Silna trójka w ciągłym użyciu

Rys. 1: Technologie pomiarowe - Czujniki wilgotności

Rys. 2: Technologie pomiarowe - Czujniki temperatury

Rys. 3: Technologie pomiarowe - Czujniki różnicy ciśnień

Rys. 4: Technologie pomiaru wilgotności - dokładność pomiaru

Tabela 1: Porównanie kosztów operacyjnych - różne technologie pomiaru wilgotności

Portret Marco Cau

Produkty z przemysłu farmaceutycznego, półprzewodnikowego i słonecznego dla uzyskania wysokiej jakości i niskiego wskaźnika odpadów konieczne jest kontrolowane środowisko czystego pomieszczenia. Człowiek niemal nie zauważa różnicy kilku procent wilgotności względnej powietrza, natomiast dla produktu może to mieć decydujące znaczenie. Aby zapewnić przestrzeganie wymaganych warunków klimatycznych, niezbędne jest stosowanie wysokiej jakości urządzeń pomiarowych klimatu, ponieważ są one na pierwszym miejscu w łańcuchu pomiaru/sterowania/regulacji i bezpośrednio wpływają na kolejne elementy, takie jak wentylatory, nawilżacze powietrza itp. W koncepcji czystego pomieszczenia należy więc zwrócić szczególną uwagę na sensorykę.

W nowoczesnych czystych pomieszczeniach odgrywają coraz ważniejszą rolę czujniki klimatyczne, które ostatecznie odpowiadają za stabilne i zgodne z normami powietrze w pomieszczeniu. Zazwyczaj w czystych pomieszczeniach stosuje się niemal wyłącznie czujniki wilgotności, temperatury i różnicy ciśnień, których zadaniem jest ciągłe określanie aktualnej wartości i przekazywanie jej jako znormalizowanego sygnału sterującego. Idealnie, sygnał ten powinien być dokładny, powtarzalny i stabilny. Wymagane wartości docelowe oraz dokładność parametrów klimatycznych zależą głównie od zakresu zastosowania. Czyszczenie w pomieszczeniach farmaceutycznych będzie zdefiniowane inaczej niż w pomieszczeniach mikro-systemów, techniki medycznej czy szpitalach. Aby sprostać tym często wysokim wymaganiom, ważne jest wybieranie sensorów według określonych kryteriów. Istnieją duże różnice w zakresie dokładności, powtarzalności i stabilności urządzeń pomiarowych klimatu, a technologia pomiarowa odgrywa w tym ważną rolę.

Czujniki wilgotności
W tym miejscu wyróżnia się technologię pomiaru kapacytacyjną i rezystywno-elektroliczną. Metoda kapacytacyjna opiera się na dielektryku, który pochłania wodę z wilgotności powietrza. To zmienia pojemność systemu i generuje określony sygnał. W przypadku czujników rezystywno-elektrolicznych mierzona jest przewodność cieczy elektrolitycznej, która zmienia się podczas pobierania i oddawania wody. W obu technologiach następuje elektroniczne przetwarzanie surowej wartości w celu uzyskania końcowej wartości wilgotności.

Czujniki temperatury
W przypadku czujników temperatury dostępna jest szeroka gama technologii, z których omówione zostaną tylko najpopularniejsze metody pomiaru. Są to czujniki PT100/PT1000 oraz tzw. czujniki NTC. Oba mierzą temperaturę otoczenia, na którą wpływa opór elektryczny elementu. W przypadku PT100/1000 jest to platyna, a w czujnikach NTC są to tlenki metali. Gdy temperatura rośnie lub spada, rośnie lub maleje również opór, a odpowiedni sygnał jest generowany.

Czujniki różnicy ciśnień
Trzecią grupę stanowią czujniki różnicy ciśnień. Mierzą one różnicę ciśnienia w pomieszczeniu między strefą szarą a czystą, między różnymi klasami czystych pomieszczeń lub w przypadku kaskad ciśnień. Zasadniczo wyróżnia się pomiar dynamiczny i statyczny. Pierwszy realizowany jest za pomocą czujnika masowego przepływu, który mierzy masę powietrza przepływającego z wyższego do niższego ciśnienia i przelicza ją na różnicę ciśnień. Z kolei systemy statyczne mierzą zmianę impedancji, która zachodzi podczas odkształcenia warstwy piezorezystywnej na membranie.

Dobór sensorów
Niestety, urządzenia pomiarowe klimatu często wybiera się wyłącznie na podstawie kosztów zakupu. Jednak branie pod uwagę wyłącznie kosztów jako kryterium wyboru okazuje się często niewystarczające. Należy również uwzględnić aspekty techniczne, takie jak np. dokładność pomiaru, stabilność, czas reakcji, histereza itp. Nie można zapominać, że na początku każdego łańcucha pomiaru/sterowania/regulacji zawsze znajduje się sensor lub urządzenie pomiarowe klimatu, które rejestruje wartość rzeczywistą i przekazuje ją do aktuatorów. Sensoryka odgrywa więc kluczową rolę w całkowitym koncepcie systemu klimatyzacji. Jeśli jednak weźmie się pod uwagę następujące aspekty, nie ma przeszkód w zapewnieniu płynnej i kosztowo efektywnej pracy.

Jako zasada ogólna przyjęto: pomiar powinien być około 5-8 razy dokładniejszy niż wymagana dokładność w "punkcie działania", czyli w procesie. Współczynnik ten wynika z sumy tolerancji w całym łańcuchu pomiaru/sterowania/regulacji, obejmującego oprócz sensorów i aktuatorów również wentylatory, systemy filtracji, nawilżacze powietrza, klapy wentylacyjne itp.

Przykład pomiaru wilgotności powietrza:
Dokładność pomiaru +/- 2% rF przy współczynniku 5-8 daje dokładność regulacji w procesie od +/- 10 do +/- 16% rF, co zwykle w czystym pomieszczeniu jest niewystarczające. Przy dokładności pomiaru +/- 0,5% rF uzyskujemy dokładność w procesie od +/- 2,5 do +/- 4% rF. Ta dokładność jest w większości przypadków wystarczająca.

Inwestycja w precyzyjne sensory jest zdecydowanie opłacalna. Ewentualne dodatkowe koszty związane z urządzeniami pomiarowymi nie mają porównania do poprawy procesu i wynikających z tego zmniejszonych kosztów operacyjnych i energetycznych. Tak zoptymalizowane procesy umożliwiają następujące oszczędności kosztów: mniejsze zużycie energii na uzdatnianie wody do nawilżania powietrza; dłuższe okresy pracy systemów filtracyjnych; wydłużenie żywotności nawilżaczy powietrza; dłuższe cykle kalibracji i ustawiania; zmniejszenie liczby cykli regulacyjnych; ogólnie minimalizacja regulacji systemu.

Aby skorzystać z tych potencjałów oszczędności, kluczowy jest wybór odpowiedniej technologii, co ilustruje poniższy przykład.

Umiejscowienie sensorów
Dobór sensorów to jednak dopiero połowa sukcesu. Oprócz jakości sensorów ważne jest również ich umiejscowienie. Sensor może w pełni wykorzystać swoje możliwości tylko wtedy, gdy jest umieszczony we właściwym miejscu. Bliskość procesu jest głównym kryterium, tzn. sensor powinien mierzyć możliwie najbliżej procesu, a uzyskane wartości powinny być natychmiast przetwarzane na sygnał regulacyjny i przekazywane. Kolejne kryteria to łatwy dostęp do kalibracji i wymiany, optymalna ochrona przed środkami dezynfekcyjnymi (np. H2O2), umieszczenie w kanale zasilającym powietrze do czystego pomieszczenia oraz instalacja w obszarach, gdzie spełnione są warunki eksploatacyjne podane przez producenta (np. temperatura, kondensacja, drgania itp.). Uwzględniając te kryteria, można znacznie poprawić dokładność pomiaru, powtarzalność, stabilność długoterminową i żywotność sensorów.

Programy oszczędnościowe nie są już opcją, lecz koniecznością. Efektywność całych systemów musi być dokładnie sprawdzona i uwzględniona w kalkulacjach kosztów, nie tylko poszczególnych komponentów. Nie ma sensu, aby wysokiej klasy nawilżacz był sterowany niedokładnym i histerezyjnym sensorem.

W końcowym rozliczeniu wszelkie dodatkowe koszty związane z zakupem wysokiej klasy technologii pomiarowej zostaną bardzo szybko zrekompensowane, jakość optymalnego dla procesu czystego powietrza w pomieszczeniu zostanie zapewniona, a zużycie energii zmniejszone. Co najważniejsze, dzięki oszczędnościom energii przyczyniamy się również do ochrony środowiska. Krótko mówiąc: prawdziwa sytuacja WIN-WIN!