Счетчик частиц используется для мониторинга и диагностики загрязнения частицами в определенных чистых средах, включая воздух, воду и химикаты. Счетчики частиц используются в различных приложениях для поддержки чистых производственных практик, в том числе в следующих отраслях: электронные компоненты и сборки, фармацевтические препараты и медицинские приборы, а также промышленные технологии, такие как нефть и газ.
Счетчики частиц работают в основном на основе принципа рассеяния света, хотя могут использоваться и другие технологии. Рассеивание света частицами использует приборы, включающие источник света высокой интенсивности (лазер), контролируемый поток среды (воздух, газ или жидкость) и высокочувствительные детекторы, собирающие свет (фотодетектор).
Лазерные оптические счетчики частиц используют пять основных систем:
Затенение света частицами работает по принципу, по которому присутствие частиц блокирует часть света от фотодетектора, обычно посредством поглощения или рассеяния света . Фотодетектор регистрирует затенение света и преобразует его в электрический сигнал, затем этот сигнал сопоставляется с частицей определенного размера с помощью PHA, как и в случае с описанием рассеяния выше.
Подсчет частиц с помощью прямого изображения использует камеру высокого разрешения и источник света для обнаружения частиц. Устройства для измерения размера частиц на основе зрения получают двухмерные изображения, которые анализируются компьютерным программным обеспечением для получения измерения размера частиц, изображения могут быть сохранены и воспроизведены для дополнительного анализа
Счетчик Культера — это устройство для подсчета и определения размеров частиц, взвешенных в электролитах . Обычно он используется для клеточных частиц. Принцип Культера и счетчик Культера, основанный на нем, — это коммерческий термин для метода, известного как резистивное импульсное зондирование или электрическое зонное зондирование.
Существует несколько методов, используемых для обнаружения и измерения размера частиц или распределения размеров — блокирование света (затенение), рассеяние света, принцип Коултера и прямое получение изображений. Источник света высокой интенсивности используется для освещения частицы, когда она проходит через камеру обнаружения.
Метод оптического счетчика частиц с блокировкой света обычно полезен для обнаружения и измерения частиц размером более 1 микрометра и основан на количестве света, которое частица блокирует при прохождении через зону обнаружения счетчика частиц. Этот тип техники обеспечивает высокое разрешение и надежные измерения.
Если используется светорассеивание, то перенаправленный свет обнаруживается фотодетектором. Метод светорассеивания способен обнаруживать частицы меньшего размера. Этот метод основан на количестве света, которое отклоняется частицей, проходящей через область обнаружения счетчика частиц. Это отклонение называется светорассеянием. Типичная чувствительность обнаружения метода светорассеивания составляет 0,05 микрометра или больше. Однако использование метода счетчика ядер конденсации (CNC) позволило бы обеспечить более высокую чувствительность обнаружения частиц размером вплоть до нанометрового диапазона. Типичное применение — мониторинг сверхчистой воды на предприятиях по производству полупроводников.
Если используется блокировка света (затемнение), то обнаруживается потеря света. Измеряется амплитуда рассеянного или заблокированного света, а частицы подсчитываются и заносятся в стандартизированные счетные ячейки. Метод блокировки света указан 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, сокращать поломки, планировать техническое обслуживание во время периодов отсутствия или низкой работы, контролировать производительность фильтра и т. д. Счетчики частиц, используемые для этой цели, обычно используют стандарт ISO 4406:1999 в качестве своего стандарта отчетности и ISO 11171 в качестве стандарта калибровки. Другими также используемыми являются NAS 1638 и его преемник SAE AS4059D.
Если используется прямая визуализация, галогенный свет освещает частицы сзади внутри ячейки, в то время как камера с высоким разрешением и большим увеличением записывает проходящие частицы. Записанное видео затем анализируется компьютерным программным обеспечением для измерения атрибутов частиц. Подсчет частиц с прямым изображением использует камеру с высоким разрешением и свет для обнаружения частиц. Устройства для измерения размера частиц на основе зрения получают двухмерные изображения, которые анализируются компьютерным программным обеспечением для получения измерения размера частиц как в лаборатории, так и в режиме 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 ячейки, через которую проходят частицы. Метод не измеряет свет, заблокированный частицами, а скорее измеряет область частиц, функционирующих как автоматизированный микроскоп. Импульсный лазерный диод замораживает движение частиц. Свет, прошедший через жидкость, отображается на электронной камере с макрофокусирующей оптикой. Частицы в образце будут блокировать свет, и полученные силуэты будут отображены на чипе цифровой камеры.
Области применения счетчиков частиц делятся на три основные категории:
Счетчики аэрозольных частиц используются для определения качества воздуха путем подсчета и измерения количества частиц в воздухе. Эта информация полезна для определения количества частиц внутри здания или в окружающем воздухе. Она также полезна для понимания уровня чистоты в контролируемой среде. Обычным контролируемым окружением, в котором используются счетчики аэрозольных частиц, является чистое помещение . Чистые помещения широко используются в производстве полупроводниковых приборов , биотехнологии , фармацевтике , дисководах , аэрокосмической промышленности и других областях, которые очень чувствительны к загрязнению окружающей среды. Чистые помещения имеют определенные пределы количества частиц. Счетчики аэрозольных частиц используются для тестирования и классификации чистого помещения, чтобы гарантировать, что его производительность соответствует определенному стандарту классификации чистых помещений. Существует несколько стандартов для классификации чистых помещений. Наиболее часто упоминаемая классификация из Соединенных Штатов. 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 Federal Standard 209E и сегодня остается наиболее широко упоминаемым стандартом в мире. [ необходима ссылка ]
Существует несколько приборов прямого считывания для измерения выбросов аэрозольных частиц. Измерители CPC и дифференциальной подвижности частиц, включая сканирующий подвижный измеритель частиц и быстродействующий подвижный измеритель частиц, могут измерять концентрацию аэрозоля; диффузионный зарядный агрегат и электрический импактор низкого давления могут измерять площадь поверхности; статический селективный пробоотборник и конический элемент колебательных микровесов могут измерять массу. [1]
Для чистых помещений заменяющим стандартом является ISO 14644 -1, который призван полностью заменить Федеральный стандарт 209E . Этот стандарт ISO можно найти в некоммерческой организации Institute of Environmental Sciences and Technology (IEST). Каждый из этих стандартов представляет собой максимально допустимое количество частиц в единице воздуха. Типичная единица — кубические футы или кубические метры. Количество частиц всегда указывается как кумулятивное.
Счетчики частиц жидкости используются для определения качества жидкости, проходящей через них. Размер и количество частиц могут определить, является ли жидкость достаточно чистой для использования в предполагаемом применении. Счетчики частиц жидкости могут использоваться для проверки качества питьевой воды или чистящих растворов, или чистоты оборудования для генерации электроэнергии, производственных деталей или инъекционных препаратов .
Счетчики частиц жидкости также используются для определения уровня чистоты гидравлических жидкостей и различных других систем, включая (двигатели, передачи и компрессоры), поскольку 75–80 % поломок гидравлики можно отнести к загрязнению. Существуют различные типы, установленные на оборудовании, эксплуатируемые в лаборатории в рамках программы анализа масла . [2] или переносные устройства, которые можно транспортировать на место, например , на строительную площадку, а затем использовать на машине, например , на бульдозере, для определения чистоты жидкости. Определяя и контролируя эти уровни и следуя программе упреждающего или предиктивного обслуживания, пользователь может сократить количество отказов гидравлики, увеличить время безотказной работы и доступность машины, а также сократить расход масла. Их также можно использовать для обеспечения очистки гидравлических жидкостей с помощью фильтрации до приемлемых или целевых уровней 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 20/18/15. [3]
Счетчики твердых частиц используются для измерения сухих частиц в различных промышленных приложениях. Одним из таких приложений может быть определение размера частиц, поступающих из камнедробилки в карьере. Сита являются стандартными приборами, используемыми для измерения размера сухих частиц. Системы на основе зрения также используются для измерения размера сухих частиц. С помощью системы на основе зрения можно быстро и эффективно измерить размер частиц с легкостью и невероятной точностью.
Небольшие счетчики частиц, которые используются для мониторинга фиксированного местоположения, как правило, внутри чистого помещения или мини-среды, для постоянного мониторинга уровней частиц. Эти меньшие счетчики 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 процесса, когда условия внутри чистого помещения превышают заданные пределы окружающей среды. Удаленные счетчики частиц доступны в нескольких различных конфигурациях, от одноканальных до моделей, которые обнаруживают до 8 каналов одновременно. Удаленные счетчики частиц могут иметь диапазон обнаружения размера частиц от 0,1 до 100 микрометров и могут иметь один из различных вариантов выходов, включая 4-20 мА, RS-485 Modbus , Ethernet и импульсный выход.
Модифицированный аэрозольный портативный счетчик частиц, который был присоединен к системе секвенирования проб. Система секвенирования проб позволяет одному счетчику частиц брать пробы из нескольких мест с помощью ряда трубок, всасывающих воздух из 32 мест внутри чистого помещения. Обычно менее затратно, чем использование удаленных счетчиков частиц, каждая трубка контролируется последовательно.
Ручной счетчик частиц — это небольшое, автономное устройство, которое легко транспортировать и использовать, и которое предназначено для использования при исследованиях качества воздуха в помещении (IAQ). Несмотря на более низкую скорость потока 0,1 фут 3 /мин (0,2 м 3 /ч), чем у более крупных портативных устройств с 1 фут 3 /м (2 м 3 /ч), ручные счетчики полезны для большинства тех же приложений. Однако при проведении сертификации и испытаний чистых помещений может потребоваться больше времени на отбор проб. (Ручные счетчики не рекомендуются для чистых помещений). Большинство ручных счетчиков частиц имеют изокинетические зонды для отбора проб с прямым креплением. 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 приложениях, где требуется контроль загрязнения в производстве. Примерами таких отраслей являются: производство полупроводников; производство и сборка электронных компонентов; производство и сборка фотоники и оптики; аэрокосмическая промышленность; фармацевтическое и биотехнологическое производство; производство медицинских приборов; производство косметики; а также производство продуктов питания и напитков. Они также используются в таких промышленных приложениях, как нефть и газ, гидравлические жидкости и сборка и покраска автомобилей.
Основное применение счетчиков аэрозольных частиц — определение уровней загрязнения в чистых помещениях или устройствах чистого содержания. Чистые помещения и устройства чистого содержания поддерживают низкий уровень воздуха без частиц с помощью фильтров и классифицируются в соответствии с допустимым количеством частиц; основным стандартом для чистых помещений или устройств чистого воздуха является ISO 14644-1, также могут существовать другие местные стандарты, такие как FED-STD-209E.
Производство электроники и сборка электроники требуют строгого контроля окружающей среды, особенно там, где процессы выполняются в условиях реактивности. Выход продукции снижается, когда компоненты загрязнены частицами и микроэлементами. Счетчики частиц показывают, что этот контроль эффективен, а производственные среды оптимизированы для требуемого качества.
В зависимости от области применения и размера интересующих частиц требуются различные приборы.
Мониторинг частиц в воздухе необходим для обеспечения того, чтобы производственная среда не имела уровня загрязнения, который может привести к дефектам. Он выполняется либо для всех чистых помещений (бальные залы, отсеки и дорожки), либо для определенных локальных контролируемых сред (инструментальные и мини-среды).
Если необходимо контролировать большие площади, можно использовать коллектор, коллектор — это устройство, используемое для соединения множества мест отбора проб с помощью длин трубок для отбора проб, с центральным шаговым устройством и центральным счетчиком частиц, он будет последовательно перемещаться между местами отбора проб, снимая показания с каждого места. Меньшие пространства можно контролировать с помощью небольших датчиков частиц, которые предназначены для отбора проб в одном месте и используют либо центральную подачу вакуума, либо внутренний насос для отбора проб. Размер частиц загрязняющих веществ и частота измерения являются факторами, определяющими наиболее подходящий метод.
В процессах производства электроники существует два основных вида применения жидкостей: химические вещества для производственных процессов и сверхчистая вода для очистки и ополаскивания.
Технологические химикаты используются на этапах обработки полупроводников и других критических 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 с целью обеспечения выхода и качества пропускной способности. Использование непрерывного мониторинга частиц в режиме реального времени позволяет как инженерам-технологам, так и инженерам предприятий быстро реагировать на изменения уровней химической чистоты на протяжении всего процесса распределения химикатов.
Сверхчистая вода (UPW) / деионизированная вода используется для критических этапов очистки и промывки, процессы UPW должны поддерживать очень низкие уровни концентрации частиц, обычно измеряемые на уровне 20 нм. UPW также обычно используется для этапов химического разбавления и промывки в системах смешивания и распределения химических веществ. Использование непрерывного мониторинга частиц в режиме реального времени, либо на конечном этапе очистки воды, либо в точке использования пластины, предоставляет инженерам-технологам критические данные о частицах, необходимые для эффективного управления процессами очистки воды и пластины.
Газовые системы . Газы высокой чистоты имеют решающее значение для производства передовых компонентов. Такие продукты, как интегральные схемы, требуют много технологических газов для: травления, осаждения, окисления, легирования и инертного наплавления. Примеси в этих газовых потоках могут вызывать сбои в критических процессах и влиять на выход и производительность. Газы, которые являются взрывоопасными или опасными, проверяются под давлением с помощью счетчиков частиц, содержащихся в инертном газе, герметичном корпусе. Нереактивные газы можно сбросить с помощью устройства диффузии газа с чистым путем и проверить с помощью портативного счетчика частиц.
Приложения Life Science включают такие отрасли, как фармацевтическое производство, биотехнологическое производство, предприятия по производству смесей, медицинские приборы, нутрицевтики и переработка пищевых продуктов; это те отрасли, которые создают продукты для улучшения жизни живых организмов. Производственная среда должна удалять или уменьшать количество загрязняющих веществ, чтобы минимизировать риск загрязнения готовой продукции, что может привести к химическим реакциям внутри продукта или нежелательному качеству продукта.
Отрасль контролируется посредством государственного надзора за разработкой, производством и выпуском всей продукции, а также устанавливаются и контролируются меры для обеспечения соответствия производства согласованным критериям качества. Надлежащая производственная практика (GMP) гарантирует, что продукция производится в соответствии с национальными и международными стандартами таких организаций, как Управление по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами (FDA), Европейское агентство по лекарственным средствам (EMA) и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), другие национальные правительственные органы также регулируют производство продукции для своих стран.
Среды для производства лекарственных препаратов требуют использования контроля для обеспечения поддержания общей нагрузки частиц и микробного аэрозоля на подходящих уровнях для снижения риска загрязнения продукта. Проектирование окружающей среды учитывает загрязнение на различных этапах процесса, включая: очистку сырья, формулирование продукта, окончательное наполнение и упаковку. В зависимости от типа производимого продукта уровень чистого контролируемого пространства изначально определяется с использованием стандартов классификации чистых помещений, чем выше риск загрязнения, тем чище среда, например, асептическое наполнение выполняется в контролируемой среде ISO 5, тогда как окончательно стерилизованный продукт завершается в зоне ISO 7 (перед окончательной стерилизацией).
Классификация риска также влияет на тип используемого инструмента. Общий мониторинг на периодической основе использует портативное оборудование, перемещаемое с места на место, как определено оценкой риска. Для более рискованного производства это выполняется в машине, которая изолирует общую среду от технологической среды, удаление персонала из непосредственной зоны с помощью изоляторов или RABS повышает уверенность в контроле, эти машины непрерывно контролируются с помощью точечных приборов отбора проб, дающих непрерывную обратную связь относительно качества среды и любых событий загрязнения в режиме реального времени. Основной проблемой загрязнения является риск неблагоприятных последствий для конечного пользователя, результирующая демонстрация контроля - увеличение производства. Общие среды также контролируются на наличие любых микробных загрязнений с использованием традиционных методов, таких как отстойные пластины и объемные пробоотборники воздуха.
Жидкостные системы используются в основном в лаборатории для демонстрации отсутствия частиц в готовых жидких продуктах. Любые присутствующие частицы могут быть загрязняющими веществами или нежелательными агломерациями нерастворимого продукта. Жидкости для инъекций имеют регулируемые пределы максимальной концентрации частиц, стандарты, содержащиеся в Фармакопее США (USP), Европейской Фармакопее (EP) и Японской Фармакопее (JP), определяют эти пределы.
Сжатые газы, используемые в формулировании, транспортировке и наложении, должны соответствовать тем же стандартам соответствия GMP, что и все качество окружающего воздуха, и должны проверяться в 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 проверяется при атмосферном давлении.
Другие отрасли также используют счетчики частиц для демонстрации чистоты производственных сред или качества готовой продукции. Они объединяются, чтобы сократить любые дополнительные процессы очистки.
Покраска автомобилей в чистых помещениях снижает необходимость в исправлении дефектов лакокрасочного покрытия. Счетчики частиц, расположенные в чистых помещениях, обеспечивают непрерывную обратную связь с инженерами по качеству, гарантируя поддержание чистых условий. Двигатели, изготовленные с жесткими допусками, очищаются и собираются в чистых помещениях с использованием чистящих средств, проверенных с помощью счетчиков частиц.
Гидравлические жидкости и масла должны соответствовать определенным стандартам ISO 4406. Применение гидравлических жидкостей варьируется от охлаждения и смазки в аэрокосмической и турбинной промышленности до тяжелой техники. Накопление и присутствие частиц может привести к выходу из строя подшипников, насосов и уплотнений.
Вода — универсальный продукт с неограниченным количеством применений, и она может быть загрязнена из-за преднамеренного взаимодействия с процессами или непреднамеренных и сезонных колебаний. Мониторинг качества воды с использованием счетчиков частиц, либо путем выборочной проверки в месте отбора проб, либо путем постоянного мониторинга распределительной системы, позволяет инженерам по качеству реагировать на изменения в процессах, где используется вода.
Счетчики частиц используются для определения скорости фильтрации, требований к добавлению химикатов, интервалов промывки, информации об седиментации, скоростей потоков охлаждения и других технологических параметров, которые обеспечивают непрерывную обратную связь, гарантируя постоянное качество воды для процесса.
Твердые частицы присутствуют в атмосфере в концентрациях, которые могут быть вредны для здоровья, и, как доказано, являются причинами многих заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, таких как астма. Типы атмосферных частиц включают взвешенные частицы; торакальные и вдыхаемые частицы; вдыхаемые крупные частицы, обозначенные как PM10, которые являются крупными частицами диаметром 10 микрометров (мкм) или меньше; мелкие частицы, обозначенные как PM2.5, диаметром 2,5 мкм или меньше; сверхтонкие частицы; и сажа.
Счетчики частиц используются для мониторинга уровней загрязнения атмосферы этими взвешенными частицами, что позволяет сократить количество частиц, связанных с определенным источником (например, сжигание) или технологией (например, производство электроэнергии). Моделирование данных о частицах от счетчиков частиц, распределенных по всему миру, дает информацию о тенденциях состояния качества воздуха и его миграции.