Wiedzieć, jak wieje wiatr

Rysunek 1: Rozkład przepływu pod FFU

Rysunek 2: Montaż czujnika pod FFU

Dipl. Ing. (FH) Helmar Scholz, Kierownik ds. Rozwoju Czujników, SCHMIDT Technology GmbH

Pomiar prędkości laminarnego przepływu powietrza w pomieszczeniach czystych stawia najwyższe wymagania wobec sensorów. Wybór odpowiedniej metody pomiarowej do precyzyjnego pomiaru najdrobniejszych prędkości przepływu to dopiero pierwszy krok. Aspekty konstrukcyjne, takie jak łatwość czyszczenia, brak zużycia i dryfu w konstrukcji, są równie ważne jak precyzyjne, bliskie aplikacji metody kalibracji. W związku z tym zastosowanie i eksploatacja takiej specjalistycznej elektroniki wymaga od operatora szerokiej wiedzy.

Ogólnie do pomiaru przepływu powietrza nadaje się wiele zasad fizycznych, których techniczna realizacja ze względu na specyficzne warunki aplikacji prowadzi do ogromnej różnorodności urządzeń pomiarowych. Jednak tylko niewiele z tych metod lub systemów spełnia szczególne wymagania, które stawia pomiar przepływu w pomieszczeniu czystym.

Największym wyzwaniem jest zakres niskich prędkości przepływu, w którym sondy mają mierzyć. W przypadku monitorowania i regulacji laminarnego przepływu powietrza pod tzw. jednostką filtrującą (FFU), która jest głównym zastosowaniem czujników przepływu w pomieszczeniach czystych, typowa prędkość przepływu wynosi około 0,45 m/s. To odpowiada ruchowi powietrza, którego odczuwa spacerowicz idący spokojnie przy bezwietrznej pogodzie z prędkością własną około 1,5 km/h. Dlatego konieczne jest wybranie metody, która nie tylko potrafi zmierzyć tak niskie prędkości, ale także zapewni wystarczającą dokładność i powtarzalność pomiaru. W tym celu szczególnie poleca się metodę termiczną (metoda kalorymetryczna, pomiar schłodzenia podgrzewanego obiektu), ponieważ jej maksymalna czułość jest właśnie w niskim zakresie prędkości. Alternatywne metody pomiarowe, takie jak czujniki różnicy ciśnień czy vortex, nie radzą sobie z tym zakresem od początku, natomiast systemy oparte na dyszach wykazują najwyższą czułość dopiero przy wyższych prędkościach.

Kolejną, nie mniej ważną zaletą termicznego anemometru jest fakt, że działa on bez ruchomych części. Oznacza to brak możliwości skażenia czystego powietrza przez zanieczyszczenia mechaniczne lub smar. Brak zużycia zapewnia pracę bez dryfu i gwarantuje długoterminową wysoką i powtarzalną dokładność pomiarów. Co więcej, można zaprojektować konstrukcję zgodną z GMP, łatwą do czyszczenia i sterylizacji, bez ostrych krawędzi, co jest kluczowe w kontekście pomieszczeń czystych. Metody mechaniczne, takie jak czujniki z łopatkami, są z powyższych powodów całkowicie nieodpowiednie do stałej instalacji w pomieszczeniach czystych, podobnie jak wymienione powyżej alternatywne metody pomiarowe, które przy braku ostrych krawędzi mogą sprawiać problemy, szczególnie w zakresie niskich prędkości przepływu.

Dobry wynik pomiaru nie zależy jednak wyłącznie od wyboru odpowiedniej metody pomiaru; kluczowe jest również odpowiednie wyrównanie i kalibracja sensorów. Do tego konieczne są bardzo precyzyjne, specjalnie do tego celu opracowane tunelowe komory powietrzne, które pozwalają na dokładną charakterystykę i dokumentację sensorów przez cały ich cykl życia, począwszy od produkcji. W przypadku pomiaru laminarnego przepływu powietrza istnieją dwa aspekty, które często są niedoceniane. Z jednej strony niskie prędkości przepływu wymagają bardzo spokojnego otoczenia, aby osiągnąć wymaganą dokładność. Na przykład podczas kalibracji w „otwartym”, niezisolowanym od środowiska odcinku pomiarowym nawet otwarcie pobliskiego laboratorium lub zwykłe „przejście obok” miejsca pomiaru może powodować znaczne odchylenia. Dlatego zaleca się, aby producent dysponował zamkniętym tunelowym komorą powietrzną, minimalizującą wpływ warunków zewnętrznych. Z drugiej strony często niedocenianym lub nawet nieznanym aspektem jest sama aplikacja, w której mierzona ma być (w kierunku przeciwnym do przepływu) zjawisko tzw. fallströmingu pod pokrywą filtra. Należy pamiętać, że systemy termiczne, pracujące z grzałkami, ze względu na konwekcję naturalną generują przepływ powietrza skierowany ku górze, który musi być skompensowany w pomiarze fallströmingiem. Odchylenie pomiaru wywołane tym zjawiskiem może sięgać nawet 10% wartości pomiaru przy prędkości 0,45 m/s. Nie tylko czujniki termiczne, ale także czujniki z łopatkami odgrywają kluczową rolę w zakresie pomiaru przepływu w niskim zakresie prędkości, w szczególności w zakresie niskich prędkości, w zależności od tego, czy łożyska łopatki są zawieszone czy leżące. Większość producentów dysponuje jednak tylko tunelami powietrznymi, w których czujniki kalibruje się w poziomym przepływie, nie uwzględniając wpływu konwekcji naturalnej. Tunelowe komory do kalibracji pod kątem fallströmingu są dostępne tylko u nielicznych dostawców sensorów.

Aby zapewnić rzetelną referencję, producent sensorów musi dysponować nie tylko odpowiednim tunelowym urządzeniem, ale także odpowiednią techniką pomiarową, umożliwiającą zgodną z normami kontrolę pomiaru przepływu w regularnych odstępach czasu. Do tego celu najlepiej sprawdza się laserowe anemometry Dopplera, które pozwalają na pomiar prędkości poniżej 0,05 m/s z wysoką dokładnością i rozdzielczością.

Jeśli uświadomimy sobie, jak małe są te wielkości pomiarowe i jak łatwo mogą być zakłócone przez najmniejsze warunki środowiskowe, konieczne jest krytyczne podchodzenie do wyników pomiarów w pomieszczeniu czystym. Należy pamiętać, że podczas instalacji w pomieszczeniu czystym rozkład prędkości pod jednostką filtra nigdy nie jest jednorodny, szczególnie w obrębie krawędzi filtra, gdzie jest on wyraźnie zakłócony przez ramę (patrz rysunek 1). Dlatego zaleca się montaż punktu pomiarowego w środku pod jednostką laminarnego przepływu. Niezależnie od wybranego miejsca montażu, dla uzyskania jak najlepszej powtarzalności należy zapewnić, aby pozycja pomiarowa była zachowana mimo wszelkich manipulacji (np. podczas czyszczenia lub wymiany sensorów). W tym celu przydatny jest system montażu i instalacji gwarantujący lub ułatwiający zachowanie dokładnej pozycji (patrz rysunek 2).

Także po poprawnym wyborze i montażu czujnika w pomieszczeniu czystym można popełnić błędy. Najczęściej zdarza się to podczas referencyjnych pomiarów ręcznymi urządzeniami, które mają służyć do potwierdzenia funkcji sensorów, zarówno przy uruchomieniu systemu, jak i okresowo podczas eksploatacji. Jeśli nie uwzględni się zasadniczych różnic między systemami pomiarowymi, może dojść do poważnych rozbieżności między sensorami kontrolowanymi i kontrolującymi. Na przykład, jeśli sensor referencyjny to anemometr z łopatkami („śmigło”), mierzy on rzeczywistą prędkość cząsteczkową powietrza w warunkach rzeczywistych, w przeciwieństwie do termicznych anemometrów, które mierzą znormalizowaną prędkość przepływu w odniesieniu do określonego ciśnienia i temperatury. Aby porównać oba typy sensorów, najlepiej przeliczyć znormalizowaną wartość prędkości termicznego czujnika na rzeczywistą prędkość w oparciu o aktualne parametry otoczenia (temperaturę powietrza Tact i ciśnienie powietrza pact) według następującego wzoru:

Z powyższego wzoru można łatwo wywnioskować, że zarówno ciśnienie powietrza, jak i temperatura mają wpływ na wynik pomiaru termicznego anemometru. W pomieszczeniach czystych wpływ temperatury można praktycznie zaniedbać ze względu na stabilne warunki i pracę w pobliżu wartości odniesienia TN = 20 °C, natomiast wpływ aktualnego ciśnienia powietrza jest znacznie bardziej istotny, co ilustruje poniższy przykład. Czujnik przepływu termiczny do pomiaru laminarnego przepływu pod FFU z wentylatorem sterowanym obrotami został skalibrowany na wartość odniesienia pN = 1013,25 hPa (ciśnienie standardowe na poziomie morza). Jeśli ta jednostka filtra jest używana na poziomie morza w pomieszczeniu czystym, ciśnienie jest zbliżone do wartości odniesienia, a czujnik wskazuje prędkość normalną w granicach w = wN, odpowiadającą rzeczywistej prędkości wR = 0,45 m/s. Jednakże, jeśli ta sama jednostka jest zainstalowana w Schwarzwaldzie na wysokości 1000 m (ok. p = 890 hPa), silnik wentylatora FFU, mimo że nadal obraca się z tą samą prędkością, generuje przepływ powietrza o rzeczywistej prędkości wR = 0,45 m/s, ale ze względu na mniejszą gęstość powietrza, zgodnie z powyższym wzorem przeliczającym, wyświetli się wynik czujnika równy:

W porównaniu do anemometru z łopatkami, pod tymi warunkami termiczny anemometr pokaże wartość tylko 0,40 m/s, co stanowi różnicę ponad 10%. Jeśli użytkownik potrzebuje rzeczywistej prędkości przepływu jako wielkości pomiarowej w pomieszczeniu czystym, zaleca się przeliczenie wyników czujnika termicznego za pomocą powyższego wzoru. Przy tym można pominąć w pierwszym przybliżeniu wahania ciśnienia powietrza spowodowane zmianami pogody (typowo < ±20 mbar). Bardziej precyzyjne pomiary umożliwia zastosowanie czujnika ciśnienia powietrza, który rejestruje wszystkie wpływy aktualnego ciśnienia, a także ewentualnie temperaturę otoczenia, i uwzględnia je w obliczeniach.

Pomiar przepływu powietrza w pomieszczeniu czystym to nie jest zadanie trywialne. Wybór odpowiedniego systemu pomiarowego, powtarzalne ustawienie montażowe oraz poprawna interpretacja wyników są niezbędne do uzyskania wiarygodnych i rzetelnych pomiarów. I zawsze trzeba mieć świadomość, co się mierzy: lekkie muśnięcie wiosennego spaceru.