Kỹ thuật để Hiểu và Giảm thiểu Sự Biến động trong Ứng dụng Đo lường Hạt tiểu phân

Giới thiệu

Việc thiết lập và duy trì hiệu suất phòng sạch về các hạt tiểu phân trong phòng sạch thường yêu cầu sử dụng nhiều máy đếm hạt với các thông số thiết kế và cài đặt hiển thị khác nhau. Thông thường, nhân viên phòng sạch sử dụng nhiều máy đếm hạt quang học (OPC - như được định nghĩa trong ISO 14644-1) để báo cáo một loạt các số lượng hạt trong không khí. Tài liệu này tóm tắt các phương pháp cơ bản mà nhân viên phòng sạch có thể sử dụng để đảm bảo dữ liệu được báo cáo bởi các máy đếm hạt tiểu phân khác nhau có thể được so sánh hiệu quả. Điều này được thực hiện bằng cách đảm bảo các sự khác biệt được hiểu rõ và các chuyển đổi dữ liệu phù hợp có thể được thực hiện để có được những so sánh có ý nghĩa.

OPC cho Kiểm soát Quá trình Thống kê (SPC) được nêu ra cùng với cách các quy tắc thống kê SPC được áp dụng khi sử dụng thiết bị đo lường để thiết lập và duy trì kiểm soát quá trình về số lượng hạt trong không khí của phòng sạch, ngay cả khi sử dụng các thiết bị khác nhau.

Chi tiết cụ thể về sự biến động giữa các thiết bị có thể tìm thấy trong tài liệu đồng hành "Hướng dẫn Thực tế về Đối sánh Máy đếm Hạt tiểu phân" và được khuyến nghị sử dụng kết hợp với tài liệu này.

Số đếm Thô so với Số đếm Chuẩn hóa & Sự khác biệt về Lưu lượng Thể tích

Khi so sánh kết quả giữa các máy đếm khác nhau, dữ liệu chỉ có thể được so sánh sau khi các đơn vị đo lường được khớp và nếu cần, áp dụng chuyển đổi đơn vị phù hợp. Số lượng hạt có thể được báo cáo theo bốn cách khác nhau:

• Thô-Vi phân (I): Số đếm tại kích thước kênh riêng lẻ, hiển thị như số đếm thô, ví dụ tại 0.5μm, 1.0μm, v.v.

• Chuẩn hóa-Vi phân (II): Số đếm tại kích thước kênh riêng lẻ trên mỗi đơn vị thể tích, hiển thị như số đếm tại 0.5μm/vol, tại 1.0μm/vol, v.v.

• Thô-Tích lũy (III): Số đếm lớn hơn và bằng kích thước kênh, hiển thị như số đếm ≥0.5μm, ≥1.0μm, v.v.

• Chuẩn hóa-Tích lũy (IV): Số đếm lớn hơn và bằng kích thước kênh trên mỗi đơn vị thể tích, hiển thị như số đếm ≥0.5μm/vol, ≥1.0μm/vol, v.v.

Chuyển đổi Số đếm Thô (I và III) sang Số đếm Chuẩn hóa (II và IV)

Khi báo cáo số đếm thô và lưu lượng thể tích khác nhau giữa các máy đếm hạt, số đếm thô phải được chuyển đổi thành số đếm chuẩn hóa bằng cách chia số đếm thô được hiển thị cho tổng thể tích không khí được thu thập trong quá trình lấy mẫu:

Số đếm Chuẩn hóa (#/vol) = Số đếm Thô / [Thời gian Lấy mẫu (Thời gian) X Lưu lượng Thể tích (Thể tích/Thời gian)]

Ví dụ: Nếu máy đếm A với lưu lượng thể tích 1 ft³/phút được sử dụng với khoảng thời gian thu thập mẫu 1 phút, và sau đó được so sánh với máy đếm B với lưu lượng 0.1 ft³/phút với thời gian lấy mẫu 5 phút:

• Máy đếm A chuẩn hóa = Số đếm # / [1 phút X 1 ft³/phút] = Số đếm # / ft³
• Máy đếm B chuẩn hóa = Số đếm # / [5 phút x 0.1 ft³/phút] = Số đếm # / ft³

Kết quả có thể được chuyển đổi sang số đếm trên lít bằng cách nhân với hệ số chuyển đổi 0.035 ft³/L.

Lấy mẫu Đồng trục và Đẳng động trong Luồng khí Tầng

Để giảm thiểu sự biến động giữa các số đếm hạt tiểu phân, có hai điều kiện thiết lập lấy mẫu quan trọng có thể được nhân rộng trong quá trình thu thập mẫu khi so sánh phân bố kích thước hạt:

Lấy mẫu Đồng trục (Isoaxial)

Định hướng không gian nhất quán của đầu dò đầu vào máy đếm đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được hiệu suất lấy mẫu hạt nhất quán. Đầu dò phải hướng thẳng lên trong mọi trường hợp sử dụng, đây là định hướng đồng trục để giảm thiểu sự khác biệt trong kết quả máy đếm.

Lấy mẫu đồng trục đảm bảo hút chân không bên trong máy đếm hút không khí trực tiếp xuống dưới vuông góc với trần và khớp về mặt hướng với các đường luồng khí tầng từ trên xuống. Hướng lắng đọng của các hạt tương đối lớn hơn (≥ 0.1 μm) cũng được khớp.

Lấy mẫu Đẳng động (Isokinetic) trong Môi trường Luồng khí Tầng

Trong môi trường luồng khí tầng, vận tốc tuyến tính từ trên xuống được kiểm soát để tối ưu hóa hiệu suất bộ lọc trần, thường trong khoảng 60 đến 90 feet mỗi phút. Vận tốc luồng khí này phải khớp càng gần càng tốt với vận tốc tuyến tính vào lỗ mở đầu dò của máy đếm hạt để giảm thiểu tổn thất lấy mẫu.

Ví dụ tính toán: Với máy đếm có lưu lượng thể tích 1.0 ft³/phút, được sử dụng trong phòng với luồng khí xuống giả định trung bình 80 ft/phút:

• Diện tích mặt cắt ngang của ISP = [1.0 ft³/phút ÷ 80 ft/phút] = 0.0125 ft²
• Bán kính đầu dò ISP ~0.75 inch, hoặc đường kính trong 1.5 inch

Vận chuyển Ống dẫn và Hạt

Nhiều cơ chế xuất hiện khi ống lấy mẫu có độ dài bất kỳ được đặt giữa vị trí lấy mẫu và đầu dò đầu vào máy đếm hạt:

Khuếch tán

Khi các hạt cực nhỏ (≤ 100 nm đường kính) di chuyển qua các đường luồng khối lượng và di chuyển theo chuyển động Brown có vẻ ngẫu nhiên. Thành ống trở thành nơi tích tụ các hạt nhỏ này.

Nhiệt di (Thermophoresis): Gradient Nhiệt trong Ống dẫn

Khi có gradient nhiệt qua ống dẫn, sẽ có dòng hạt tiểu phân thuần từ vùng nóng sang vùng lạnh. Tổn thất hạt do nhiệt di không đáng kể cho hầu hết các hệ thống với chênh lệch nhiệt độ < 40°C giữa thành và tiểu phân.

Lắng đọng

Có thể đáng kể đối với các hạt ≥ 2-3 μm, có khả năng lắng đọng cao hơn trên bề mặt ống nằm ngang. Có thể giảm thiểu bằng cách định hướng tất cả ống lấy mẫu theo chiều dọc bất cứ khi nào có thể.

Lắng đọng Quán tính Rối

Các hạt lớn sẽ có khả năng lắng đọng lên thành ống cao hơn nếu dòng chất lỏng (không khí) qua ống không phải là tầng. Dòng chảy rối có nhiều xoáy nước hơn khiến các hạt mọi kích thước va chạm với thành ống.

Lắng đọng Quán tính tại Chỗ uốn Ống Lấy mẫu

Lắng đọng quán tính sẽ xảy ra bất cứ khi nào ống uốn cong, do đó tất cả các chỗ uốn ống lấy mẫu nên được loại bỏ hoặc giảm thiểu cả về số lượng và độ cong.

Thay đổi Đường kính Ống Lấy mẫu

Tổn thất hạt xảy ra bất cứ khi nào có sự tăng hoặc giảm đường kính trong của ống do va chạm và lắng đọng.

Tổn thất Hạt Tích điện

Tổn thất hạt tích điện có thể đáng kể nếu ống không dẫn điện (ví dụ: PTFE). Tổn thất không đáng kể đối với ống dẫn điện được tẩm sợi dẫn điện hoặc tiêu tán (ví dụ: sợi carbon trong Beva-line).

Cân nhắc về Kích thước Mẫu

ISO 14644-1 nêu rằng một mẫu có ý nghĩa thống kê phải thu được ít nhất 20 hạt trong kênh kích thước được sử dụng cho mục đích chứng nhận. Thường điều này có nghĩa là các kênh kích thước hạt lớn hơn sẽ không có đủ hạt trong mẫu 1 phút nếu lưu lượng tương đối thấp (ví dụ: 0.1 CFM), và được khuyến nghị thu thập thể tích mẫu lớn hơn.

Máy đếm được sử dụng trong Đặc tính hóa, Chứng nhận và SPC Liên tục

Kiểm soát Quá trình Thống kê (SPC) là phương pháp mà một quá trình hoặc trạng thái của hệ thống có thể được giám sát và đặc tính hóa liên tục để xác định khi có điều gì đó bất ngờ và có thể không thuận lợi xảy ra.

Cơ sở của SPC là sử dụng chiến lược một thiết bị đo lường, hoặc hệ thống thiết bị, để lấy mẫu hoặc đo một hoặc nhiều thông số quan trọng thành công (CTS). Với dữ liệu này, có thể tính toán giá trị trung bình quá trình và độ lệch chuẩn (STDEV) của thông số CTS.

Lưu ý về Tiêu chuẩn Hiệu chuẩn:

Đối với chất lượng phòng sạch, có một tiêu chuẩn hiệu chuẩn là ISO 14644-1. Theo ISO 14644-1, máy đếm hạt tiểu phân phải được hiệu chuẩn sử dụng tiêu chuẩn hiệu chuẩn cụ thể ISO 21501-4, quy định tất cả các máy đếm hạt phải khớp trong phạm vi 10% của nhau cho mọi thứ ngoại trừ kênh đầu tiên. Kênh đầu tiên có biến động 20% trong hiệu suất đếm.

Đặc tính hóa, chứng nhận, kiểm soát và duy trì hạt tiểu phân trong phòng sạch yêu cầu các máy đếm hạt hiệu suất cao ổn định và khớp tốt như được định nghĩa bởi tiêu chuẩn ISO 14644 và ISO 21501-4. Luôn có sự khác biệt giữa các máy đếm, và các nguồn khác biệt tiềm năng nên được hiểu và giảm thiểu. Tuy nhiên, miễn là các máy đếm có thể hoạt động theo tiêu chuẩn chất lượng cao, các quy tắc SPC mạnh mẽ có thể được sử dụng để thiết lập và duy trì kiểm soát ngay cả với sự khác biệt nh