Stromungsmessung zur Verbesserung von Reinraum-Monitoringsystemen

Sensor (Beeldbron: Schmidt Technology)

Fig. 1: Typische Ausprägung einer Druckkaskade (Bildquelle: Schmidt Technology).

Tabel 1

Figuur 2: Alleen al door het stroomverbruik van de ventilatoren ontstaan ongeveer 57% van de energiekosten. (Beeldbron: Schmidt Technology)

Fig. 3: Meetprincipe voor luchtvolume-aanpassing (beeldbron: Schmidt Technology)

Abb. 4: Sensor met wandbeugel: Ca. 50 mm diameter is voldoende om de zogenaamde overstroming zeer nauwkeurig te meten. (Beeldbron: Schmidt Technology)

Fig. 5: Met een bidirectionele stromingssensor kan de richting van de stroming betrouwbaar worden geïdentificeerd. (Beeldbron: Schmidt Technology)

De product-, proces- en medewerkersveiligheid in cleanrooms en vergelijkbare omgevingen wordt gewoonlijk verzekerd door het handhaven van gedefinieerde, cascade-overschuifbare overdruksituaties. Dit genereert een luchtstroom uit gebieden met een hogere reinheid naar gebieden met een lagere reinheid (uitzondering: onderdrukruimtes met tegengestelde eisen). Wanneer de daarvoor benodigde drukmeting wordt aangevuld met het meten van de luchtstroom en stromingsrichting, kan de bedrijfszekerheid worden verhoogd en vaak ook nog energiekosten worden bespaard.

Inleiding

Om de bescherming van bepaalde producten tegen besmetting veroorzaakt door mensen of omgevingsfactoren te waarborgen, of omgekeerd, bijvoorbeeld bij biologische gevaarstoffen, mensen en het milieu te beschermen, vinden de meest uiteenlopende processen plaats in cleanrooms. Typisch tref je deze aan in de medische en farmaceutische industrie, in halfgeleidersectoren of de levensmiddelenindustrie. Ook in andere industrietakken neemt het aantal processen in cleanrooms toe. De classificatie van dergelijke cleanrooms en hoe uiteindelijk schone gebieden van minder schone gebieden moeten worden gescheiden, wordt beschreven in de norm EN ISO 14644. Deze adviseert het creëren van zogenaamde ondoordringbare gebieden, wat in de praktijk echter zeer arbeidsintensief is te realiseren. Uiteindelijk moeten mensen en materiaal vrij in en uit kunnen. Een andere mogelijkheid is om schone gebieden te beschermen tegen besmetting uit minder schone gebieden door middel van verdringingsstromen. Hiervoor wordt meestal een drukdifferentie- of overdrukconcept toegepast. De druksensoren worden aangesloten op een door GaiVlP gevalideerd monitoringsysteem en de gemeten drukken worden continu gedocumenteerd.

De in de norm vereiste drukoverschrijdingen liggen tussen 5 en 20 Pascal, wat uiteindelijk terug te voeren is op de met differentiedruksensoren veilig meetbare drukken. De reden hiervoor is de resolutie van de beschikbare druksensoren op de markt. Om veiligheidsredenen worden in de praktijk meestal middelhoge tot hogere kamerluchtdrukken gebruikt. Bijvoorbeeld in farmaceutische cleanrooms liggen deze vaak tussen 15 en 30 Pascal. Daarbij wordt een referentiedruk vastgesteld, waarop de partiële drukken van de reinheidsgebieden stapsgewijs toenemen. Aan deze referentiedruk wordt de volledige regeling van de toevoerluchtstromen voor de gehele luchtbehandelingsinstallatie afgestemd. Bij schommelingen in de druksensor voor de referentiedruk heeft dit invloed op het volledige luchtbehandelingssysteem van de cleanroom. In bepaalde situaties levert de drukmeting echter niet altijd voldoende gegevens om op basis van objectieve meetgegevens het besmettingsrisico voor de productomgeving aan te tonen. Bijvoorbeeld wanneer schuifdeuren worden geopend, daalt de druk ten opzichte van de aangrenzende reinheidszone zo ver dat dit meetbaar is. De lucht stroomt weliswaar van het schone naar het minder schone gebied, maar dit kan metingen technisch niet altijd vastgelegd worden. Het gevolg hiervan is dat in dergelijke situaties de productveiligheid niet volledig aantoonbaar is.

0,2 m/s stromingssnelheid volstaat

De hierboven beschreven drukverschillen tussen reinheidsgebieden van niet minder dan 5 Pa zijn echter niet noodzakelijk voor het handhaven van de luchtzuiverheid in de afzonderlijke zones. De norm EN ISO 14644-4 definieert een minimale stromingssnelheid van 0,2 m/s om reinheidsgebieden van elkaar te onderscheiden, wat overeenkomt met een drukverschil van minder dan 0,1 Pa. Op de markt zijn inmiddels stromingssensoren verkrijgbaar die in staat zijn om vanaf een luchtsnelheid (WN) van 0,05 m/s nauwkeurig en betrouwbaar te meten. Dit ligt ver onder een drukverschil van 0,01 Pa. Hieruit kan worden afgeleid dat met aanvullende stromingsmeettechniek, die de precisie heeft om stromingssnelheden van 0,2 m/s te meten van het ene naar het andere reinheidsgebied, overstromingen veilig kunnen worden vastgesteld. Dat wil zeggen dat uitspraken kunnen worden gedaan over de beschermfunctie of een mogelijke luchtgedragen besmetting, ook bij geringe luchtstromingen die met de conventionele drukmeting niet meer te detecteren zijn.

Gemakkelijk te installeren

Voor de installatie van dergelijke stromingssensoren zijn kleine wandopeningen van ongeveer 50 mm diameter voldoende, om de zogenaamde overstroming, dat wil zeggen de uit het cleanroom voortkomende lucht door het aanwezige overdruk, zeer nauwkeurig te meten. Om de invloed van de kamerluchtdruk op de overstromingssnelheid te beoordelen, kan de uitlaatwet van Torricelli worden toegepast. Bij kamerlucht met 20°C en een standaardluchtdruk van 1013,5 hPa tonen zich de volgende verbanden (Tabel 1). Concluderend kan een stromingssensor in een overstromingsopening in de wand van een cleanroom zelfs bij zeer klein drukverschil een betrouwbare overstroming meten. Cruciaal is echter de stromingsrichting van de lucht in het cleanroom. Stroomt deze van het schone naar het minder schone gebied, dan is de werking van de cleanroom gewaarborgd en is de productveiligheid gegarandeerd. Met zulke betrouwbare meetwaarden kan een geproduceerde batch ondanks een alarmsignaal van de druksensor worden vrijgegeven. Om deze veiligheid te waarborgen, oftewel de zogenaamde terugstromingen te detecteren, kunnen tegenwoordig stromingssensoren worden gebruikt die in staat zijn om stromingsrichtingen bidirectioneel te meten. De basis hiervan is een thermopile-(thermosensor), die via een verwarmbaar halfgeleiderelement de afkoeling detecteert die door een luchtstroom wordt veroorzaakt. Dit wordt ook thermische anemometrie genoemd, die nader wordt beschreven op http://sensorik.schmidttechnology-aktuell.de/ feiten/stromungsmessung-durch-erzwungene-konvektion-2/. Door twee dergelijke halfgeleiderelementen parallel te schakelen en op basis van welke van de twee het warmere is, kan de stromingsrichting betrouwbaar worden geïdentificeerd. Bidirectionele stromingssensoren leveren dus ook bij een drukdaling objectieve meetgegevens die productrisico’s door luchtgedragen besmetting kwantitatief bepalen. Wanneer zo'n stromingssensor wordt gekoppeld aan een monitoringsysteem, zijn volledige en betrouwbare meetgegevens beschikbaar. Bidirectionele stromingssensoren die voldoen aan de stand van de techniek kunnen eenvoudig bijvoorbeeld via een 4-20 mA interface worden geïntegreerd in bestaande monitoringsystemen. De informatiewaarde van monitoringsgegevens wordt door de integratie van stromingsrichtingmetingen duurzaam versterkt. Kalibraties die ook voldoen aan de verhoogde eisen van de farmaceutische industrie zijn tegenwoordig probleemloos verkrijgbaar.

Energiebesparing als bijkomend effect

Hoge luchtwisselpercentages leiden niet alleen tot zeer hoge kosten voor de klimatologische conditionering van de toevoerluchtstromen, maar genereren ook zeer hoge kosten voor de aandrijving van de ventilatoren van de luchtbehandelingsinstallatie (LBI).

Praktijkervaring wijst uit dat ongeveer 57% van de energiekosten alleen door het stroomverbruik van de ventilatoren wordt veroorzaakt. Hieruit volgt dat het aanpassen van de luchtvolumes aan de behoefte een groot energiebesparingspotentieel biedt. Als de aangevoerde luchtstroom met 50% wordt verminderd, daalt de drukverhoging in het systeem tot 25% (75% minder drukverhoging dan bij 100% luchtvolume), wat overeenkomt met een sterk gereduceerd elektrisch vermogen van 12,5%. Dit betekent dat de benodigde elektrische energie exponentieel afneemt tot slechts 1/8. Deze ideale fysische relatie kan in cleanroomtoepassingen helaas slechts gedeeltelijk worden benut, maar leidt desondanks tot aanzienlijke energiebesparingen. Dit vereist bijvoorbeeld dat de overdruk in de ruimte zo dicht mogelijk bij de minimale eisen van de norm wordt gehouden en dat met zo min mogelijk toevoerlucht, oftewel ventilatorvermogen van de LBI, nauwkeurig en stabiel wordt geregeld. Vooral de rustperioden, bijvoorbeeld ’s nachts of in het weekend, lenen zich hiervoor. De functionele veiligheid van de cleanroom, dat wil zeggen het handhaven van een stabiele situatie, evenals de noodzakelijke laminaire stromingen, moeten echter gewaarborgd blijven. Het proces moet aan de norm voldoen en er moeten eenduidige meetwaarden en documentatie hiervan beschikbaar zijn. Alleen met differentiedruksensoren, volgens de huidige stand van de techniek, is dit echter problematisch. Door de installatie van stromingssensoren ontstaan echter voldoende reserves.

Conclusie

Het aantonen en documenteren van luchtstromingen via bidirectioneel meetende stromingssensoren biedt extra zekerheid in cleanrooms. De gemakkelijk te installeren en eenvoudig te integreren stromingssensoren in monitoringsystemen kunnen ook in bestaande cleanrooms of vergelijkbare omgevingen snel worden ingebouwd. Zoals de energetische analyse van de bedrijfskosten van cleanrooms aantoont, ontstaat vaak een enorm besparingspotentieel door de vermindering van de luchtwisselpercentages tot een voor de norm geldende veilige minimum.