Nadzór nad przekroczeniem przestrzeni

Nadzór nad przepełnieniem pomieszczenia

Wprowadzenie
Nowy czujnik przepływu z firmy SCHMIDT Technology wyróżnia się zupełnie nowymi właściwościami. W bardzo smukłej metalowej obudowie ukryta jest termiczna sonda przepływu, która potrafi zarówno wykrywać kierunek przepływu, jak i mierzyć prędkość przepływu w dwóch kierunkach. Ta sonda ma na celu znaczne ulepszenie monitorowania przepływu w zakresie technologii czystych pomieszczeń. Jednym z zastosowań jest nadzór nad przekroczeniem przepływu w pomieszczeniach. Niniejszy raport ma na celu wyjaśnienie, co kryje się pod pojęciem przekroczenia przepływu, jak dotąd wykrywano przekroczenie przepływu oraz jak można je poprawić za pomocą tego nowego czujnika.

Czym jest przekroczenie przepływu?
Gdy w czystych pomieszczeniach produkty są przetwarzane na otwarto, często konieczne jest zapewnienie, że zanieczyszczone powietrze z sąsiednich pomieszczeń nie dostanie się do tego pomieszczenia i nie uszkodzi otwartych produktów. Można to zapewnić albo poprzez homogenne zamknięcie pomieszczeń (technika izolacji), albo przez wymuszone przekroczenie przepływu powietrza z chronionego pomieszczenia do sąsiedniego. W tym celu w chronionym pomieszczeniu wytwarza się nadciśnienie, co powoduje, że powietrze z każdego dostępnego otworu w pomieszczeniu będzie wypływać na zewnątrz, zapobiegając w ten sposób przedostawaniu się zanieczyszczonego powietrza. Aby utrzymać tę stabilną sytuację, zazwyczaj wystarcza ciągłe dostarczanie powietrza do pomieszczenia z nadciśnieniem oraz regulacja tego nadciśnienia za pomocą czujnika różnicy ciśnień. Przy nadciśnieniu większym niż 15 paskali i przy niemal szczelnych pomieszczeniach jest to łatwe do wykonania.

Jeśli jednak pomieszczenie ma często otwierane drzwi lub duże otwory w ścianie, np. dla przenośników produktów, wtedy często nie można utrzymać tak dużej różnicy ciśnień. W takich pomieszczeniach stosuje się zatem bardzo niskie nadciśnienia, a bezpieczeństwo produktów zapewnia się poprzez nadzorowanie przepływu powietrza między pomieszczeniami zamiast różnicy ciśnień. Jeśli istnieje już odpowiednia otwór w ścianie, można w nim zamontować urządzenie pomiarowe. W przeciwnym razie montuje się specjalny otwór do nadmuchu powietrza w ścianie.

Aby ocenić, jak różnica ciśnień w pomieszczeniu wpływa na prędkość przepływu, można w przybliżeniu zastosować prawo wylotu Torricellego, zakładając, że ściana jest cienka i otwór jest odpowiednio duży.

w = √(2 × delta p / p)

gdzie:
w = prędkość przepływu m/s
delta p = różnica ciśnień [Pa]
p = gęstość medium [kg/m^3]

Przy warunkach powietrza w pomieszczeniu o temperaturze 20°C i ciśnieniu standardowym 1013,25 hPa, obliczenia dają następujący związek:

Różnica ciśnień [Pa] Prędkość 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

Na podstawie tych obliczeń można zauważyć, że czujnik przepływu zamontowany w otworze do nadmuchu powietrza może wykryć przekroczenie przepływu nawet przy bardzo małych różnicach ciśnień.
Dotychczasowe rozwiązania
Najbezpieczniejszym rozwiązaniem, aby zapobiec cofnięciu się przepływu między pomieszczeniami, jest — jak już wspomniano — wytworzenie możliwie największego nadciśnienia. W czystych pomieszczeniach farmaceutycznych różnice ciśnień wynoszą zwykle od 15 do 30 paskali. Ustawione ciśnienie różnicowe jest potwierdzane podczas testów poprzez wizualizację przepływu za pomocą cząstek dymu. Do stałego nadzorowania przekroczenia przepływu często stosuje się czujniki różnicy ciśnień, które potwierdzają, że wymagane ciśnienie jest utrzymywane. Wadą tego rozwiązania jest to, że sygnał pomiarowy tych czujników staje się niestabilny przy bardzo małych różnicach ciśnień, co wymusza utrzymanie stosunkowo wysokiego ciśnienia. Alternatywnie, w specjalnie wykonanych otworach w ścianie montuje się wachadła, które pozwalają odczytać kierunek przepływu. Niestety, ta wersja jest dość mało czuła i ze względu na brak interfejsu elektrycznego nie może być zintegrowana z systemem monitoringu elektronicznego. Alternatywnie, czasami stosuje się zwykłe czujniki przepływu umieszczone w otworze do nadmuchu. Niestety, te czujniki nie potrafią rozpoznać kierunku przepływu.

Zasada działania nowego czujnika
Czujnik przepływu SS 20.400 jest pierwszym czujnikiem firmy SCHMIDT, który potrafi rozpoznawać kierunek przepływającego powietrza. Czujnik ten działa na zasadzie anemometru termicznego (zwanej też zasadą drucika grzewczego). Anemometry termiczne wyróżniają się następującymi zaletami w porównaniu do innych mierników przepływu powietrza:

- minimalne wykrywalne prędkości przepływu (od 0,05 m/s)
- brak ruchomych części i tym samym brak zużycia
- bardzo niski opór przepływu, czyli niewielka utrata ciśnienia w miejscu pomiaru

Nowy czujnik typu SS 20.400 ma jeszcze kilka innych zalet, które zaraz wyjaśnimy.
Element i elektronika w miniaturowym formacie
W celu ochrony przed obciążeniami mechanicznymi, SCHMIDT umieścił element czujnika w komorze, którą nazywa się „głowicą komory”. Dzięki starannemu aerodynamicznemu ukształtowaniu tej głowicy zapewniono, że nawet nieprawidłowy montaż czujnika (np. lekkie przekręcenie względem osi przepływu lub przechylenie względem osi czujnika) ma minimalny wpływ na wynik pomiaru. W rurze czujnika, bezpośrednio za elementem czujnika, znajduje się bardzo mała elektronika przetwarzająca sygnał, więc poszukujcie jej na zewnątrz – nie ma zewnętrznego przetwornika pomiarowego. Serce elektroniki stanowi mikroprocesor, który jest połączony z otworami: wyjście analogowe 4–20 mA / 0–10 V, wyjście kierunkowe, wyjście progowe (obie jako Open Collector) oraz interfejs RS 232. Wyjście analogowe dostarcza liniowy sygnał wyjściowy zarówno dla przepływu powietrza w kierunku do przodu, jak i do tyłu. Za pomocą interfejsu szeregowego użytkownik może dokładnie dostosować czujnik do swoich potrzeb. Firma SCHMIDT Technology oferuje do tego zestaw programistyczny, który jest łatwy w obsłudze na komputerze.

Zalety nowego czujnika
· Wyraźne rozpoznanie kierunku
· Pomiar w dwóch kierunkach
· Bardzo szybka reakcja w zakresie ms
· Wbudowane wyjścia przełączające
dzięki czemu może służyć jako strażnik do bezpośredniego alarmowania
· Bardzo małe rozmiary
· Konfigurowalny przez PC
· Wbudowany system wykrywania zanieczyszczeń
· Materiały zgodne z GMP

Dane techniczne
Kształt: sonda zanurzeniowa (Ø 9 x 150 mm wraz z wtyczką),
Przetwornik pomiarowy zintegrowany w rurze czujnika.
Zakres zastosowania: powietrze swobodnie przepływające i kierowane w rurach od 15 do 1000 mm
Zakres pomiarowy: 1 / 2,5 / 10 / 20 m/s (w obu kierunkach)
Początek zakresu pomiarowego: 0,05 m/s
Ciśnienie: atmosferyczne, 700 .. 1300 hPa
Montaż: opcjonalnie uchwyt ścienny, kołnierz lub połączenie przez przepust
Zasilanie: 12 – 24 VDC / poniżej 10 mA
Wyjścia: 0 / 4 ... 20 mA, 0..10 V, 0..5 V,
2 wyjścia Open Collector dla kierunku i progu
RS 232 do konfiguracji

Zastosowanie nowego czujnika
Czujnik przepływu SCHMIDT SS 20.400 posiada wszystkie właściwości umożliwiające niezawodne monitorowanie przekroczenia przepływu. Do montażu czujnika przed otworem nadmuchowym dostępny jest odpowiedni uchwyt ścienny. Do tego wkręca się cienką sondę i ustawia tak, aby element czujnika znajdował się na środku otworu i aby szczelina czujnika była wyrównana z osią otworu. Za pomocą wyjścia analogowego można teraz nadzorować prędkość przepływu powietrza przez otwór nadmuchowy. Czujnik, który już od 0,05 m/s mierzy, może wykryć przekroczenie przepływu nawet wtedy, gdy różnica ciśnień nie jest już jednoznacznie mierzalna. Jeśli czujnik nie wykryje już przepływu do przodu lub nastąpi cofnięcie przepływu, zgłosi ten stan za pomocą wyjścia przełączającego OC1.

Za pomocą zestawu programistycznego użytkownik może wyregulować sygnał analogowy czujnika i samodzielnie ustawić progi przełączania wyjść. Dzięki temu czujnik można idealnie dostosować do każdego zastosowania.

Nowy czujnik jest dostępny w różnych wersjach, co otwiera kolejne możliwości zastosowania w zakresie technologii czystych pomieszczeń:
Nadzór nad przepływem laminarnego
Pomiar przepływu objętościowego w kanałach dopływowych i odprowadzających
Nadzór nad chłodnym powietrzem
Kontrola przepływu w atmosferach ochronnych

Podsumowanie
Czujnik przepływu SS 20.400 otwiera nowe możliwości monitorowania przepływu w czystych pomieszczeniach. Szczególnie w nadzorze nad przekroczeniem przepływu ten czujnik może pochwalić się następującymi zaletami:

· Stabilny sygnał pomiarowy nawet przy najmniejszych różnicach ciśnień
· Unikanie fałszywych alarmów
· Łatwa instalacja
· Łatwy do czyszczenia w zmontowanym stanie
· Szybki montaż i demontaż (np. do kalibracji)
· Kalibracja możliwa w każdym dobrym tunelu aerodynamicznym


Odnośniki:
Stöcker, Taschenbuch der Physik, 2. Auflage 1994