Счетчик частиц - Particle counter
Счетчик частиц используется для мониторинга и диагностики загрязнения частиц в пределах определенных чистых сред, в том числе воздуха, воды и химических веществ. Счетчики частиц используются во множестве приложений для поддержки экологически чистых производственных практик. Отрасли включают: электронные компоненты и узлы, фармацевтические лекарственные препараты и медицинские устройства, а также промышленные технологии, такие как нефть и газ.
Технология
Счетчики частиц работают в основном на принципах светорассеяния, хотя могут применяться и другие технологии. Для рассеяния света частицами используются приборы, включающие источник света высокой интенсивности (лазер), контролируемый поток среды (воздух, газ или жидкость) и высокочувствительные детекторы сбора света (фотодетектор).
В лазерных оптических счетчиках частиц используются пять основных систем:
- Лазеры и оптика : лазер работает на одной длине волны, поэтому источник света обеспечивает постоянную выходную мощность для освещения области отбора проб.
- Контролируемый поток : наблюдаемый объем представляет собой небольшую камеру, освещенную лазером. Среда образца (воздух, жидкость или газ) втягивается в видимый объем, лазер проходит через среду, частицы рассеивают (отражают) свет, а фотодетектор сравнивает источники рассеянного света (частицы).
- Фотодетектор : фотодетектор - это электрическое устройство, чувствительное к свету, и когда частицы рассеивают свет, фотодетектор наблюдает за вспышкой света и преобразует ее в электрический сигнал или импульс. Усилитель преобразует импульсы в пропорциональное управляющее напряжение.
- Анализатор высоты импульса (PHA) : Импульсы от фотодетектора отправляются на анализатор высоты импульса (PHA). PHA проверяет величину импульса и помещает ее значение в соответствующий канал определения размера, называемый ячейками. Бины содержат данные о каждом импульсе, и эти данные коррелируют с размерами частиц.
- Черный ящик : черный ящик или вспомогательная схема проверяет количество импульсов в каждой ячейке и преобразует информацию в данные о частицах.
Затенение света частицами работает по принципу, когда присутствие частиц блокирует часть света от фотодетектора, как правило, за счет поглощения или рассеяния света . Фотодетектор регистрирует затемнение света и преобразует его в электрический сигнал, затем этот сигнал коррелируется с частицей определенного размера с помощью PHA, как и в описании рассеяния выше.
Для прямого подсчета частиц используются камера с высоким разрешением и источник света для обнаружения частиц. Блоки определения размера частиц на основе технического зрения получают двухмерные изображения, которые анализируются компьютерным программным обеспечением для измерения размера частиц, изображения могут быть сохранены и воспроизведены для дополнительного анализа.
В лазерной дифракции используется принцип, согласно которому угол дифракции увеличивается с уменьшением размера частиц. Этот метод используется для измерения размеров от 0,1 до 3000 мкм. Лазерная дифракция измеряет распределение частиц по размерам по концентрации либо в процентах, либо по массе образца диспергированных частиц.
Коултер Счетчик представляет собой устройство для подсчета и размеров частиц , взвешенных в электролитах . Обычно он используется для клеточных частиц. Принцип Коултера и основанный на нем счетчик Коултера - это коммерческий термин для метода, известного как резистивное импульсное зондирование или зондирование электрической зоны.
Методы обнаружения
Существует несколько методов, используемых для обнаружения и измерения размера или распределения частиц по размерам - блокирование света (затемнение), рассеяние света, принцип Коултера и прямое отображение. Для освещения частицы, проходящей через камеру обнаружения, используется источник света высокой интенсивности.
Метод оптического счетчика частиц с блокировкой света обычно полезен для обнаружения и определения размера частиц размером более 1 микрометра и основан на количестве света, который блокирует частица при прохождении через зону обнаружения счетчика частиц. Этот тип техники обеспечивает высокое разрешение и надежные измерения.
Если используется рассеяние света, то перенаправленный свет обнаруживается фотодетектором. Метод светорассеяния позволяет обнаруживать частицы меньшего размера. Этот метод основан на количестве света, которое отклоняется частицей, проходящей через зону обнаружения счетчика частиц. Это отклонение называется рассеянием света. Типичная чувствительность обнаружения метода светорассеяния составляет 0,05 мкм или больше. Однако использование метода счетчика ядер конденсации (ЧПУ) позволит повысить чувствительность определения размеров частиц вплоть до нанометрового диапазона. Типичное применение - мониторинг сверхчистой воды на предприятиях по производству полупроводников.
Если используется блокировка света (затемнение), обнаруживается потеря света. Измеряется амплитуда рассеянного или блокированного света, и частицы подсчитываются и заносятся в таблицы в стандартизованных счетных ячейках. Метод световой блокировки предусмотрен для счетчиков частиц, которые используются для подсчета гидравлических и смазочных жидкостей. Счетчики частиц используются здесь для измерения загрязнения гидравлического масла и, следовательно, позволяют пользователю поддерживать свою гидравлическую систему, сокращать поломки, планировать техническое обслуживание в периоды простоя или медленной работы, контролировать работу 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, галогеновый свет освещает частицы сзади внутри клетки, в то время как камера высокого разрешения с большим увеличением записывает проходящие частицы. Затем записанное видео анализируется компьютерным программным обеспечением для измерения атрибутов частиц. Для прямого подсчета частиц используется камера с высоким разрешением и источник света для обнаружения частиц. Установки для определения размера частиц на основе технического зрения позволяют получать двухмерные изображения, которые анализируются компьютерным программным обеспечением для 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 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 частицы. Свет, проходящий через жидкость, отображается на электронной камере с оптикой с макро-фокусировкой. Частицы в образце будут блокировать свет, и полученные силуэты будут отображены на микросхеме цифровой камеры.
Матрицы
Приложения счетчиков частиц разделены на три основные категории:
Счетчики аэрозольных частиц
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 полупроводников , биотехнологии , фармацевтике , дисководах , аэрокосмической и других областях, которые очень чувствительны к загрязнению окружающей среды. В чистых помещениях есть определенные пределы количества частиц. Счетчики аэрозольных частиц используются для тестирования и классификации чистых помещений, чтобы убедиться, что их рабочие характеристики соответствуют определенному стандарту классификации чистых помещений. Для классификации чистых помещений существует несколько стандартов. Чаще всего упоминается классификация из США. Хотя стандарт федерального стандарта 209E был создан 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 наиболее широко используемым стандартом в мире.
Есть несколько приборов для прямого считывания для измерения выбросов аэрозольных частиц. СРС и измерители частиц с дифференциальной подвижностью, включая сканирующий измеритель подвижности частиц и измеритель быстрой подвижности частиц, могут измерять концентрацию аэрозоля; диффузионное зарядное устройство и электрический ударный элемент низкого давления могут измерять площадь поверхности; Статический пробоотборник с селективным размером и осциллирующий микровес с коническим элементом могут измерять массу.
Для чистых помещений стандарт замены - ISO 14644-1, он 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
Счетчики жидких частиц используются для определения качества жидкости, проходящей через них. По размеру и количеству частиц можно определить, достаточно ли чиста жидкость, чтобы ее можно было использовать для конкретного применения. Счетчики жидких частиц могут использоваться для проверки качества питьевой воды или чистящих растворов или чистоты оборудования для выработки электроэнергии, производственных деталей или инъекционных препаратов .
Счетчики жидких частиц также используются для определения уровня чистоты гидравлических жидкостей и различных других систем, включая (двигатели, шестерни и компрессоры). Причина в том, что 75-80% гидравлических поломок могут быть связаны с загрязнением. Существуют различные типы, устанавливаемые на оборудование, работающие в лаборатории в рамках программы анализа масла . или портативные устройства , которые могут транспортироваться к месту, например , на строительной площадке, а затем используются на машине, например , бульдозер, чтобы определить чистоту жидкости. Определяя и отслеживая эти уровни, а также следуя программе упреждающего или прогнозирующего обслуживания, пользователь может уменьшить количество отказов гидравлической системы, увеличить время безотказной работы и доступность машины, а также снизить потребление 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 распространены ISO 4406: 1999, NAS1638 и SAE AS 4059.
Типичная чистота гидравлического масла по стандарту ISO 4406 составляет 20/18/15.
Счетчики твердых частиц
Счетчики твердых частиц используются для измерения сухих частиц в различных промышленных применениях. Одним из таких приложений может быть определение размера частиц, поступающих из камнедробилки в горном карьере. Сита - это стандартные инструменты, используемые для измерения размера сухих частиц. Системы на основе технического зрения также используются для измерения размера сухих частиц. С помощью системы технического зрения можно легко и с огромной точностью выполнить быстрое и эффективное определение размера частиц.
Специализированные типы
Дистанционные счетчики частиц
Счетчики мелких частиц, которые используются для наблюдения за фиксированным местом, как правило, внутри чистого помещения или небольшого помещения для непрерывного контроля уровня 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 тревогу и может иметь возможность электронной почты для уведомления производственного или технологического персонала, когда условия в чистом помещении превысили заданные пределы окружающей среды. Дистанционные счетчики частиц доступны в нескольких различных конфигурациях, от одноканальных до моделей, которые обнаруживают до 8 каналов одновременно. Дистанционные счетчики частиц могут иметь диапазон определения размера частиц от 0,1 до 100 микрометров и могут иметь один из множества вариантов выхода, включая 4-20 мА, RS-485 Modbus , Ethernet и импульсный выход.
Счетчики частиц в коллекторе
Модифицированный портативный счетчик частиц аэрозоля, который был присоединен к системе отбора проб. Система последовательного отбора проб позволяет использовать один счетчик частиц для отбора проб из нескольких мест через серию трубок, забирающих воздух из 32 мест внутри чистого помещения. Обычно это дешевле, чем использование удаленных счетчиков частиц, каждая трубка контролируется последовательно.
Ручной счетчик частиц
Переносной счетчик частиц - это небольшое автономное устройство, которое легко транспортировать и использовать, и оно предназначено для использования с исследованиями качества воздуха в помещении (IAQ). Хотя скорость потока 0,1 фут 3 / мин (0,2 м 3 / ч) ниже, чем у больших портативных устройств с расходом 1 фут 3 / м (2 м 3 / ч), портативные устройства полезны для большинства тех же приложений. Однако при проведении сертификации и тестирования чистых помещений может потребоваться более длительное время отбора проб. (Ручные счетчики не рекомендуются для чистых помещений). Большинство переносных счетчиков частиц имеют изокинетические пробоотборные зонды прямого монтажа. Можно использовать зонд с зазубринами 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.
Приложения
Счетчики частиц используются там, где требуется контроль загрязнения на производстве. Примеры этих отраслей включают: производство полупроводников; изготовление и сборка электронных компонентов; производство и монтаж фотоники и оптики; аэрокосмическая промышленность; фармацевтическое и биотехнологическое производство; производство медицинских изделий; производство косметики; и производство продуктов питания и напитков. Они также используются в промышленных приложениях, таких как нефть и газ, гидравлические жидкости, сборка и покраска автомобилей.
Счетчики аэрозольных частиц в первую очередь используются для определения уровней загрязнения в чистом помещении или чистом защитном устройстве. Чистые помещения и чистые защитные устройства поддерживают низкий уровень воздуха без твердых частиц за счет использования фильтров и классифицируются в соответствии с допустимым количеством частиц; основным стандартом для чистых помещений или устройств с чистым воздухом является ISO 14644-1, также могут существовать другие местные стандарты, такие как FED-STD-209E.
Электроника
Производство электроники и сборка электроники требует строгого контроля окружающей среды, особенно если процессы выполняются в реактивных условиях. Урожайность снижается, если компоненты загрязнены частицами и микроэлементами. Счетчики частиц демонстрируют, что эти меры контроля эффективны, а производственная среда оптимизирована для обеспечения требуемого качества.
В зависимости от области применения и размера исследуемых частиц требуется различное оборудование.
Общая среда
Мониторинг частиц в воздухе необходим для обеспечения отсутствия в производственной среде уровня загрязнения, которое может вызвать дефекты. Это выполняется либо для всех чистых помещений (бальных залов, отсеков и погон), либо для конкретных локальных контролируемых сред (инструменты и мини-окружения).
Там, где необходимо контролировать большие площади, можно использовать коллектор, коллектор - это устройство, используемое для соединения многих мест пробы с помощью длин пробоотборных трубок, с центральным шаговым устройством и центральным счетчиком частиц, он будет последовательно перемещаться между местами пробирки, считывая показания. из каждого места. Небольшие пространства можно контролировать с помощью небольших датчиков частиц в точке использования, они предназначены для отбора проб в одном месте и полагаются либо на центральную подачу вакуума, либо на внутренний насос для отбора проб. Размер частиц загрязнителя и частота измерений являются факторами при определении наиболее подходящего метода.
Жидкие системы
Существуют два основных применения жидкости в процессах производства электроники: производственные химикаты и сверхчистая вода для очистки и ополаскивания.
Технологические химические вещества используются на этапах обработки полупроводников и других важных продуктов (химическое травление, снятие маски и химико-механическое полирование). Мониторинг частиц в технологических химикатах, от производства до точки использования, чрезвычайно важен для управления этими чистыми процессами, чтобы гарантировать выход и качество пропускной способности. Использование непрерывного мониторинга частиц в режиме реального времени позволяет инженерам-технологам и инженерам оборудования быстро реагировать на изменения уровня химической чистоты на протяжении всего процесса распределения химикатов.
Сверхчистая вода (UPW) / деионизированная вода используется для критических этапов очистки и ополаскивания, процессы UPW должны поддерживать очень низкие уровни концентрации частиц, обычно измеряемые на уровне 20 нм. UPW также обычно используется на этапах химического разбавления и промывки в системах химического смешивания и распределения. Использование непрерывного мониторинга частиц в реальном времени, либо на этапе окончательной очистки воды, либо в точке использования пластины, предоставляет инженерам-технологам критически важные данные о частицах, необходимые для эффективного управления процессами очистки воды и очистки пластин.
Газовые системы . Газы высокой чистоты имеют решающее значение для современного производства компонентов. Для таких продуктов, как интегральные схемы, требуется много технологических газов для травления, осаждения, окисления, легирования и нанесения инертных покрытий. Примеси в этих газовых потоках могут вызвать сбои в критических процессах и повлиять на выход и производительность. Взрывоопасные или взрывоопасные газы проверяются под давлением с помощью счетчиков частиц, содержащихся в герметичном корпусе с инертным газом. Давление в инертных газах может быть сброшено с помощью газодиффузионного устройства с чистым трактом и проверено с помощью портативного счетчика частиц.
Науки о жизни
Области применения наук о жизни включают в себя такие отрасли, как фармацевтическое производство, биотехнологическое производство, предприятия по приготовлению смесей, медицинские устройства, нутрицевтики и пищевая промышленность; это те отрасли, которые создают продукты для улучшения жизни живых организмов. Производственная среда должна удалять или уменьшать загрязняющие вещества, чтобы минимизировать риск загрязнения готовой продукции, которое может привести к химическим реакциям внутри продукта или к нежелательному качеству продукта.
Промышленность контролируется через государственный надзор за формулированием, производством и выпуском всей продукции, а также установлены и контролируются меры контроля, чтобы гарантировать, что производство поддерживается в соответствии с согласованными критериями качества. Надлежащая производственная практика (GMP) гарантирует, что продукт произведен в соответствии с национальными и международными стандартами такими организациями, как Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA), Европейское медицинское агентство (EMA) и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), другие национальные правительственные органы также регулируют изготовление продукта для своей страны.
Общая среда
Окружающая среда для производства лекарственных препаратов требует использования средств контроля, чтобы гарантировать, что общая нагрузка по твердым частицам и микробным аэрозолям поддерживается на подходящих уровнях для снижения риска заражения продукта. Экологический дизайн учитывает загрязнение на различных этапах процесса, в том числе: очистка сырья, составление продукта, окончательное наполнение и упаковка. В зависимости от типа производимого продукта уровень чистого контролируемого пространства первоначально определяется с использованием стандартов классификации чистых помещений, чем выше риск загрязнения, тем чище среда, например, асептическое наполнение выполняется в среде, контролируемой по стандарту ISO 5, тогда как окончательная стерилизация продукт обрабатывается в зоне ISO 7 (до окончательной стерилизации).
Классификация риска также влияет на тип используемого инструмента. В общем мониторинге на периодической основе используется переносное оборудование, перемещаемое с места на место в соответствии с оценкой риска. Для более критичного к риску производства они выполняются на 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 использованием точечных инструментов для отбора проб, что дает непрерывный контроль. обратная связь о качестве окружающей среды и любых событиях загрязнения в режиме реального времени. Основное беспокойство по поводу загрязнения - это риск побочных эффектов со стороны конечного пользователя, в результате демонстрация контроля - увеличение производства. Общая среда также контролируется на предмет любых микробных загрязнений с использованием традиционных методов, таких как отстойные пластины и объемные пробоотборники воздуха.
Жидкие системы
Жидкие системы используются в основном в лаборатории, чтобы продемонстрировать отсутствие частиц в готовых жидких продуктах. Любые присутствующие частицы могут быть загрязнителями или нежелательными скоплениями нерастворимого продукта. Жидкости для инъекций имеют регулируемые пределы для максимальной концентрации частиц, стандарты, содержащиеся в Фармакопее США (USP), Европейской фармакопее (EP) и Японской фармакопее (JP), определяют эти пределы.
Газовые системы
Сжатые газы, используемые при составлении, транспортировке и наложении, должны соответствовать тем же стандартам соответствия GMP, что и все качество окружающего воздуха, и должны быть проверены на месте использования. Счетчики частиц, оснащенные устройствами для диффузии под давлением газа, снижают давление в трубопроводе до атмосферного, не влияя на путь движения частиц в воздушном потоке, затем газ испытывается при атмосферном давлении.
Промышленные
В других отраслях промышленности также используются счетчики частиц, чтобы контролировать либо чистоту производственной среды, либо качество готовой продукции, что в совокупности сокращает любые дополнительные процессы очистки.
Автомобильная промышленность
Окраска автомобилей в чистых помещениях снижает потребность в устранении дефектов лакокрасочного покрытия, счетчики частиц, расположенные в чистых зонах, обеспечивают постоянную обратную связь с инженерами по качеству, обеспечивая поддержание чистых условий. Двигатели изготавливаются с соблюдением строгих допусков, чистятся и собираются в чистых помещениях с использованием чистящих средств, проверенных с помощью счетчиков частиц.
Гидравлические жидкости
Гидравлические жидкости и масла должны соответствовать определенным стандартам ISO 4406, применение гидравлических жидкостей варьируется от аэрокосмической и турбинной систем охлаждения и смазки до тяжелого машиностроения, накопление и присутствие частиц может вызвать отказ подшипников, насосов и уплотнений.
Воды
Вода - универсальный продукт с неограниченным количеством применений и может быть загрязнен из-за преднамеренного взаимодействия с процессами или непреднамеренных и сезонных колебаний. Мониторинг качества воды с помощью счетчиков частиц либо путем выборочной проверки в месте отбора пробы, 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 охлаждающего потока и многих других переменных процесса, которые обеспечивают постоянную обратную связь, обеспечивая постоянное качество воды для процесса.
Относящийся к окружающей среде
Твердые частицы существуют в атмосфере в концентрациях, которые могут быть вредными для здоровья и, как было доказано, являются причиной многих заболеваний, передающихся по воздуху, 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 меньше; мелкие частицы, обозначенные PM2,5, диаметром 2,5 мкм или менее; сверхмелкие частицы; и копоть.
Счетчики частиц используются для мониторинга уровней загрязнения атмосферы этими взвешенными частицами, что позволяет уменьшить количество частиц, связанных с конкретным источником (горение) или технологией (выработка электроэнергии). Моделирование данных о твердых частицах с помощью счетчиков частиц, распределенных по всему миру, дает информацию о тенденциях в состоянии качества воздуха и его миграции.
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- www.iest.org - Институт экологических наук и технологий