Sterk trio voortdurend in gebruik

Fig. 1: Meettechnologien - Vochtigheidssensoren

Figuur 2: Meettechnologieën - Temperatuursensoren

Fig. 3: Meettechnologien - Differenzdrucksensoren

Fig. 4: Vochtmetingstechnologieën - Meetnauwkeurigheid

Tabel 1: Vergelijking bedrijfskosten - diverse vochtmetingstechnologieën

Portret Marco Cau

Voor producten uit de farmaceutische, halfgeleider- en zonne-energie-industrie is een gecontroleerde cleanroom-omgeving de belangrijkste voorwaarde voor een hoge kwaliteit en een lage afkeuringspercentage. Mensen merken een paar procent relatieve luchtvochtigheid meer of minder nauwelijks op, maar bij een product kan dit zeer wel bepalend zijn. Om de vereiste klimatologische omstandigheden te handhaven, is het onmisbaar om kwalitatief hoogwaardige klimaatmeetapparatuur te gebruiken, aangezien deze aan de top staat van de meet/regel/controleketen en daardoor direct invloed heeft op de daaropvolgende elementen zoals ventilatoren, luchtbevochtigers, enzovoort. Bij de inrichting van de cleanroom moet daarom veel aandacht worden besteed aan de sensortechnologie.

In moderne cleanrooms spelen klimaat sensoren een steeds belangrijkere rol, omdat zij uiteindelijk verantwoordelijk zijn voor een stabiele en conforme luchtkwaliteit. Typisch worden in cleanrooms bijna zonder uitzondering luchtvochtigheid-, temperatuur- en differëntiedruksensoren gebruikt, waarvan de taak het is om continu de actuele waarde te bepalen en deze als gestandaardiseerd regelsignaal uit te geven. Idealiter moet dit signaal nauwkeurig, reproduceerbaar en stabiel zijn. De gevraagde streefwaarden en de nauwkeurigheid van de klimatologische parameters hangen in de eerste plaats af van het toepassingsgebied. Een cleanroom in een farmaceutische productie wordt hierin anders gedefinieerd dan cleanrooms in de microsysteemtechniek, medische technologie of ziekenhuizen. Om aan deze soms hoge eisen te voldoen, is het belangrijk om de sensoren volgens bepaalde criteria te selecteren. Er bestaan namelijk grote verschillen in nauwkeurigheid, reproduceerbaarheid en stabiliteit van klimaatmeetapparatuur en de gebruikte meettechnologie speelt daarbij een belangrijke rol.

Vochtigheidssensoren
Hier onderscheidt men de capacitieve en resistief-elektrolytische meettechnologie. De capacitieve methode is gebaseerd op een diëlektricum dat het water uit de luchtvochtigheid absorbeert. Dit verandert de capaciteit van het systeem en geeft daardoor een bepaald signaal af. Bij resistief-elektrolytische sensoren wordt daarentegen de geleidbaarheid van een vloeibaar elektrolyt gemeten, die verandert bij opname en afgifte van water. Bij beide technologieën vindt een elektronische verwerking van de ruwe waarde plaats om uiteindelijk de effectieve vochtigheid te verkrijgen.

Temperatuursensoren
Bij temperatuursensoren is er een zeer breed aanbod aan verschillende technologieën, waarbij hier alleen op de gangbare meetmethoden wordt ingegaan. Dit zijn de PT100/PT1000 en de zogenaamde NTC-sensoren. Beide meten de omgevingstemperatuur op basis van de afhankelijkheid van de elektrische weerstand van het element. Bij PT100/1000 is dat platina, bij NTC zijn het metalloxide. Als de temperatuur stijgt of daalt, neemt ook de weerstand toe of af en wordt een signaal uitgegeven.

Differëntiedruksensoren
De derde in het rijtje zijn differëntiedruksensoren. Deze meten het verschil in luchtdruk tussen de grijze en de cleanroom, tussen verschillende cleanroomklassen of bij drukcascade. In principe onderscheidt men de dynamische of statische drukmeting. Eerstgenoemde gebeurt met een massastroomsensor, die de doorstromende luchtmassa meet van het hogere naar het lagere drukgebied en omzet in een differëntiedruk. Aan de andere kant meten statische systemen de impedantiemutatie die optreedt bij de vervorming van een in een membraan ingebouwde piezoresistieve siliciumlaag.

Sensoraanpak
Klimatologische meetapparatuur wordt helaas vaak alleen op basis van de aanschafkosten gekozen. Het uitsluitend baseren op de kosten als selectiecriterium blijkt echter vaak onvoldoende. Technische aspecten zoals meetnauwkeurigheid, stabiliteit, responstijd, hysterese, enzovoort, moeten ook worden meegenomen. Het mag niet worden vergeten dat aan het begin van elke meet/regel/controleketen altijd een sensor of klimaatmeetapparaat staat dat de actuele waarde opneemt en doorgeeft aan de actuatoren. De sensortechnologie speelt dus een centrale rol in het totale concept van een klimaatregeling. Als men echter rekening houdt met de volgende aspecten, staat een soepele en kostenefficiënte werking niets in de weg.

Als vuistregel geldt: de meting moet ongeveer 5-8 keer nauwkeuriger zijn dan de "POINT OF ACTION", dat wil zeggen de vereiste nauwkeurigheid in het proces. Deze factor volgt uit de som van toleranties in de gehele meet/regel/controleketen, die naast sensoren en actuatoren ook ventilatoren, filtersystemen, luchtbevochtigers, ventilatieluiken, enzovoort omvat.

Voorbeeld luchtvochtigheidsmeting:
Een meetnauwkeurigheid van +/- 2% rF resulteert met een factor 5-8 in een regelprecisie in het proces van +/- 10 tot +/- 16% rF, wat in de cleanroom meestal niet voldoende is. Bij een meetnauwkeurigheid van +/- 0,5% rF ontstaat er daarentegen een nauwkeurigheid in het proces van +/- 2,5 tot +/- 4% rF. Deze nauwkeurigheid is in de meeste gevallen voldoende.

De investering in nauwkeurige sensortechnologie loont zich zeker. Eventuele meerkosten voor de meetinstrumenten staan in geen verhouding tot het verbeterde proces en de daardoor lagere operationele en energiekosten. Zo maken geoptimaliseerde processen mogelijk dat er minder energie wordt verbruikt voor waterbehandeling en luchtbevochtiging; de standtijden van filtersystemen worden verlengd; de levensduur van luchtbevochtigers wordt verlengd; kalibratie- en afstemmingscycli worden langer; regelcycli worden verminderd; en de algemene afstellingen van de installatie worden geminimaliseerd.

Om deze besparingspotentieel te benutten, is de juiste technologische keuze cruciaal, zoals geïllustreerd door het volgende voorbeeld.

Sensorplaatsing
De sensoraanpak is echter slechts de helft van de oplossing. Naast de kwaliteit van de sensor speelt ook de plaatsing een belangrijke rol. De sensor kan zijn kracht slechts optimaal benutten als hij op de juiste plek is. Nabijheid tot het proces is een belangrijk criterium; de sensor moet zo dicht mogelijk bij het proces meten en de gemeten waarden direct omzetten in een regelsignaal en doorgeven. Andere criteria zijn eenvoudige toegankelijkheid voor kalibratie en vervanging, een optimale bescherming tegen desinfectiemiddelen (bijvoorbeeld H2O2), plaatsing in de toevoerleiding die frisse lucht naar de cleanroom voert, en tenslotte een installatie op plaatsen waar de door de fabrikant opgegeven bedrijfsomstandigheden (bijvoorbeeld temperatuur, condensatie, vibraties, enzovoort) worden nageleefd. Als aan deze criteria wordt voldaan, kunnen de meetnauwkeurigheid, reproduceerbaarheid, lange-termijnstabiliteit en levensduur van de sensoren aanzienlijk worden verbeterd.

Kosteneinsparingsprogramma's zijn niet langer een optie, maar een noodzaak. De efficiëntie van volledige systemen moet zorgvuldig worden geëvalueerd en meegenomen in de kostenberekeningen, niet alleen die van individuele componenten. Het heeft geen zin als een efficiënte high-end luchtbevochtiger wordt aangestuurd door een onzekere en hysterese-gevoelige sensor.

In de totale berekening worden eventuele meerkosten voor de aanschaf van eersteklas meettechnologie na zeer korte tijd terugverdiend, wordt de kwaliteit van de voor het proces optimale cleanroomlucht gewaarborgd en wordt het energieverbruik verminderd. En last but not least wordt door de energiebesparing ook een belangrijke bijdrage geleverd aan het milieu. Kort gezegd: een echte WIN-WIN situatie!