Idealerweise sollte dieses Signal genau, reproduzierbar und stabil sein. Die geforderten Sollwerte sowie die Genauigkeit der Klimaparameter hängen in erster Linie vom Anwendungsbereich ab. Ein Reinraum in einer Pharmaproduktion wird diesbezüglich anders definiert als Reinräume in der Mikrosystemtechnik, Medizintechnik oder in Krankenhäusern. Um diesen zum Teil hohen Anforderungen gerecht zu werden ist es wichtig, die Sensoren nach bestimmten Kriterien auszuwählen. Es bestehen nämlich große Unterschiede bezüglich Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität von Klimamessgeräten und die verwendete Messtechnik spielt dabei eine wichtige Rolle.
Feuchtesensoren
Hier unterscheidet man die kapazitive und resistiv-elektrolytische Messtechnik. Die kapazitive Methode basiert auf einem Dielektrikum, welches das Wasser aus der Luftfeuchte absorbiert. Dies verändert die Kapazität des Systems und gibt dadurch ein bestimmtes Signal aus. Bei resistiv-elektrolytischen Sensoren hingegen wird die Leitfähigkeit eines flüssigen Elektrolyten gemessen, welche sich bei Aufnahme und Abgabe von Wasser verändert. Bei beiden Techniken erfolgt eine elektronische Aufbereitung des Rohwertes, um daraus den effektiven Feuchtewert zu gewinnen.
Temperatursensoren
Bei Temperatursensoren besteht ein breitesAngebot an verschiedenen Funktionsprinzipien, wobei hier nur auf die gängigsten Messmethoden eingegangen wird. Diese sind PT 100 / PT 1000 und die sogenannten NTC-Sensoren. Beide messen die Umgebungstemperatur auf der Basis von deren Abhängigkeit zum elektrischen Widerstand des Elements. Bei PT 100 / PT 1000 ist dies Platin, bei NTC sind es Metalloxide. Steigt oder sinkt nun die Temperatur, dann steigt bzw. sinkt auch der Widerstand und ein Signal wird entsprechend ausgegeben.
Differenzdrucksensoren
Differenzdrucksensoren messen den Raumdruckunterschied zwischen Grau- und Reinraum, zwischen Reinraumklassen oder bei Druckkaskaden. Man unterscheidet die dynamische oder statische Druckmessung. Erstere erfolgt mittels eines Massenflusssensors, der die vom höheren zum tieferen Druckbereich durchströmende Luftmasse misst und in einen Differenzdruck umrechnet. Auf der anderen Seite messen statische Systeme die Impedanzänderung, welche sich bei der Verformung einer in einer Membran eingelassenen Piezo-resistiven Silizumschicht ergibt.
Sensorauswahl
Klimamessgeräte werden häufig aufgrund ihrer Anschaffungskosten ausgewählt. Die Kosten als einziges Auswahlkriterium heranzuziehen erweist sich aber oft als unzureichend. Es sollten vielmehr auch die technischen Aspekte mit berücksichtigt werden, darunter die Messgenauigkeit, Stabilität, Ansprechzeit und Hysterese. Denn am Anfang jeder Mess-Steuer-Regel-Kette steht immer ein Sensor bzw. ein Klimamessgerät, das den Istwert aufnimmt und ihn an die Aktoren weiterleitet. Die Sensorik spielt somit eine zentrale Rolle im Gesamtkonzept einer Klimaanlage. Wenn man aber die folgenden Aspekte berücksichtigt, steht einem reibungslosen und kosteneffizienten Betrieb nichts im Wege.
Als Faustregel gilt: Die Messung sollte rund fünf- bis achtmal genauer sein als die am „Point of Action“, also im Prozess geforderte Genauigkeit. Dieser Faktor ergibt sich auf der Basis der Summe von Toleranzen in der gesamten Mess-Steuer-Regel-Kette, die neben Sensoren und Aktoren auch Ventilatoren, Filtersysteme, Luftbefeuchter, Lüftungsklappen und andere Bauelemente beinhaltet.
Hier ein Beispiel für den Bereich der Luftfeuchtemessung: Eine Messgenauigkeit von +/2 % r. F. ergibt mit Faktor 5 bis 8 eine Regelgenauigkeit im Prozess von +/10 bis zu +/16 % r. F., was im Reinraum in der Regel nicht ausreichend ist. Bei einer Messgenauigkeit von +/0,5 % r. F. hingegen, ergibt sich eine Genauigkeit im Prozess von +/2,5 bis zu +/4 % r. F. Diese Genauigkeit ist in den meisten Fällen ausreichend.
Die Investition in genaue Sensorik lohnt sich auf jeden Fall. Denn Mehrkosten für die Messinstrumente stehen in keinem Verhältnis zum verbesserten Prozess und den dadurch reduzierten Betriebs- und Energiekosten. So optimierte Prozesse ermöglichen folgende kostenreduzierende Zusatznutzen:
- weniger Energieaufwand zur Wasseraufbereitung zur Luftbefeuchtung;
- längere Standzeiten von Filtersystemen;
- verlängerte Lebensdauer von Luftbefeuchtern;
- längere Kalibrier- und Justierzyklen;
- verkürzte Regelzyklen;
- allgemein weniger Anlagenjustierungen.
Um diese Einsparungspotenziale zu nutzen, ist die Auswahl der richtigen Technik ausschlaggebend, wie folgendes Beispiel veranschaulicht.
Sensorplatzierung
Die Sensorauswahl ist jedoch nur ein Teil der Geschichte. Denn neben der Sensorqualität spielt auch deren Platzierung eine wichtige Rolle. Der Sensor kann nur dann seine Stärken ausspielen, wenn er am richtigen Platz montiert ist. Die Prozessnähe ist ein Hauptkriterium: Der Sensor sollte möglichst nahe am Prozess messen und die ermittelten Werte sollten sofort in ein Regelsignal umgesetzt und übertragen werden. Weitere Kriterien sind eine einfache Zugänglichkeit für die Kalibrierung und den Austausch, ein effektiver Schutz vor Desinfektionsmitteln (z. B. H2O2), eine Platzierung in der Zuluftzone, durch die Frischluft zum Reinraum geleitet wird und schließlich eine Installation in Bereichen, wo die vom Hersteller angegebenen Betriebsbedingungen wie Temperatur, Kondensation und Vibrationen eingehalten werden. Werden diese Kriterien berücksichtigt, können die Messgenauigkeit, Reproduzierbarkeit, Langzeitstabilität und Lebensdauer der Sensoren markant verbessert werden.
Kosten werden nur dann eingespart, wenn die Effizienz des Gesamtsystems sorgfältig geprüft wird, nicht nur jene einzelner Komponenten. Es ist kontraproduktiv, wenn ein effizienter High-End-Luftbefeuchter durch einen ungenauen und hysteresebehafteten Sensor gesteuert wird.
In der Gesamtrechnung werden sich Mehrkosten für die Anschaffung erstklassiger Messtechnik nach kurzer Zeit amortisiert haben. Gleichzeitig wird damit die Qualität einer für den Prozess optimalen Reinraumluft gewährleistet und der Energieverbrauch verringert. Und letztendlich wird durch die Energieeinsparung auch ein wichtiger Beitrag für den Umweltschutz geleistet. -
Marco Cau
Leiter Verkauf & Marketing, Novasina AG, CH-Lachen
