0,45 m/s, selon l’appareil. La distinction entre mesure horizontale et verticale du flux n’est pas uniquement une préoccupation pour les capteurs thermiques, mais également pour les capteurs à ailettes, surtout dans la plage de faibles vitesses, en fonction de la manière dont le roulement de l’aile est chargé (en suspension ou à plat). La majorité des fabricants ne disposent cependant que de tunnels à vent permettant l’étalonnage horizontal, sans prendre en compte l’effet de convection naturelle. Les tunnels à vent spécifiques pour la mesure et l’étalonnage proches de l’application ne sont présents que chez très peu de fournisseurs de capteurs.

Pour une référence fiable, le fabricant du capteur doit disposer, en plus du tunnel à vent adapté, d’une technique de référence adéquate permettant de vérifier la conformité de la mesure de flux à intervalles réguliers. À cet effet, seul un anémomètre laser Doppler permet de mesurer avec précision et résolution des vitesses inférieures à 0,05 m/s.

En prenant conscience de la faiblesse de ces valeurs de mesure et de leur vulnérabilité face aux plus petites influences environnementales, il faut remettre en question tout résultat de mesure dans une salle blanche. Lors de l’installation, il faut garder à l’esprit que la distribution de vitesse sous une unité de plafond filtrant n’est jamais homogène, notamment dans la zone périphérique du filtre où elle est fortement perturbée par le cadre (voir figure 1). Il est donc recommandé de monter le point de mesure du capteur au centre, sous l’unité de flux laminaire. Indépendamment du lieu de montage choisi, il faut veiller à ce que la position de mesure reste constante malgré toute manipulation (par ex. nettoyage ou changement de capteur), afin de garantir une comparabilité des valeurs sur le long terme. Un système de montage et d’installation garantissant ou facilitant cette constance constitue un critère supplémentaire dans le choix du système de capteurs (voir figure 2).

Même après un choix et une montage corrects du capteur dans la salle blanche, il est encore possible de commettre des erreurs. La plus fréquente concerne les mesures de référence effectuées à l’aide d’appareils portatifs, destinés à valider qualitativement et quantitativement le bon fonctionnement des capteurs installés, lors de la mise en service ou périodiquement pendant l’exploitation. Si les particularités inhérentes à chaque système de mesure ne sont pas prises en compte, il peut en résulter de différences importantes entre le capteur contrôlé et le capteur de référence. Par exemple, si le capteur de référence est un anémomètre à ailettes (« hélice »), il mesure la vitesse moléculaire réelle de l’air, wR, contrairement aux anémomètres thermiques qui mesurent une vitesse normalisée wN, basée sur une pression d’air pN et une température T_N spécifiques. Pour pouvoir comparer ces deux types de capteurs, il est préférable de convertir le signal de vitesse normalisé du capteur thermique en vitesse réelle wR en utilisant la formule suivante, en fonction des paramètres ambiants actuels (température de l’air T_act et pression p_act) :

On peut aisément voir que la pression d’air et la température influencent toutes deux le résultat de l’anémomètre thermique. Dans une salle blanche, l’impact de la température peut être considéré comme négligeable en raison des conditions stables et du fonctionnement proche de la valeur de référence standard de T_N = 20 °C. En revanche, la pression atmosphérique actuelle peut entraîner des écarts importants, comme le montre l’exemple suivant : un capteur thermique pour la mesure du flux laminaire sous une FFU, calibré à une pression de référence p_N = 1013,25 hPa (pression normale au niveau de la mer), indique la vitesse normale w_N lorsque cette unité est utilisée au niveau de la mer. Si cette unité est installée dans la Forêt-Noire à 1000 m d’altitude (p_act ≈ 890 hPa), le moteur du ventilateur de la FFU, dont la vitesse de rotation reste constante, pousse toujours un flux d’air avec une vitesse réelle wR = 0,45 m/s à travers le filtre, mais en raison de la densité d’air plus faible, la lecture du capteur selon la formule de conversion mentionnée ci-dessus affichera une valeur inférieure :

Comparé à un anémomètre à hélice, le capteur thermique indique donc une valeur d’environ 0,40 m/s dans ces conditions, soit une différence de plus de 10 %. Si l’utilisateur souhaite connaître la vitesse réelle dans la salle blanche, il est conseillé de convertir les résultats du capteur thermique à l’aide de la formule susmentionnée. Les variations de pression dues aux changements météorologiques (typiquement < ±20 mbar) peuvent être négligées dans une première approximation. Pour des mesures vraiment précises, l’utilisation d’un capteur de pression, capable de capter toutes les influences du pression atmosphérique, est recommandée, éventuellement en y intégrant la température ambiante.

La mesure du flux dans une salle blanche n’est donc pas une tâche triviale. Le choix du bon système de mesure, la position de montage reproductible et l’interprétation correcte des résultats sont des conditions indispensables pour obtenir une mesure fiable et robuste. Et il faut toujours garder à l’esprit ce que l’on mesure : une brise légère lors d’une promenade printanière.