Bewaking van de ruimte-overstroming

Bewaking van de ruimteoverstroming

Inleiding
Een nieuwe stromingssensor uit het huis SCHMIDT Technology biedt geheel nieuwe eigenschappen. In een zeer slank metalen behuizing bevindt zich een thermische stromingssonde die zowel de stromingsrichting kan detecteren als de stromingssnelheid in twee richtingen kan meten. Deze sonde treedt op om de stromingsbewaking in de cleanroomtechniek aanzienlijk te verbeteren. Een van de toepassingsgevallen is de bewaking van de overstroming van de ruimte. Dit rapport wil laten zien wat er achter de term ruimte-overstroming schuilt, met welke middelen de ruimte-overstroming tot nu toe werd vastgesteld en hoe de ruimte-overstroming met behulp van deze nieuwe sensor kan worden verbeterd.

Wat is ruimte-overstroming?
Wanneer in cleanrooms producten open worden verwerkt, moet vaak worden verzekerd dat besmette lucht uit de aangrenzende ruimtes niet binnendringt en daardoor de open producten schaadt. Dit kan worden verzekerd door de ruimtes homogeen af te sluiten (isolatortechniek) of door te zorgen voor een gedwongen overstroming van de lucht uit de te beschermen ruimte naar de aangrenzende ruimte. Daartoe wordt in de te beschermen ruimte een overdruk opgebouwd, waardoor de lucht via elke aanwezige ruimte-opening naar buiten stroomt en zo het binnendringen van besmette lucht wordt voorkomen. Om deze stabiele situatie te handhaven, is het meestal voldoende om een continue toevoer van verse lucht in de met overdruk voorziene ruimte te leiden en met behulp van een differentiedruksensor de ruimte op een constante overdruk te regelen. Bij overdrukken groter dan 15 Pascal en bij bijna dichte ruimtes is dat goed te doen.

Maar als het gaat om een ruimte met vaak openstaande deuren of grote openingen in de muur, bijvoorbeeld voor producttransportbanden, dan kan een dergelijke grote drukverschil vaak niet worden gehandhaafd. Bij deze ruimtes wordt daarom gewerkt met zeer geringe overdrukken en wordt de productveiligheid gewaarborgd door in plaats van het differentiedruk de overvloedige lucht tussen de ruimtes te bewaken. Als er al een geschikte wandopening aanwezig is, kan in deze opening een meetinrichting worden aangebracht. Anders wordt een speciale overstromingsopening in de muur aangebracht.

Om te kunnen beoordelen hoe de ruimte-differentiële druk de snelheid van de overstroming beïnvloedt, kan in eerste instantie de 'Torricelli'-wet worden gebruikt, mits wordt rekening gehouden dat deze beschouwing uitgaat van een dunne wand en een voldoende grote opening.

w = wortel uit (2 x delta p / p)

waarbij:
w = stromingssnelheid m/s
delta p = differentiedruk [Pa]
p = dichtheid van het medium [kg/m^3]

Onder de omstandigheden van een ruimte-lucht met 20°C bij een standaardluchtdruk van 1013,25 hPa geeft de berekening de volgende relatie:

Differentiedruk [Pa] Snelheid w [m/s]
0,01 0,13
0,1 0,41
1 1,29
5 2,89
10 4,08
15 5,00
20 5,77
30 7,07

Aan de hand van deze berekening kan worden vastgesteld dat een in de overstromingsopening geplaatste stromingssensor zelfs nog een overstroming kan detecteren wanneer slechts zeer kleine differentiedrukken aanwezig zijn.
Huidige oplossingen
De veiligste oplossing om terugstromingen tussen ruimtes te voorkomen, is — zoals al gezegd — het opbouwen van een zo hoog mogelijk differentiedruk. In farmaceutische cleanrooms liggen de differentiedrukken tussen 15 en 30 Pascal. Dat de ingestelde differentiedruk de vereiste overstroming genereert, wordt bij de acceptatietests aangetoond door de stroming te visualiseren met behulp van rookdeeltjes. Voor continue bewaking van de overstroming worden vaak differentiedruksensoren gebruikt die aantonen dat de vereiste differentiedruk voortdurend wordt gehandhaafd. De zwakte van deze oplossing is dat het meetsignaal van deze sensoren bij zeer kleine differentiedrukken onstabiel wordt, waardoor een relatief hoge druk moet worden gehandhaafd. Alternatief worden in speciaal aangebrachte wandopeningen windvaantjes gebruikt, waarmee de stromingsrichting kan worden afgelezen. Helaas is deze versie ook relatief ongevoelig en vanwege het ontbreken van een elektrische interface niet te integreren in het elektronische bewakingssysteem. Alternatief worden soms ook normale stromingssensoren gebruikt, die in de overstromingsopening worden geplaatst. Helaas kunnen deze sensoren niet detecteren in welke richting de stroming stroomt.

Het werkingsprincipe van de nieuwe sensor
De stromingssensor SS 20.400 is de eerste sensor uit het huis SCHMIDT waarvan het sensorelement de richting van een stromende lucht kan herkennen. Deze sensor werkt volgens het principe van de thermische anemometer (ook Hitzedraht-principe genoemd). De thermische anemometers onderscheiden zich door de volgende voordelen ten opzichte van andere luchtstroommeters:

- minimale stromingssnelheden zijn meetbaar (vanaf 0,05 m/s)
- geen bewegende onderdelen en dus geen slijtage
- zeer geringe stromingsweerstand en dus geringe drukval op de meetplaats

De nieuwe sensor van het type SS 20.400 heeft nog enkele andere voordelen die hieronder worden toegelicht.
Element en elektronica in miniatuurformaat
Ter bescherming tegen mechanische belasting heeft SCHMIDT het sensorelement in een kamer ingebouwd, die het geheel 'kamerkop' wordt genoemd. Door een zorgvuldige aerodynamische vormgeving van deze kamerkop is ervoor gezorgd dat ook een onzorgvuldige montage van de sensor (lichte draaiing ten opzichte van de stromingsas of kanteling tegen de sensoras) zo min mogelijk invloed heeft op de meetwaarde. In het meetbuisje direct achter het sensorelement bevindt zich de uiterst kleine uitlezelektronica, dus er is vergeefs gezocht naar een externe meetomvormer. De kern van de elektronica wordt gevormd door een microprocessor, die via de volgende aansluitingen met de buitenwereld verbonden is: analooguitgang 4–20 mA / 0–10 V, richtingsuitgang, drempeluitgang (beide als open collector) en RS 232-interface. De analoge uitgang levert een lineair uitgangssignaal bij zowel vooruit- als achteruit stromende lucht. Via de seriële interface kan de gebruiker de sensor precies op zijn wensen afstemmen. Hiervoor biedt SCHMIDT Technology een programmeerkit aan, die eenvoudig via een PC te bedienen is.

De voordelen van de nieuwe sensor
· Eenduidige richtingsherkenning
· Meting in twee richtingen
· Zeer snelle respons in ms-bereik
· Ingebouwde schaltaansluitingen
daarom ook als bewaker voor directe alarmmelding inzetbaar
· Zeer compacte afmetingen
· Via PC parameterrbaar
· Ingebouwde vervuilingsdetectie
· GMP-geschikte materialen

Technische gegevens
Vorm: inbouwsonde (Ø 9 x 150 mm incl. stekker),
Meetomvormer geïntegreerd in het meetbuisje.
Toepassingsgebied: vrij stromende lucht en geleidende lucht in buizen van 15 tot 1000 mm
Meetbereiken: 1 / 2,5 / 10 / 20 m/s (in beide richtingen)
Begin meetbereik: 0,05 m/s
Druk: atmosferisch, 700 .. 1300 hPa
Montage: optioneel wandbeugel, flens of doorvoerbout
Voeding: 12 – 24 VDC / minder dan 10 mA
Uitgangen: 0 / 4 ... 20 mA, 0–10 V, 0–5 V,
2 open collector-uitgangen voor richting en drempelwaarde
RS 232 voor parametrisering

De toepassing van de nieuwe sensor
De SCHMIDT stromingssensor SS 20.400 beschikt over alle eigenschappen om de eerder genoemde overstroming betrouwbaar te bewaken. Voor de montage van de sensor vóór de overstromingsopening is er een passende wandmontageflens. In deze wordt de dunne sonde geschroefd en zo afgesteld dat het sensorelement in het midden van de opening ligt en dat de sensorklep met de as van de opening uitgelijnd is. Met behulp van de analoge uitgang kan nu de snelheid van de door de overstromingsopening stromende lucht worden bewaakt. Omdat de sensor al vanaf 0,05 m/s meet, kan een overstroming ook worden gedetecteerd wanneer de differentiedruk al niet meer eenduidig meetbaar is. Als de sensor geen voorwaartse stroming meer kan detecteren of als er zelfs sprake is van terugstroming, meldt hij deze toestand via zijn schaltaansluiting OC1.

Met behulp van de programmeerkit kan de gebruiker het analoge signaal van de sensor dempen en de schaltniveaus van de schaltaansluitingen zelf instellen. Hierdoor kan de sensor voor elke toepassing ideaal worden geconfigureerd.

De nieuwe sensor wordt in verschillende varianten aangeboden. Hierdoor ontstaan nog meer toepassingsmogelijkheden binnen de cleanroomtechniek:
Laminaire flow-bewaking
Volume-stroommeting in toevoer- en afvoerkanaal
Koel-luchtbewaking
Stromingscontrole in beschermgasatmosferen

Conclusie
De stromingssensor SS 20.400 opent nieuwe mogelijkheden voor stromingsmonitoring in cleanrooms. Vooral voor de bewaking van de ruimte-overstroming kan deze sensor de volgende voordelen bieden:

· Stabiel meetsignaal, zelfs bij kleinste differentiedrukken
· Vermijding van onnodige alarmen
· Eenvoudige montage
· Gemakkelijk te reinigen in de ingebouwde toestand
· Snelle in- en uitbouw (bijvoorbeeld voor kalibratie)
· Kalibratie mogelijk in elke goede windtunnel


Verwijzingen:
Stöcker, Taschenbuch der Physik, 2e editie 1994