Sapere come soffia il vento

Figura 1: Distribuzione del flusso sotto una FFU

Figura 2: Montaggio di un sensore sotto un'unità FFU

Dipl. Ing. (FH) Helmar Scholz, Responsabile Sviluppo Sensori, SCHMIDT Technology GmbH

La misurazione della velocità di flussi d'aria laminari in ambienti sterili rappresenta una sfida elevata per i sensori. La scelta di un metodo di misurazione adeguato per rilevare con precisione le più piccole velocità di flusso è solo il primo ostacolo. Aspetti costruttivi come un design facilmente pulibile, senza usura e senza deriva sono altrettanto importanti quanto un metodo di calibrazione preciso e vicino all'applicazione. Di conseguenza, l'applicazione e il funzionamento di sensori così specializzati richiedono anche una conoscenza approfondita da parte dell'operatore.

Per la misurazione dei flussi d'aria, in linea di principio, sono applicabili molti principi fisici, la cui realizzazione tecnica, a causa delle condizioni di applicazione specifiche, porta a una grande varietà di strumenti di misurazione. Tuttavia, solo pochi di questi metodi o sistemi soddisfano i requisiti specifici richiesti dalla misurazione del flusso in un ambiente sterile.

La più grande sfida è considerare l'intervallo di velocità di flusso molto basso in cui devono essere misurati i sonde. Nel caso del monitoraggio e controllo del flusso laminare sotto un'unità di ventilazione a filtro (FFU), che può essere considerato il caso d'uso principale per i sensori di flusso in ambienti sterili, la velocità di flusso tipica è di circa 0,45 m/s. Questo corrisponde a un movimento d'aria percepibile da un passeggiatore che cammina lentamente in assenza di vento, con una propria velocità di circa 1,5 km/h. È quindi essenziale scegliere un metodo che possa non solo misurare velocità così basse, ma anche risolverle con sufficiente precisione e ripetibilità. In questo contesto, il metodo termico (metodo calorimetrico, misurazione del raffreddamento di un oggetto riscaldato) è particolarmente adatto, poiché la sua sensibilità massima si trova proprio in questo intervallo di basse velocità. Metodi alternativi come sensori di pressione differenziale o a vortice falliscono fin dall'inizio a causa di un intervallo di misura troppo elevato, mentre i sistemi a ugello mostrano la loro massima sensibilità solo a velocità più alte.

Un altro vantaggio importante di un anemometro termico è il fatto che non ha parti mobili. Ciò significa che non può verificarsi contaminazione trasversale dell'aria sterile da usura o introduzione di lubrificanti. La mancanza di usura permette un funzionamento senza deriva e garantisce, nel lungo termine, alta affidabilità e ripetibilità dei risultati di misurazione. Infine, è possibile realizzare un design conforme alle GMP, facilmente pulibile e sterilizzabile, senza sporgenze, un criterio essenziale considerando l'aspetto primario di un ambiente sterile. Metodi meccanici, come le sonde a pale, sono del tutto inadatti come installazioni fisse in ambienti sterili per le ragioni sopra menzionate, così come anche gli altri metodi di misurazione sopra citati, che presentano problemi di assenza di sporgenze, specialmente nel basso intervallo di velocità di flusso.

Ma una buona misurazione non dipende solo dalla scelta del metodo di misurazione appropriato; un altro elemento fondamentale è la calibrazione e il confronto dei sensori. Sono necessari tunnel del vento di alta precisione, appositamente sviluppati, per poter caratterizzare e documentare con sufficiente accuratezza i sensori durante tutto il ciclo di vita, dalla produzione. Nel caso specifico del flusso laminare, ci sono due aspetti spesso sottovalutati. Da un lato, le basse velocità di flusso richiedono un ambiente estremamente stabile per ottenere le precisioni richieste. Ad esempio, durante una calibrazione in un percorso di misurazione "aperto", non isolato dall'ambiente, anche l'apertura di un laboratorio vicino o un semplice passaggio davanti al punto di misura può causare deviazioni significative. È quindi consigliabile che il produttore disponga di un tunnel del vento chiuso, per minimizzare tali influenze ambientali. D'altra parte, un aspetto spesso sottovalutato o sconosciuto riguarda l'applicazione stessa: si deve infatti misurare un flusso di caduta (verso il basso) sotto il soffitto del filtro. È importante considerare che i sistemi termici, che lavorano con riscaldatori, generano per loro natura una corrente di convezione verso l'alto, che deve essere compensata dal flusso di caduta. La deviazione risultante può, a seconda del sensore, arrivare fino al 10% del valore di misura a 0,45 m/s. La differenza tra misurazioni orizzontali e verticali non riguarda solo i sensori termici, ma anche i sensori a pale, dove è cruciale il modo in cui il cuscinetto della pala è caricato (in posizione sospesa o orizzontale). La maggior parte dei produttori dispone di tunnel del vento in cui i sensori vengono calibrati in condizioni di flusso orizzontale, senza considerare l'influenza della convezione naturale. Tunnel di caduta per la misurazione del flusso, in cui i sensori vengono calibrati in modo applicativo, sono disponibili solo presso pochi fornitori di sensori.

Per una corretta referenziazione, il produttore dei sensori deve disporre, oltre a un tunnel del vento adeguato, di una tecnologia di riferimento appropriata, che consenta di verificare conformemente alle norme la misurazione del flusso a intervalli regolari. A tal fine, l'unico metodo efficace è l'uso di un anemometro a Doppler laser, che permette di misurare con alta precisione e risoluzione anche velocità inferiori a 0,05 m/s.

Se si comprende quanto siano piccole queste grandezze di misura e quanto facilmente possano essere disturbate da minime influenze ambientali, si deve mettere in discussione criticamente un risultato di misura in ambiente sterile. È importante considerare che, durante l'installazione in un ambiente sterile, la distribuzione della velocità sotto un'unità di copertura del filtro non è mai omogenea; in particolare, ai bordi del filtro, questa è fortemente disturbata dal telaio (vedi figura 1). Per questo motivo, si consiglia di montare il punto di misura del sensore al centro sotto l'unità di flusso laminare. Indipendentemente dal luogo di installazione scelto, per garantire la migliore ripetibilità, è fondamentale che la posizione di misura rimanga invariata anche dopo manipolazioni come pulizie o sostituzioni del sensore. In questo modo, i valori rimangono confrontabili nel tempo. Un sistema di montaggio e installazione che garantisca o faciliti questa posizione rappresenta un ulteriore criterio nella scelta del sistema di sensori (vedi figura 2).

Anche con la scelta e l'installazione corrette del sensore per ambienti sterili, si possono commettere errori. Il più comune si verifica durante le misurazioni di riferimento con strumenti manuali, destinati a verificare qualitativamente e quantitativamente il funzionamento dei sensori installati, sia all'avvio dell'impianto che periodicamente durante il funzionamento. Se le caratteristiche intrinseche di diversi sistemi di misurazione non vengono considerate, possono verificarsi differenze significative tra il sensore di controllo e quello di verifica. Ad esempio, se il sensore di riferimento è un anemometro a pale ("elica"), si misura la velocità molecolare reale dell'aria, wR, mentre gli anemometri termici misurano una velocità di flusso normalizzata, wN, rispetto a una pressione e temperatura di riferimento. Per confrontare i due tipi di sensori, è preferibile convertire il segnale di velocità normalizzato del sensore termico, in base ai parametri ambientali attuali (temperatura Tact e pressione pact), nella velocità reale wR secondo la seguente formula:

Da questa formula si può facilmente dedurre che sia la pressione atmosferica che la temperatura influenzano i risultati degli anemometri termici. In ambiente sterile, l'influenza della temperatura può essere considerata trascurabile grazie alle condizioni stabili e al funzionamento vicino al valore di riferimento normativo di TN = 20 °C; tuttavia, l'effetto della pressione atmosferica attuale è molto più significativo, come dimostra il seguente esempio. Un sensore di flusso termico per la misurazione del flusso laminare sotto un FFU con ventola a velocità regolabile è stato calibrato su una pressione di riferimento pN = 1013,25 hPa (pressione normale a livello del mare). Se questa unità di copertura viene utilizzata in un ambiente sterile a livello del mare, la pressione reale corrisponde circa a quella di riferimento, e il sensore mostra una velocità normale wN uguale alla velocità reale wR = 0,45 m/s. Tuttavia, se questa unità viene installata in Schwarzwald a 1000 m di altezza (circa p = 890 hPa), il motore della ventola del FFU, mantenendo la stessa velocità di rotazione, spinge ancora un flusso d'aria con wR = 0,45 m/s attraverso il filtro, ma a causa della minore densità dell'aria, secondo la formula di conversione, il sensore visualizzerà:

Rispetto a un anemometro a pale, in queste condizioni, il sensore termico indica un valore di circa 0,40 m/s, con una differenza superiore al 10%. Se l'utente necessita di conoscere la velocità reale come grandezza di misura in ambiente sterile, si consiglia di convertire i risultati del sensore termico usando la formula sopra. È possibile trascurare, in prima approssimazione, le variazioni di pressione atmosferica dovute a cambiamenti meteorologici (tipicamente < ±20 mbar). Per misurazioni estremamente precise, si può utilizzare un sensore di pressione atmosferica che rilevi tutte le influenze sulla pressione ambientale, e si può anche considerare la misurazione e l'inclusione della temperatura ambientale.

La misurazione del flusso in ambienti sterili non è quindi un compito banale. La scelta del sistema di misurazione corretto, la posizione di montaggio ripetibile e l'interpretazione corretta dei risultati sono prerequisiti imprescindibili per un funzionamento affidabile e durevole. È inoltre importante essere consapevoli di cosa si sta effettivamente misurando: una leggera brezza durante una passeggiata primaverile.