Tudni, hogyan fúj a szél

Ábra 1: Áramlási eloszlás egy FFU alatt

Ábra 2: Egy érzékelő szerelése egy FFU alatt

Dipl. Ing. (FH) Helmar Scholz, az érzékelők fejlesztési vezetője, SCHMIDT Technology GmbH

A tiszta szobákban végzett lamináris légáramlás sebességmérése a szenzorokra legmagasabb követelményeket támasztja. A megfelelő mérési módszer kiválasztása a legkisebb áramlási sebességek pontos méréséhez csak az első akadály. Konstrukciós szempontok, mint például könnyen tisztítható, kopás- és driftmentes kialakítás ugyanolyan fontosak, mint egy precíz, alkalmazáshoz közeli kalibrációs eljárás. Ennek megfelelően az ilyen speciális szenzorok alkalmazása és működtetése a kezelő részéről átfogó szakértelmet igényel.

Általánosságban sok fizikai elvet lehet alkalmazni a légáramlások mérésére, azonban ezek technikai kivitelezése az adott alkalmazási körülményektől függően rendkívül sokféle mérőeszközt eredményez. Ugyanakkor csak kevés módszer vagy rendszer felel meg azoknak az elvárásoknak, amelyek egy tisztatérben végzett légáramlásmérésnél felmerülnek.

Az egyik legnagyobb kihívás a mérendő alacsony légáramlási sebességtartomány, amelyben a szenzorok mérniük kell. A lamináris áramlás felügyelete és szabályozása egy ún. szűrőventilátor egység (FFU) alatt, amely a tisztatéri légáramlás szenzorainak egyik fő alkalmazási területe lehet, jellemzően 0,45 m/s sebességnél van. Ez olyan légmozgást jelent, amit egy nyugodt szellőben sétáló személy érzékelne, körülbelül 1,5 km/h sebességgel. Ezért elengedhetetlen olyan módszert választani, amely nemcsak mérni tudja ezeket az alacsony sebességeket, hanem elég pontos és reprodukálható felbontással is rendelkezik. Erre különösen a hőmérsékleti módszer (kalorimetrikus eljárás, például egy fűtött tárgy lehűlésének mérése) alkalmas, mivel maximális érzékenysége éppen az alacsony sebességtartományban van. Alternatív mérési módszerek, mint például a differenciadifferenciás nyomás- vagy vortex szenzorok, már eleve túl magas mérési tartományt fednek le, míg a sugáralapú rendszerek legnagyobb érzékenységüket csak magas sebességeknél mutatják.

Egy másik, nem kevésbé fontos előnye a hőmérsékleti anemométernek, hogy teljesen mozgó alkatrészek nélkül működik. Ez azt jelenti, hogy nem fordulhat elő külső szennyeződés a tiszta levegőben kopás vagy kenőanyagok bejuttatása miatt. A kopásmentesség lehetővé teszi a driftmentes működést, így hosszú távon magas és megbízható mérési eredményeket garantál. Végül, de nem utolsósorban, egy GMP-nek megfelelő, könnyen tisztítható és sterilizálható kialakítás, mely nem tartalmaz rejtett éllezárásokat, megvalósítható, ami alapvető szempont egy tisztatér esetében. Mechanikus módszerek, mint például a szárnykerék szenzorok, ezek miatt teljesen alkalmatlanok állandó telepítésre tisztaterekben, ugyanakkor a fent említett alternatív mérési eljárások is problémásak lehetnek a rejtett éllezárások miatt.

Az eredményességet azonban nem csak a megfelelő mérési módszer kiválasztása határozza meg, hanem az is, hogy a szenzorokat kalibrálják és összehangolják. Ehhez rendkívül pontos, erre kifejlesztett szélcsatornákra van szükség, amelyek segítségével a szenzorokat működésük teljes ciklusa során, a gyártástól kezdve, megfelelően lehet jellemezni és dokumentálni. A lamináris áramlás esetében két szempontot kell különösen figyelembe venni, amelyek gyakran alábecsültek. Egyrészt az alacsony légáramlási sebességek miatt rendkívül nyugodt környezet szükséges a kívánt pontosság eléréséhez. Például egy nyitott, környezettől nem izolált mérőszakasz kalibrálása során már a laboratórium nyitása vagy akár csak egy egyszerű „elfordulás” a mérőhely közelében jelentős eltéréseket okozhat. Ezért ajánlott olyan gyártót választani, aki zárt szélcsatornával rendelkezik, hogy minimalizálja a környezeti hatásokat. Másrészt, egy gyakran alábecsült vagy akár ismeretlen tényező az alkalmazás közben jelentkező, a szűrőlap alatt mért (hátrafelé irányuló) fallal való szívás. Fontos figyelembe venni, hogy a hőmérséklet-alapú, fűtőelemekkel működő rendszerek alapvetően saját konvekciójuk révén felfelé irányuló légáramlást hoznak létre, amit a szívásnak kompenzálnia kell. Ez a mérési eltérés akár 10%-ot is elérhet a 0,45 m/s sebességnél. A vízszintes és függőleges légáramlás mérésében nemcsak a hőérzékelők, hanem a szárnykerék szenzorok esetében is döntő szerepet játszik, hogy a csapágyat hogyan terhelik (függőlegesen vagy vízszintesen). A legtöbb gyártó azonban csak vízszintes irányú szélcsatornával rendelkezik, ahol a szenzorokat vízszintes légáramlásban kalibrálják, az önkonvekció hatását figyelmen kívül hagyva. Csak néhány gyártó kínál olyan szélcsatornákat, ahol a szenzorokat alkalmazáshoz közeli körülmények között kalibrálják.

A pontos kalibráláshoz a gyártónak nemcsak megfelelő szélcsatornával kell rendelkeznie, hanem megfelelő referencia-mérőtechnikával is, amely lehetővé teszi a légáramlás mérésének szabványos ellenőrzését rendszeres időközönként. Ennek végső eszköze egy lézeres Doppler-anemométer, amellyel a 0,05 m/s alatti sebességek is nagy pontossággal és felbontással mérhetők.

Ha tudatában vagyunk annak, milyen kicsi a mérési érték, és milyen könnyen zavarhatják az apró környezeti hatások, akkor a tisztatéri mérési eredményt alapvetően kritikusan kell értékelni. A telepítés során figyelembe kell venni, hogy a szűrőlap alatti légsebesség-eloszlás soha nem homogén, különösen a szűrő szélénél, ahol a keret jelentősen zavarja (lásd 1. ábra). Ezért bevált módszer, hogy a szenzor mérőpontját középen a lamináris áramlás egység alatt helyezzük el. Függetlenül a szenzor telepítési helyétől, a legjobb reprodukálhatóság érdekében ügyelni kell arra, hogy a mérési pozíció a manipulációk (pl. tisztítás vagy szenzorcsere) során változatlan maradjon. Így az értékek hosszabb időszakokon keresztül is összehasonlíthatók maradnak. Egy olyan szerelési és telepítési rendszer, amely garantálja vagy legalább megkönnyíti a pozíció pontosságát, további szempont a szenzor kiválasztásánál (lásd 2. ábra).

Még a helyes szenzor kiválasztása és telepítése után is lehet hibát véteni. Leggyakrabban ez akkor fordul elő, amikor kézi mérőeszközökkel végzett referencia mérés történik, amelyek a beépített szenzorok kvalitatív és kvantitatív működési ellenőrzésére szolgálnak, például üzembe helyezéskor vagy időszakosan a működés során. Ha nem vesszük figyelembe az egyes mérőrendszerek alapvető sajátosságait, jelentős eltérések lehetnek a kontrollált és a kontrolláló szenzor között. Például, ha a referencia szenzor egy szárnykerék-anemométer („Propeller”), akkor a valós molekuláris légsebességet méri, ellentétben a hőmérsékleti anemométerekkel, amelyek egy adott légnyomás pN és hőmérséklet TN szerint normált légsebességet wN mérnek. Mindkét érzékelő összehasonlításához a legjobb, ha a hőmérsékleti érzékelő normált sebességjelét a jelenlegi környezeti paraméterek (aktuális levegő hőmérséklet Tact és légnyomás pakt) alapján a következő képlettel alakítjuk át a valós sebességgé wR:

A képlet alapján könnyen megállapítható, hogy mind a légnyomás, mind a hőmérséklet befolyásolja a hőmérsékleti anemométer eredményét. A tisztatérben a hőmérséklet hatását a stabil körülmények és a TN = 20 °C körüli referenciaértékhez való működés miatt gyakorlatilag figyelmen kívül lehet hagyni, azonban a jelenlegi légnyomás hatása már annál inkább, amit az alábbi példa is szemléltet. Egy FFU alatti lamináris áramlás mérésére szolgáló hőmérsékleti légáramlás-érzékelőt kalibráltak egy pN = 1013,25 hPa (tengerszinti normál nyomás) referenciaértékre. Ha ezt a szűrőegységet tengerszinten működtetik egy tisztatérben, a valós nyomás nagyjából megegyezik a referenciaértékkel, így a szenzor egy normál sebességet wN mutat, ami megegyezik a valós sebességgel wR = 0,45 m/s. Azonban, ha ezt az egységet a Fekete-erdőben, 1000 m magasan (körülbelül pakt = 890 hPa) helyezik üzembe, a FFU ventillátormotorja a változatlan fordulatszám miatt továbbra is légáramlást kelt wR = 0,45 m/s sebességgel a szűrőn keresztül, de a kisebb légállandóság miatt a fent említett képlet szerint, a wR-re átszámított érték a szenzor kijelzésén a következő lesz:

Ezzel szemben egy szárnykerék-anemométer esetében a hőmérsékleti anemométer csak kb. 0,40 m/s értéket mutat, ami több mint 10%-os eltérés. Ha a felhasználónak a valós sebesség mérőértékére van szüksége a tisztatérben, akkor érdemes a hőmérsékleti szenzor eredményét a fent említett képlettel átszámítani. Ezenkívül a légnyomás változásait, például időjárási ingadozásokat (általában < ±20 mbar) első közelítésben figyelmen kívül lehet hagyni. Valóban pontos méréshez légnyomásérzékelő alkalmazása javasolt, amely figyeli az aktuális légnyomás összes hatását, esetleg a környezeti hőmérsékletet is mérve és figyelembe véve.

A légáramlás mérés a tisztatérben tehát nem egyszerű feladat. A megfelelő mérőrendszer kiválasztása, a reprodukálható telepítési hely és a mérési eredmények helyes értelmezése alapvető feltételei annak, hogy megbízható és tartós mérési eredményeket kapjunk. És mindig tudatában kell lenni annak, hogy mit mérünk: egy enyhe szellőt egy tavaszi sétánál.