Счетчик частиц используется для мониторинга и диагностики загрязнения частицами определенных чистых сред, включая воздух, воду и химические вещества. Счетчики частиц используются в различных приложениях для поддержки экологически чистых производственных практик, включая электронные компоненты и сборки, фармацевтические препараты и медицинское оборудование, а также промышленные технологии, такие как нефть и газ.
Счетчики частиц работают в основном на основе принципов рассеяния света, хотя могут использоваться и другие технологии. Для рассеяния света частицами используются приборы, состоящие из источника света высокой интенсивности (лазера), контролируемого потока среды (воздуха, газа или жидкости) и высокочувствительных светособирающих детекторов (фотодетектора).
В лазерных оптических счетчиках частиц используются пять основных систем:
Затемнение света частицами работает по принципу, согласно которому присутствие частиц блокирует часть света, поступающего от фотодетектора, обычно за счет поглощения или рассеяния света . Фотодетектор регистрирует затемнение света и преобразует его в электрический сигнал, затем этот сигнал сопоставляется с частицей определенного размера с использованием PHA, как в описании рассеяния выше.
При подсчете частиц с помощью прямого изображения используется камера высокого разрешения и источник света для обнаружения частиц. Устройства определения размера частиц на основе машинного зрения получают двухмерные изображения, которые анализируются компьютерным программным обеспечением для измерения размера частиц. Изображения можно сохранить и воспроизвести для дополнительного анализа.
Счетчик Коултера — это прибор для подсчета и определения размера частиц, взвешенных в электролитах . Обычно его используют для клеточных частиц. Принцип Коултера и основанный на нем счетчик Коултера — это коммерческий термин для обозначения метода, известного как резистивное импульсное зондирование или зондирование электрических зон.
Существует несколько методов, используемых для обнаружения и измерения размера частиц или распределения по размерам: блокировка света (затенение), рассеяние света, принцип Коултера и прямая визуализация. Источник света высокой интенсивности используется для освещения частицы, когда она проходит через камеру обнаружения.
Метод оптического счетчика частиц с блокированием света обычно полезен для обнаружения и определения размера частиц размером более 1 микрометра и основан на количестве света, блокируемом частицей при прохождении через область обнаружения счетчика частиц. Этот тип техники обеспечивает высокое разрешение и надежные измерения.
Если используется светорассеяние, то перенаправленный свет обнаруживается фотодетектором. Метод светорассеяния способен обнаруживать частицы меньшего размера. Этот метод основан на количестве света, отклоняемого частицей, проходящей через область обнаружения счетчика частиц. Это отклонение называется рассеянием света. Типичная чувствительность обнаружения метода рассеяния света составляет 0,05 микрометра или более. Однако использование метода счетчика ядер конденсации (ЧПУ) позволило бы повысить чувствительность обнаружения частиц размером вплоть до нанометрового диапазона. Типичным применением является мониторинг сверхчистой воды на предприятиях по производству полупроводников.
Если используется блокировка света (затенение), фиксируется потеря света. Измеряется амплитуда рассеянного или заблокированного света, частицы подсчитываются и заносятся в стандартизированные счетные ячейки. Метод светоблокировки предназначен для счетчиков частиц, которые используются для подсчета в гидравлических и смазочных жидкостях. Счетчики частиц используются здесь для измерения загрязнения гидравлического масла и, следовательно, позволяют пользователю обслуживать свою гидравлическую систему, уменьшать количество поломок, планировать техническое обслуживание в периоды отсутствия или медленной работы, контролировать производительность фильтра и т. д. Счетчики частиц, используемые для этой цели, обычно используют ISO. Стандарт 4406:1999 в качестве стандарта отчетности и ISO 11171 в качестве стандарта калибровки. Также используются NAS 1638 и его преемник SAE AS4059D.
Если используется прямая визуализация, галогенный свет освещает частицы сзади внутри клетки, в то время как камера с высоким разрешением и большим увеличением фиксирует проходящие частицы. Записанное видео затем анализируется компьютерным программным обеспечением для измерения характеристик частиц. При подсчете частиц с помощью прямого изображения используется камера высокого разрешения и свет для обнаружения частиц. Устройства для определения размера частиц на основе машинного зрения получают двухмерные изображения, которые анализируются компьютерным программным обеспечением для измерения размера частиц как в лаборатории, так и онлайн. Наряду с размером частиц также может быть определен анализ цвета и формы. Прямая визуализация — это метод, который использует свет, излучаемый лазером, в качестве источника для освещения клетки, через которую проходят частицы. Этот метод не измеряет свет, блокируемый частицами, а скорее измеряет площадь частиц, функционируя как автоматический микроскоп. Импульсный лазерный диод замораживает движение частиц. Свет, проходящий через жидкость, отображается на электронной камере с макрофокусирующей оптикой. Частицы в образце будут блокировать свет, а полученные силуэты будут отображаться на чипе цифровой камеры.
Приложения счетчиков частиц разделены на три основные категории:
Счетчики аэрозольных частиц используются для определения качества воздуха путем подсчета и определения количества частиц в воздухе. Эта информация полезна при определении количества частиц внутри здания или в окружающем воздухе. Это также полезно для понимания уровня чистоты в контролируемой среде. Обычно счетчики аэрозольных частиц с контролируемой средой используются в чистых помещениях . Чистые помещения широко используются в производстве полупроводниковых приборов , биотехнологиях , фармацевтике , дисковых накопителях , аэрокосмической и других областях, которые очень чувствительны к загрязнению окружающей среды. В чистых помещениях установлены ограничения на количество частиц. Счетчики аэрозольных частиц используются для тестирования и классификации чистых помещений, чтобы гарантировать, что их характеристики соответствуют определенному стандарту классификации чистых помещений. Существует несколько стандартов классификации чистых помещений. Наиболее часто упоминаемая классификация родом из США. Хотя стандарт Federal Standard 209E возник в Соединенных Штатах, он был первым и наиболее часто упоминаемым. Этот стандарт был заменен в 1999 году международным стандартом, но Федеральный стандарт 209E остается сегодня стандартом, на который чаще всего ссылаются в мире. [ нужна цитата ]
Существует несколько приборов прямого считывания для измерения выбросов аэрозольных частиц. CPC и анализаторы частиц с дифференциальной подвижностью, включая сканирующий анализатор подвижности частиц и анализатор частиц с быстрой подвижностью, могут измерять концентрацию аэрозоля; диффузионное зарядное устройство и электрический импактор низкого давления позволяют измерять площадь поверхности; Статический пробоотборник с селективным размером и осциллирующие микровесы с коническим элементом позволяют измерять массу. [1]
Для чистых помещений новым стандартом является ISO 14644-1 , который призван полностью заменить Федеральный стандарт 209E . Этот стандарт ISO можно найти в некоммерческой организации Институт экологических наук и технологий (IEST). Каждый из этих стандартов представляет максимально допустимое количество частиц в единице воздуха. Типичная единица измерения — кубические футы или кубические метры. Количество частиц всегда указывается как совокупное.
Счетчики жидких частиц используются для определения качества жидкости, проходящей через них. Размер и количество частиц могут определить, достаточно ли чиста жидкость, чтобы ее можно было использовать по назначению. Счетчики жидких частиц можно использовать для проверки качества питьевой воды или чистящих растворов, а также чистоты энергетического оборудования, производственных деталей или инъекционных лекарств .
Счетчики жидких частиц также используются для определения уровня чистоты гидравлических жидкостей и различных других систем, включая двигатели, редукторы и компрессоры, поскольку 75-80% поломок гидравлической системы можно объяснить загрязнением. Существуют различные типы, установленные на оборудовании, эксплуатируемом в лаборатории в рамках программы анализа масла . [2] или портативные устройства, которые можно доставить на объект, например , на строительную площадку, а затем использовать на машине, например , бульдозере, для определения чистоты жидкости. Определяя и контролируя эти уровни, а также следуя программе упреждающего или прогнозного технического обслуживания, пользователь может уменьшить количество отказов гидравлической системы, увеличить время безотказной работы и эксплуатационную готовность машины, а также снизить расход масла. Их также можно использовать для обеспечения очистки гидравлических жидкостей с помощью фильтрации до приемлемого или целевого уровня чистоты. В гидравлической промышленности используются различные стандарты, из которых, вероятно, наиболее распространенными являются ISO 4406:1999, NAS1638 и SAE AS 4059.
Типичная чистота гидравлического масла по стандарту ISO 4406 составляет 18.20.15. [3]
Счетчики твердых частиц используются для измерения сухих частиц в различных промышленных целях. Одним из таких приложений может быть определение размера частиц, поступающих из камнедробилки в горнодобывающем карьере. Сита являются стандартными приборами, используемыми для измерения размера сухих частиц. Системы машинного зрения также используются для измерения размера сухих частиц. С помощью системы машинного зрения можно быстро и эффективно определить размер частиц с легкостью и невероятной точностью.
Счетчики мелких частиц, которые используются для контроля фиксированного места, обычно внутри чистого помещения или мини-среды, для постоянного контроля уровня частиц. Эти счетчики меньшего размера обычно не имеют локального дисплея и подключаются к сети других счетчиков частиц и других типов датчиков для мониторинга общей производительности чистого помещения. Эта сеть датчиков обычно подключается к системе мониторинга объекта (FMS), системе сбора данных или программируемому логическому контроллеру .
Эта компьютерная система может интегрироваться в базу данных, подавать сигналы тревоги и может иметь возможность электронной почты для уведомления персонала предприятия или технологического процесса, когда условия внутри чистого помещения превышают заранее установленные экологические пределы. Удаленные счетчики частиц доступны в нескольких различных конфигурациях: от одноканальных до моделей, которые обнаруживают до 8 каналов одновременно. Удаленные счетчики частиц могут иметь диапазон определения размера частиц от 0,1 до 100 микрометров и могут иметь один из множества вариантов выходного сигнала, включая 4–20 мА, RS-485 Modbus , Ethernet и импульсный выход.
Модифицированный портативный счетчик аэрозольных частиц, прикрепленный к системе отбора проб для секвенирования. Система последовательного отбора проб позволяет использовать один счетчик частиц для отбора проб из нескольких мест с помощью серии трубок, отбирающих воздух из 32 мест внутри чистого помещения. Обычно это дешевле, чем использование удаленных счетчиков частиц, поскольку каждая трубка контролируется последовательно.
Ручной счетчик частиц — это небольшое автономное устройство, которое легко транспортировать и использовать и предназначенное для исследований качества воздуха в помещениях (IAQ). Хотя скорость потока ниже 0,1 фут 3 /мин (0,2 м 3 /ч), чем у более крупных портативных устройств с расходом 1 фут 3 /м (2 м 3 /ч), портативные устройства полезны для большинства тех же применений. Однако при проведении сертификации и испытаний чистых помещений может потребоваться более длительное время выборки. (Переносные счетчики не рекомендуется использовать в чистых помещениях). Большинство ручных счетчиков частиц имеют изокинетические пробоотборники прямого монтажа. Можно использовать зазубренный зонд на коротком отрезке трубки для отбора проб, но рекомендуется, чтобы длина трубки не превышала 6 футов (1,8 м) из-за потери более крупных частиц в трубке для отбора проб.
Счетчики частиц используются в тех случаях, когда требуется контроль загрязнения на производстве. Примеры этих отраслей включают: производство полупроводников; производство и сборка электронных компонентов; производство и сборка фотоники и оптики; аэрокосмическая промышленность; фармацевтическое и биотехнологическое производство; производство медицинского оборудования; производство косметики; и производство продуктов питания и напитков. Они также используются в промышленности, например, в нефтегазовой отрасли, гидравлических жидкостях, сборке и покраске автомобилей.
Счетчики аэрозольных частиц в основном используются для определения уровней загрязнения в чистом помещении или чистом защитном устройстве. Чистые помещения и чистые защитные устройства поддерживают низкий уровень содержания твердых частиц в воздухе за счет использования фильтров и классифицируются в зависимости от разрешенного количества частиц; Основным стандартом для устройств для чистых помещений или чистого воздуха является ISO 14644-1, могут существовать и другие местные стандарты, например FED-STD-209E.
Производство электроники и сборка электроники требуют строгого экологического контроля, особенно там, где процессы выполняются в реактивных условиях. Выходы снижаются, когда компоненты загрязнены частицами и микроэлементами. Счетчики частиц показывают, что эти меры контроля эффективны, а производственная среда оптимизирована для обеспечения требуемого качества.
В зависимости от применения и размера интересующих частиц требуются различные инструменты.
Мониторинг частиц в воздухе необходим для обеспечения отсутствия уровня загрязнения в производственной среде, который может привести к дефектам. Оно выполняется либо для всех чистых помещений (бальные залы, отсеки и погоны), либо для конкретных локально контролируемых сред (инструменты и мини-среды).
Там, где необходимо контролировать большие площади, можно использовать коллектор. Манифольд — это устройство, используемое для соединения многих мест отбора проб через длинные трубки для проб с центральным шаговым устройством и центральным счетчиком частиц. Он будет последовательно перемещаться между местоположениями пробирок, считывая показания. из каждого места. Небольшие помещения можно контролировать с помощью небольших точечных датчиков частиц. Они предназначены для отбора проб в одном месте и полагаются либо на центральную вакуумную подачу, либо на внутренний пробоотборный насос. Размер частиц загрязняющих веществ и частота измерений являются факторами, определяющими, какой метод является наиболее подходящим.
Существует два основных применения жидкостей в процессах производства электроники: химические вещества для производственных процессов и сверхчистая вода для очистки и промывки.
Технологические химикаты используются на этапах обработки полупроводников и других важных продуктов (химическое травление, удаление маски и химико-механическая полировка). Мониторинг частиц в технологических химикатах, от производства до точки использования, чрезвычайно важен для контроля этих чистых процессов и обеспечения качества выхода и пропускной способности. Использование непрерывного онлайн-мониторинга частиц позволяет инженерам-технологам и инженерам предприятий быстро реагировать на изменения уровня химической чистоты на протяжении всего процесса распределения химикатов.
Сверхчистая вода (UPW) / DI Вода используется для важных этапов очистки и ополаскивания. Процессы UPW должны поддерживать очень низкие уровни концентрации частиц, обычно измеряемые на уровне 20 нм. UPW также широко используется на этапах химического разбавления и промывки в системах смешивания и распределения химикатов. Использование непрерывного онлайн-мониторинга частиц, либо на заключительном этапе очистки воды, либо в точке использования пластин, предоставляет инженерам-технологам важные данные о частицах, необходимые для эффективного управления процессами очистки воды и пластин.
Газовые системы . Газы высокой чистоты имеют решающее значение для современного производства компонентов. Такие продукты, как интегральные схемы, требуют большого количества технологических газов для травления, осаждения, окисления, легирования и нанесения инертного покрытия. Примеси в этих газовых потоках могут привести к сбоям в критических процессах и повлиять на выход и производительность. Взрывоопасные или опасные газы проверяются под давлением с использованием счетчиков частиц, содержащихся в герметичном корпусе с инертным газом. Нереактивные газы можно сбросить с помощью газодиффузионного устройства с чистым каналом и протестировать с помощью портативного счетчика частиц.
Приложения в области медико-биологических наук включают такие отрасли, как фармацевтическое производство, биотехнологическое производство, предприятия по производству рецептур, медицинское оборудование, нутрицевтики и пищевая промышленность; это те отрасли, которые создают продукты для улучшения жизни живых организмов. Производственная среда должна удалять или уменьшать количество загрязняющих веществ, чтобы свести к минимуму риск загрязнения готовой продукции, которое может привести к химическим реакциям внутри продукции или к нежелательному качеству продукции.
Отрасль контролируется посредством государственного надзора за разработкой, производством и выпуском всей продукции, а также устанавливаются и контролируются средства контроля для обеспечения соответствия производства согласованным критериям качества. Надлежащая производственная практика (GMP) гарантирует, что продукция производится в соответствии с национальными и международными стандартами такими организациями, как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), Европейское медицинское агентство (EMA) и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ). Другие национальные правительственные органы также регулируют производство продукции для своих стран.
Среда производства лекарственных препаратов требует использования средств контроля, гарантирующих поддержание общего количества твердых частиц и микробных аэрозолей на подходящем уровне для снижения риска загрязнения продукта. Экологический дизайн учитывает загрязнение на различных этапах процесса, включая: очистку сырья, приготовление продукта, окончательное заполнение и упаковку. В зависимости от типа производимой продукции уровень чистоты контролируемого пространства первоначально определяется с использованием стандартов классификации чистых помещений: чем выше риск загрязнения, тем чище окружающая среда, например, асептический розлив выполняется в контролируемой среде ISO 5, тогда как окончательная стерилизация продукция обрабатывается в зоне ISO 7 (до окончательной стерилизации).
Классификация риска также зависит от типа используемого инструмента. Для общего мониторинга на периодической основе используется портативное оборудование, которое перемещается с места на место в соответствии с оценкой риска. Для производства с повышенным риском они выполняются на машине, которая изолирует общую среду от технологической среды, удаление персонала из непосредственной зоны с использованием изоляторов или RABS повышает уверенность в управлении, эти машины постоянно контролируются с помощью точечных приборов, обеспечивающих непрерывный контроль. обратная связь о качестве окружающей среды и любых событиях загрязнения в режиме реального времени. Основной проблемой, связанной с загрязнением, является риск неблагоприятных последствий для конечного пользователя, результатом которого является увеличение производства. Общая окружающая среда также контролируется на наличие микробных загрязнений с использованием традиционных методов, таких как отстойники и объемные пробоотборники воздуха.
Жидкостные системы используются в основном в лабораториях для демонстрации отсутствия частиц в готовых жидких продуктах. Любые присутствующие частицы могут быть загрязнителями или нежелательными скоплениями нерастворимого продукта. Жидкости для инъекций имеют регламентированные пределы максимальных концентраций частиц; эти пределы определены стандартами, содержащимися в Фармакопее США (USP), Европейской фармакопее (EP) и Японской фармакопее (JP).
Сжатые газы, используемые при приготовлении, транспортировке и наложении, должны соответствовать тем же стандартам соответствия GMP, что и качество воздуха в окружающей среде, и должны проверяться на месте использования. Счетчики частиц, оснащенные устройствами диффузии давления газа, снижают давление в линии до атмосферного, не влияя на путь потока частиц в воздушном потоке. Затем газ тестируется при атмосферном давлении.
Другие отрасли также используют счетчики частиц, чтобы продемонстрировать либо чистоту производственных помещений, либо качество готовой продукции. В совокупности они сокращают любые дополнительные процессы очистки.
Покраска автомобилей в чистых условиях снижает необходимость исправления дефектов лакокрасочного покрытия. Счетчики частиц, расположенные в чистых зонах, обеспечивают постоянную обратную связь с инженерами по качеству, обеспечивая поддержание чистоты. Двигатели, изготовленные с соблюдением строгих допусков, очищаются и собираются в чистых зонах с использованием чистящих средств, проверенных с помощью счетчиков частиц.
Гидравлические жидкости и масла должны соответствовать определенным стандартам ISO 4406. Применение гидравлических жидкостей варьируется от аэрокосмической и турбинной системы охлаждения и смазки до тяжелого машиностроения. Накопление и присутствие частиц может привести к выходу из строя подшипников, насосов и уплотнений.
Вода является универсальным продуктом с неограниченным числом применений и может быть загрязнена из-за преднамеренного взаимодействия с процессами или непреднамеренных и сезонных колебаний. Мониторинг качества воды с помощью счетчиков частиц, либо путем выборочной проверки на месте отбора проб, либо путем постоянного мониторинга системы распределения, позволяет инженерам по качеству реагировать на изменения в процессах, в которых используется вода.
Счетчики частиц используются для определения скорости фильтрации, требований к добавлению химикатов, интервалов промывки, информации о седиментации, скорости охлаждения и других переменных процесса, которые обеспечивают непрерывную обратную связь, обеспечивая постоянное качество воды в процессе.
Твердые частицы существуют в атмосфере в концентрациях, которые могут быть вредными для здоровья, и доказано, что они являются причиной многих заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, таких как астма. Типы атмосферных частиц включают взвешенные твердые частицы; грудные и респирабельные частицы; вдыхаемые крупные частицы, обозначенные PM10, которые представляют собой крупные частицы диаметром 10 микрометров (мкм) или менее; мелкие частицы, обозначенные PM2,5, диаметром 2,5 мкм или менее; ультрамелкие частицы; и сажа.
Счетчики частиц используются для мониторинга уровней загрязнения атмосферы этими взвешенными частицами, что позволяет снизить количество частиц, связанных с конкретным источником (например, сжиганием) или технологией (например, производством электроэнергии). Моделирование данных о твердых частицах от счетчиков частиц, распределенных по всему миру, дает информацию о тенденциях состояния качества воздуха и его миграции.