Differenzdruckmessung in Reinräumen

Räume für kritische Prozesse, d.h. Reinräume, sowie Mini-Umgebungen erfordern präzise Umweltüberwachungstechnologie und -methoden, um konsistent innerhalb der Spezifikationen zu arbeiten.

Dabei geht es nicht nur darum, Normen einzuhalten, sondern vor allem um die Qualität Ihrer Produkte, z. B. pharmazeutische Arzneimittel, Halbleiterchips oder Fertigungsprozesse. Robuste und hochpräzise Differenzdruckmessgeräte von Novasina bewältigen die Herausforderungen der Druckmessung und unterstützen den reibungslosen Betrieb Ihrer Reinraum-Anlagen.

Es gibt mehrere Standards, die im Zusammenhang mit Reinräumen relevant sind. Während die VDI 2083‑19 die Dichtigkeit von Containments behandelt, legen andere Normen klare Anforderungen an Differenzdruckunterschiede fest, wie z. B. die DIN EN ISO 14644‑3/4 zur Reinraumklassifikation, VDI 2083 (Teil 3) oder GMP Annex 1 mit 5–20 Pa bzw. 5–15 Pa.

Der Hauptansatz zum Schutz von Personen, Produkten und der Fertigungsumgebung besteht darin, Druckkaskaden zwischen Räumen zu erzeugen. Dadurch soll gewährleistet werden, dass Luft stets von einem Reinraum in einen nicht kontrollierten Bereich strömt. Zusätzliche Techniken zur Aufrechterhaltung von Reinräumen umfassen: Punkt- und Flächenabsaugung, Reinlufthauben, Laminar-Flow-Arbeitsplätze, Luftvorhänge, Filterventilatoreinheiten, Mini-Umgebungen, Restricted Access Barrier Systems (RABS), Sicherheitsarbeitsbänke für die Biologie oder Ähnliches, Handschuhkästen, Reinmaschinen, Isolatoren und andere Containments.

Messanforderungen in Reinräumen

Nach DIN EN ISO 14644‑3 muss der minimale Differenzdruck zwischen 0 und 50 Pa liegen. Um diese Messung erfolgreich durchführen zu können, werden Instrumente mit geringer Messunsicherheit benötigt. Novasina bietet eine spezielle Produktlinie mit automatischem mechanischem Nullpunkt, der es ermöglicht, sehr kleine Druckunterschiede zu messen, ohne dass die üblichen Langzeitdrifts durch Alterung oder Montagesituationen Einfluss nehmen.

Da stets ein Überdruck zur Sicherstellung des richtigen Luftstroms gewährleistet sein muss, sind die meisten in Reinräumen eingesetzten Geräte bidirektional, mit Messbereichen z. B. von -25 bis +25 Pa. Mit diesem Messbereich kann dokumentiert werden, dass in kritischen Produktionsbereichen der Raumdruck nicht unter 0 Pa Differenzdruck zwischen den Kontaminationsklassen gefallen ist. In solchen Fällen ist die geringe Unsicherheit durch das mechanische Auto-Zero von entscheidender Bedeutung.

Messmethoden in Reinräumen

Es gibt zwei Hauptmessmethoden, die zur Überwachung des Differenzdrucks in Reinräumen verwendet werden. Eine ist die sogenannte „statische“ Methode und die andere ist die „dynamische“ Differenzdruckmethode, die nach dem Prinzip des thermischen Massenstroms arbeitet. Diese Messtechnik besteht aus einem Heizelement, das zwischen zwei temperatursensitiven Widerständen platziert wird. Bei Luftstrom entsteht auf einem der Widerstände ein erhöhtes Temperaturprofil, abhängig von der Richtung des Luftstroms. Das statische Messprinzip folgt der Dehnungsmessstreifen-Methode. Das Prinzip hinter dieser Methode ist, dass Druck in Kraft umgewandelt wird, indem eine Membran gedehnt wird, und dies von einem piezoresistiven MEMS-Sensor gemessen wird. Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile, und die Technologie hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt. Novasina, als Schweizer Sensorhersteller, verfügt über jahrelange Erfahrung mit beiden Methoden.

Statische Methode in Reinräumen

Das derzeitige Standarddetektionselement für die statische Methode ist ein hochpräzises piezoresistives Element. Aufgrund der Alterung der Membranen können jedoch nicht alle statischen Messumformer eine stabile Langzeitmessung bieten. Aus diesem Grund wirken sich Druck sowie Montageposition auf die Membran aus, was über die Zeit zu Fehlern von mehreren Pascal führen kann. Noch wichtiger ist, dass die Nullpunktstabilität beeinträchtigt werden kann, was zu Driftwerten von 1 bis 2 Pascal innerhalb eines Jahres führt. Novasina hat dieses Problem durch den Einsatz von Sensorik und Elektronik höchster Qualität gelöst. Um die Nullpunktstabilität sicherzustellen, wird bei den bidirektionalen Instrumenten alle paar Stunden automatisch ein mechanischer Nullpunkt durchgeführt. Für dieses wichtige Nullstellen ist ein Magnetventil erforderlich, das auf beiden Seiten der Membran den gleichen Druck erzeugt und somit die beste Genauigkeit und Langzeitstabilität auch nach jahrelangem Betrieb gewährleistet.

Dynamische Methode in Reinräumen

Während statische Methoden am weitesten verbreitet sind, nutzten ältere Produktlinien das dynamische Messprinzip. Allerdings erwies sich die erforderliche Kompensation der Schlauchlänge für eine korrekte Messung als Herausforderung. Dennoch könnte der anhaltende Trend zur Miniaturisierung mögliche Schlauchlängeneffekte auf vernachlässigbare Werte reduzieren, wodurch dynamische Methoden wieder interessant werden. Bei Novasina wird die Weiterentwicklung der Technologie innerhalb unserer Kernkompetenzen regelmäßig bewertet. Vorbehaltlich einer Bewertung des technischen und kommerziellen Potenzials dynamischer Methoden könnten zukünftige Produktlinien für dynamische Differenzdruckmessungen wieder eingeführt werden.

Filter- und Strömungsüberwachung in Reinräumen

Der über einen Filter eines Klimasystems gemessene Differenzdruckabfall ermöglicht Rückschlüsse auf den Verschmutzungsgrad und hilft, Wartungsintervalle festzulegen. Für die Filterüberwachung kann ein weniger genaues Differenzdruckmessgerät verwendet werden, da es nicht erforderlich ist, so kleine Unterschiede zu bestimmen.

Differenzdruck kann auch zur Strömungsüberwachung eingesetzt werden. Die Strömungsgeschwindigkeit kann anhand des Druckabfalls über eine Drosselöffnung oder einen Membrandiffusor berechnet werden. Eine erste Kalibrierung kann erforderlich sein, danach ist der Differenzdruck jedoch ein guter Indikator für die Strömungsgeschwindigkeit in m/s.