Weten hoe de wind waait

Afbeelding 1: Stromverdeling onder een FFU

Figuur 2: Montage van een sensor onder een FFU

Dipl. Ing. (FH) Helmar Scholz, Hoofd Ontwikkeling Sensoren, SCHMIDT Technology GmbH

De snelheidsmeting van laminaire luchtstromingen in cleanrooms stelt hoge eisen aan de sensoren. Het kiezen van een geschikt meetproces voor het nauwkeurig meten van zeer kleine stromingssnelheden is slechts de eerste hindernis. Constructieve aspecten zoals een gemakkelijk te reinigen, slijtage- en driftvrij ontwerp zijn net zo belangrijk als een nauwkeurig, toepassingsgericht afstemmingsproces. Dienovereenkomstig vereist de toepassing en het gebruik van dergelijke gespecialiseerde sensortechnologie ook uitgebreide knowhow van de gebruiker.

Voor het meten van luchtstromingen zijn in principe veel fysieke principes geschikt, waarvan de technische implementatie door de specifieke randvoorwaarden van de toepassing leidt tot een enorme verscheidenheid aan meetinstrumenten. Echter voldoen slechts enkele van deze methoden of systemen aan de speciale eisen die de stromingsmeting in een cleanroom stelt.

Als waarschijnlijk grootste uitdaging wordt het lage stromingssnelheidsbereik beschouwd waarin de sondes moeten meten. In het geval van laminaire flow bewaking en regeling onder een zogenaamde filterfanunit (FFU), die als hoofdtoepassing voor stromingssensoren in een cleanroom kan gelden, ligt de typische stromingssnelheid bij 0,45 m/s. Dit komt overeen met een luchtbeweging die een ontspannen wandelaar bij windstilte voelt met een eigen snelheid van ongeveer 1,5 km/u. Het is daarom essentieel een proces te kiezen dat dergelijke lage snelheden niet alleen kan meten, maar ook voldoende nauwkeurig en reproduceerbaar kan oplossen. Hiervoor leent vooral het thermische proces zich (calorimetrisch proces, meten van de afkoeling van een verwarmd object), omdat de maximale gevoeligheid juist in het lage snelheidsbereik ligt. Alternatieve meetmethoden zoals bijvoorbeeld differentiedruk- of vortexsensoren falen vanaf het begin vanwege een te hoog meetbereik. Op ventsystemen gebaseerde systemen vertonen hun hoogste gevoeligheid pas bij hogere snelheden.

Een ander, niet minder belangrijk voordeel van een thermisch anemometer is dat deze volledig zonder bewegende onderdelen werkt. Dit betekent dat er geen kruiscontaminatie van de schone lucht door slijtage of smeermiddelen kan plaatsvinden. De slijtagevrije werking maakt een driftvrij gebruik mogelijk en garandeert zo voor lange tijd een hoge en betrouwbare reproduceerbaarheid van de meetresultaten. Last but not least kan een GMP-conform, gemakkelijk te reinigen en te steriliseren ontwerp zonder inspringingen worden gerealiseerd, een essentieel criterium wanneer men zich de primaire aspecten van een cleanroom herinnert. Mechanisch gebaseerde methoden zoals bijvoorbeeld vleugelradsondes zijn om bovengenoemde redenen volledig ongeschikt voor vaste installatie in cleanrooms, maar ook de eerder genoemde alternatieve meetmethoden zijn vooral wat betreft de inspringingsvrijheid niet zonder problemen.

Een goed meetresultaat wordt echter niet alleen bepaald door de keuze van de juiste meetmethode, een verdere fundering wordt gelegd bij afstemming en kalibratie van de sensoren. Hiervoor zijn hoogprecisie, speciaal hiervoor ontwikkelde windtunnels nodig om de sensoren gedurende hun hele levenscyclus, beginnend bij de fabricage, voldoende nauwkeurig te kunnen karakteriseren en documenteren. In de specifieke toepassing van laminaire flow spelen hier twee aspecten een rol die vaak worden onderschat. Zo vereisen de lage stromingssnelheden enerzijds een uiterst rustige omgeving om de gevraagde nauwkeurigheden te kunnen bereiken. Bijvoorbeeld, tijdens een afstemmingsproces in een 'open', niet geïsoleerde meetbaan kan het openen van een nabijgelegen laboratorium of zelfs een simpele 'voorbijgang' langs de meetplek al leiden tot significante afwijkingen. Het is daarom aan te raden dat de fabrikant beschikt over een gesloten windtunnel om dergelijke invloeden van de omgeving te minimaliseren. Anderzijds ligt een vaak onderschat of zelfs onbekend aspect in de toepassing zelf, namelijk dat er een (afwaarts gerichte) valstrik onder de filterdeken moet worden gemeten. Hierbij moet worden opgemerkt dat thermische systemen, dus met verwarmingselementen werkend, vanwege de eigen convectie een naar boven stijgende stroming genereren die door de valstrik moet worden gecompenseerd. De hierdoor veroorzaakte meetfout kan afhankelijk van het meetinstrument tot 10% van de meetwaarde bedragen bij 0,45 m/s. Een verschil tussen horizontale en verticale stromingsmeting wordt overigens niet alleen door thermische sensoren gezien; ook voor vleugelradensensoren speelt het een belangrijke rol, vooral in het lage stromingssnelheidsbereik, in welke mate de lager van het vleugelrad wordt belast (hangend of liggend). De meeste fabrikanten beschikken echter alleen over windtunnels waarin de sensoren in horizontale stroming worden afgesteld; de invloed van de eigen convectie wordt hier niet in rekening gebracht. Valstrik-windtunnels, waarin de sensoren toepassingsgericht worden afgesteld en gekalibreerd, zijn slechts bij zeer weinig sensorfabrikanten te vinden.

Voor een correcte referentiëring moet de fabrikant van de sensoren naast de geschikte windtunnel ook beschikken over adequate referentiemethoden, die de normconforme controle van de stromingsmeting op regelmatige intervallen mogelijk maken. Hiervoor is uiteindelijk uitsluitend het gebruik van een laser Doppler anemometer geschikt, waarmee ook snelheden onder 0,05 m/s met hoge nauwkeurigheid en resolutie kunnen worden gemeten.

Als men zich ervan bewust is hoe klein de meetwaarden hier zijn en hoe gemakkelijk ze kunnen worden verstoord door de kleinste omgevingsinvloeden, moet men een meetresultaat in een cleanroom kritisch beoordelen. Zo moet bij de installatie in de cleanroom rekening worden gehouden dat de snelheidsverdeling onder een filterdekkingseenheid nooit homogeen is; vooral in de randzone van het filter wordt deze sterk verstoord door het frame (zie afbeelding 1). Het is daarom gebruikelijk om het meetpunt van de sensor centraal onder de laminaire flow-eenheid te plaatsen. Ongeacht de gekozen montageplaats van de sensor, moet er voor de beste reproduceerbaarheid op worden gelet dat de meetpositie over alle manipulaties heen (bijvoorbeeld door reinigingen of bij sensorwissel) behouden blijft. Zo blijven de waarden ook over langere tijd vergelijkbaar. Een montage- en installatiesysteem dat de positietrouw garandeert of in ieder geval vergemakkelijkt, vormt een ander criterium bij de keuze van het sensorsysteem (zie afbeelding 2).

Zelfs na de juiste keuze en montage van de cleanroomsensor kunnen nog fouten worden gemaakt. Het meest voorkomt dat bij referentiemetingen met handgereedschap, dat dient voor de kwalitatieve en kwantitatieve bewijsvoering van de geïnstalleerde sensoren, hetzij bij inbedrijfstelling van de installatie, maar ook periodiek tijdens de bedrijfsvoering. Als de mogelijke principe-eigenheden van de verschillende meetsystemen niet worden meegenomen, kunnen er grote verschillen ontstaan tussen gecontroleerde en controleerbare sensoren. Bijvoorbeeld, als de referentiesensor een vleugelradanemometer ('propeller') is, wordt hiermee de werkelijke moleculaire snelheid wR van de lucht gemeten, in tegenstelling tot thermische anemometers die een genormeerde stromingsnelheid wN meten (gebaseerd op een bepaalde luchtdruk pN en temperatuur TN). Om beide sensortypen met elkaar te kunnen vergelijken, wordt het beste het genormeerde snelheidsignaal van de thermische sensor omgerekend op basis van de actuele omgevingsparameters (luchttemperatuur Tact en luchtdruk pact) naar de werkelijke snelheid wR volgens de volgende formule:

Uit de formule is duidelijk te zien dat zowel de luchtdruk als de temperatuur invloed hebben op het resultaat van de thermische anemometer. In de cleanroom kan de invloed van de temperatuur door de stabiele omstandigheden en het gebruik nabij de (typische) normwaarde van TN = 20 °C praktisch worden verwaarloosd; het effect van de actuele luchtdruk daarentegen niet, zoals blijkt uit het volgende voorbeeld. Een thermische stromingssensor voor laminaire flow onder een FFU met snelheidsgeregelde ventilator werd afgestemd op een referentiewaarde van pN = 1013,25 hPa (normale druk op zeeniveau). Wanneer deze dekkingseenheid in een cleanroom op zeeniveau wordt gebruikt, komt de werkelijke druk ongeveer overeen met de referentiedruk, zodat de sensor een normale snelheid wN aangeeft die gelijk is aan de werkelijke snelheid wR = 0,45 m/s. Wordt deze eenheid echter in het Zwarte Woud op 1000 m hoogte (ca. pact = 890 hPa) ingebouwd, drukt de ventilatormotor van de FFU, vanwege de constante snelheid, nog steeds een luchtstroom met wR = 0,45 m/s door het filter, maar door de lagere luchtdichtheid resulteert volgens de eerder genoemde formule een meetwaarde van:

In vergelijking met een vleugelradanemometer geeft de thermische anemometer onder deze omstandigheden dus slechts een waarde van 0,40 m/s aan, een verschil van meer dan 10%. Als de gebruiker de werkelijke snelheid als meetwaarde in de cleanroom nodig heeft, wordt aangeraden de resultaten van de thermische sonde met bovenstaande formule om te rekenen. Daarbij kunnen luchtdrukschommelingen door weersveranderingen (typisch < ±20 mbar) in eerste benadering worden genegeerd. Een echt nauwkeurige meting wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van een luchtdruksensor die alle invloeden van de heersende luchtdruk registreert, eventueel kan ook de omgevingstemperatuur worden gemeten en meegenomen in de berekening.

De stromingsmeting in de cleanroom is dus geen triviale aangelegenheid. De keuze van het juiste meetsysteem, de reproduceerbare montagepositie en de juiste interpretatie van de meetresultaten zijn essentiële voorwaarden voor een betrouwbare en robuuste meetwerking. En men moet zich altijd bewust zijn van wat men meet: een zachte bries tijdens een lentewandeling.