Hướng dẫn Nâng cao về Công nghệ Hạt

Trong "Hướng dẫn Nâng cao về Công nghệ Hạt", bạn sẽ học được về sự di chuyển của các hạt. Bạn cũng sẽ tìm hiểu về:

• Sự dính kết. Nhiều lực có thể tác động lên một hạt.
• Lắng đọng hạt. Bắt giữ hạt đòi hỏi sự hiểu biết về vật lý hạt và các yếu tố cải thiện khả năng di chuyển của hạt.
• Các biến thể của công nghệ máy đếm hạt. Một số biến thể công nghệ có thể được sử dụng khi thiết kế máy đếm hạt.
  
  

Kích thước

Các ứng dụng sản xuất khác nhau tập trung vào các hạt được đo bằng micromet. Kích thước của các hạt này dao động từ dưới một micromet (µm) đến khoảng 100 µm. Có một số cách khác nhau để đo một hạt; HÌNH 1 cho thấy các phương pháp tiêu chuẩn được sử dụng. Một hình cầu, mô hình dưới đây bằng các đường nét đứt, đại diện cho hạt polystyrene latex tương đương (PSL). PSL, một hạt được sản xuất, được sử dụng để hiệu chuẩn máy đếm hạt và kiểm tra bộ lọc.

Vật liệu

Tất cả các dạng hạt có thể được phân loại theo nhóm của chúng:

• Hạt: Một hạt đơn lẻ với chất liệu tương tự xuyên suốt.
• Tập hợp: Một nhóm hạt được giữ chặt lại với nhau bởi các lực nguyên tử hoặc phân tử mạnh. Lực hấp dẫn của hạt tương đương với những lực liên kết một khối bê tông.
• Đóng cục: Một nhóm hạt được giữ lại với nhau bởi các lực dính hoặc liên kết yếu hơn. Lực hấp dẫn của hạt tương đương với những lực liên kết một cục đất.
• Kết tủa: Một nhóm hạt được giữ lại với nhau bởi những lực yếu nhất. Lực hấp dẫn của hạt tương đương với bụi ngồi trên bàn.

Chuyển động

Lực đạn đạo: Các hạt được phun ra từ một công cụ hoặc quá trình có thể di chuyển ngược lại với dòng không khí hiện hành và phân phối không đồng đều trong môi trường khi chúng dần di cư.

Sự khuếch tán: Khuếch tán xảy ra khi các hạt lan truyền khắp một môi trường và sẽ xảy ra ngay cả khi khí hoặc chất lỏng có vẻ không di chuyển. Các hạt lơ lửng trong một chất lỏng (lỏng hoặc khí) được di chuyển bởi nhiều lực: dòng chảy, biến đổi nhiệt và chuyển động Brown.

• Dòng chảy: Dòng chảy là các chuyển động laminar (mượt mà) và tuần hoàn (gồ ghề) của không khí hoặc chất lỏng. Dòng chảy kết quả từ sự chênh lệch áp suất, với chuyển động di chuyển từ khu vực áp suất cao đến khu vực áp suất thấp. Các hạt lơ lửng trong dòng chảy laminar có xu hướng ở lại phần đó của chất lỏng. Trong không khí, chuyển động bên cạnh (từ bên này sang bên kia) được gọi là chuyển dục, và chuyển động dọc (lên và xuống) là đối lưu.
• Biến đổi nhiệt (nhiệt khuếch tán): Nhiệt khuếch tán mô tả chuyển động của hạt trong một gradient nhiệt độ khi hạt di chuyển từ khu vực nóng về phía khu vực mát hơn.
• Chuyển động Brown: Một hạt nhỏ lơ lửng trong khí hoặc chất lỏng va chạm với các phân tử của môi trường, làm thay đổi quỹ đạo của hạt. Quỹ đạo của hạt, đã được thay đổi bởi các phân tử, được gọi là chuyển động Brown.

Sự dính kết

Nhiều lực tác động lên một hạt và loại bỏ nó khỏi trạng thái tự do (khuếch tán). Các lực dính chính được mô tả dưới đây:

• Dính kết tĩnh điện: Các hạt có thể mang một điện tích tĩnh làm cho chúng hấp dẫn với các bề mặt mang điện tích đối lập.
• Đóng cục: Đóng cục xảy ra khi các hạt liên kết chặt chẽ với nhau. Trong chất lỏng, hạt có xu hướng đóng cục vào các bọt khí.
• Tích tụ: Tích tụ định nghĩa sự tăng trưởng của vật chất hạt khi các hạt gắn vào nhau. Dính kết tĩnh điện hoặc các lực hấp dẫn khác góp phần vào sự tích tụ hạt.
• Ma sát: Các hạt có thể liên kết với một bề mặt thô nơi chuyển động, hoặc ma sát, không đủ mạnh để tách nó ra.

Chu kỳ chuyển động và dính kết

Khuếch tán và dính kết tồn tại trong một chu kỳ liên tục: các hạt lưu thông, bị mắc kẹt, thoát ra và tái lưu thông. Chu kỳ này tạo ra các giá trị liên tục thay đổi cho số lượng và kích thước của các hạt. Do đó, cần có máy đếm hạt để đo lường sự thay đổi của nồng độ hạt theo đơn vị thể tích.

Vận chuyển hạt qua ống

Ống thường được sử dụng để lấy mẫu ô nhiễm hạt. Lấy mẫu các hạt đòi hỏi sự hiểu biết về vật lý hạt và các yếu tố sẽ cải thiện khả năng di chuyển của hạt. Sử dụng một tiêu chuẩn hệ thống là 3 ft^3 mỗi phút (CFM) mỗi mẫu, BẢNG 1 mô tả các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất áp suất là một chức năng của khoảng cách. Các thuật ngữ sau đây được mô tả ngắn gọn.

Môi trường

Nhiều quy trình công nghệ cao hiện đại yêu cầu sự sạch sẽ. Cụ thể, chúng yêu cầu sự vắng mặt của ô nhiễm hạt. Các hạt ảnh hưởng tiêu cực đến cơ thể thường lớn hơn 2.0 hoặc 3.0 µm, và công ty dược phẩm, giống như nhà sản xuất bán dẫn, phải quản lý môi trường sản xuất để loại bỏ ô nhiễm hạt.

Lọc

Hướng dẫn các hạt đến bộ lọc đòi hỏi chúng ta phải giữ dòng chảy laminar ở mọi nơi có thể để càng nhiều hạt càng tốt được lọc sạch. Thật không may, không phải lúc nào cũng có thể giữ dòng chảy laminar. Việc mắc kẹt các hạt bên trong bộ lọc sử dụng bốn nguyên tắc: sàng lọc, va đập, lực điện tĩnh và chuyển động Brown. Phương tiện lọc có các khoảng trống - hoặc lỗ - để cho phép không khí hoặc chất lỏng đi qua (sàng lọc), trong khi các sợi trong bộ lọc mắc kẹt các hạt lớn hơn (va đập). Các lực điện tĩnh mang điện tích đối diện từ các hạt giúp mắc kẹt các hạt vào một tấm hoặc sợi mang điện. Tuy nhiên, một số hạt nhỏ hơn có thể lọt qua các lỗ nhỏ và chống lại sự va đập, nhưng chuyển động ngẫu nhiên của chúng (chuyển động Brown) không cho phép chúng thoát khỏi bộ lọc. Tất cả những nguyên tắc này kết hợp lại làm cho bộ lọc hiệu quả hơn khi nó già đi.

Phát hiện hạt

Chứng nhận phòng sạch là một quá trình liên tục. Việc giám sát liên tục chất lượng không khí đảm bảo hệ thống lọc hoạt động đúng cách và không có nguồn phát sinh hạt không xác định. Một máy đếm hạt liên tục cải thiện năng suất bằng cách cung cấp các mức độ ô nhiễm hạt chi tiết và xu hướng dẫn đến việc xác định nguồn gốc.

Máy đếm hạt quang học

Một máy đếm hạt quang học (OPC) sử dụng một nguồn sáng cường độ cao (laser), một tốc độ dòng chảy được kiểm soát (khối lượng xem) và các cảm biến thu sáng cực kỳ nhạy (một photodetector).

Lý thuyết hoạt động

Máy đếm hạt quang học laser sử dụng năm hệ thống chính:

1. Laser và quang học: Một laser hoạt động trên một bước sóng duy nhất, vì vậy nguồn sáng là nhất quán với công suất ra liên tục để chiếu sáng khu vực lấy mẫu hạt.
2. Khối lượng xem: Khối lượng xem là một buồng nhỏ được chiếu sáng bằng laser. Mẫu phương tiện (không khí, chất lỏng hoặc khí) được hút vào khối lượng xem, laser đi qua phương tiện, các hạt phản xạ (phản chiếu) ánh sáng, và một photodetector đếm các nguồn ánh sáng phân tán (các hạt).
3. Photodetector: Photodetector là một thiết bị điện nhạy cảm với ánh sáng, và khi các hạt phản xạ ánh sáng, photodetector quan sát tia sáng và chuyển nó thành một tín hiệu điện, hoặc xung. Một bộ khuếch đại chuyển các xung thành một điện áp điều khiển tỷ lệ.
4. Bộ phân tích độ cao xung: Các xung từ photodetector được gửi đến bộ phân tích độ cao xung (PHA). PHA kiểm tra độ lớn của xung và đặt giá trị của nó vào một kênh kích thước thích hợp, gọi là bins. Các bins chứa dữ liệu về mỗi xung, và dữ liệu này tương quan với kích thước hạt.
5. Hộp đen: Hộp đen, hoặc mạch hỗ trợ, xem xét số lượng xung trong mỗi bins và chuyển thông tin thành dữ liệu hạt.

Biến thể của công nghệ máy đếm hạt

Một số biến thể công nghệ có thể được sử dụng khi thiết kế máy đếm hạt. Ứng dụng quyết định công nghệ cụ thể được sử dụng trong máy đếm hạt. Ngoài ra, các laser được chọn cho các công nghệ biến thể được lựa chọn cho khả năng phân loại hạt của chúng.

Cường độ của laser không đồng đều và mạnh hơn ở trung tâm so với các cạnh. Cường độ này minh họa một phân phối theo đường cong Gaussian hoặc Hình chuông. Một số máy đếm hạt sử dụng các mặt nạ quang học đặc biệt để chỉ xem phần trung tâm của laser. HÌNH 2 minh họa một chùm laser thực tế được ánh xạ lên một lưới. Mức độ cường độ của laser tăng lên đến đỉnh (các khu vực trắng và đỏ), là trung tâm của chùm laser.

Phân tán so với tắt

Cả công nghệ phân tán và tắt sử dụng laser để chiếu sáng một khu vực xem. Máy đếm hạt phân tán đo ánh sáng phản xạ (phân tán) của một hạt khi nó đi qua khu vực xem. Máy đếm hạt tắt chiếu sáng toàn bộ khối lượng xem và đo bóng của một hạt (các khu vực ánh sáng bị tắt) khi nó đi qua khu vực xem. Công nghệ tắt chỉ được sử dụng trong máy đếm hạt chất lỏng đo hạt lớn hơn 1.5 µm. Nếu công nghệ phân tán được sử dụng cho các hạt lớn, ánh sáng phân tán mạnh sẽ làm mù photodetector.

Thể tích so với không thể tích

Máy đếm hạt thể tích kiểm tra toàn bộ thể tích mẫu cho hạt. Máy đếm hạt không thể tích chỉ xem một phần đại diện nhỏ của toàn bộ thể tích mẫu. Thông thường, máy đếm hạt không thể tích có tốc độ dòng chảy cao hơn để đưa nhiều thể tích hơn qua thiết bị, nhưng lấy mẫu một phần đại diện nhỏ hơn. Do đó, chúng hy sinh một số sự phân biệt trong các kênh kích thước hạt, gọi là độ phân giải, nhưng cung cấp độ nhạy cao hơn. Máy đếm hạt thể tích thường lấy mẫu chất lỏng chậm hơn, với độ nhạy thấp hơn, nhưng cung cấp nhiều kênh kích thước hạt và độ phân giải tốt hơn. Máy đếm hạt thể tích có thể tích mẫu lớn hơn so với máy đếm hạt không thể tích.

Máy quang phổ so với máy giám sát

Như đã đề cập trước đó, cường độ chùm laser không đồng đều trên toàn bộ hồ sơ chùm. Máy quang phổ chỉ sử dụng trung tâm của chùm laser, và máy giám sát sử dụng toàn bộ chiều rộng của chùm laser. Máy quang phổ sử dụng phần trung tâm của chùm laser vì cường độ của laser là nhất quán. Nguồn sáng nhất quán hơn cung cấp độ chính xác cao hơn trong phát hiện hạt, vì vậy máy quang phổ có thể dễ dàng phân biệt những khác biệt nhỏ trong kích thước hạt và cung cấp độ phân giải tốt hơn.

Máy giám sát sử dụng toàn bộ chùm laser, vì vậy chúng không thể nhận biết được những khác biệt nhỏ giữa các kích thước hạt. HÌNH 3 minh họa các hạt đi qua một mặt cắt của chùm laser. Các hạt gần mép sẽ chịu ánh sáng cường độ thấp hơn so với cùng một hạt đi qua trung tâm chùm laser. Được hiển thị ở phía dưới của sơ đồ, các biên độ xung tương đối minh họa xung của một hạt và tầng nền tiếng ồn (tiếng ồn điện tử nền). Do đó, cùng một hạt sẽ tạo ra các biên độ xung khác nhau tùy thuộc vào nơi nó đi vào chùm laser. Tương tự, một hạt lớn hơn đi qua mép chùm có thể tạo ra cùng một biên độ xung như một hạt nhỏ hơn đi qua trung tâm chùm. Do đó, máy giám sát chỉ bao gồm một vài kênh kích thước, với khoảng cách đủ giữa các kênh để tính đến lỗi kích thước này.

Lựa chọn giữa máy quang phổ và máy giám sát

Với cường độ ánh sáng cụ thể, các hạt nhỏ phân tán một lượng ánh sáng nhỏ (mờ) và các hạt lớn phân tán một lượng ánh sáng lớn (sáng). Do đó, khả năng đo kích thước hạt chính xác của máy đếm hạt bị giới hạn bởi công nghệ được sử dụng.

Công nghệ máy quang phổ cung cấp dữ liệu kích thước hạt cụ thể, vì vậy độ chính xác kích thước làm cho nó trở thành thiết bị được ưa chuộng để tiến hành nghiên cứu bộ lọc, phân tích vấn đề ô nhiễm hạt cụ thể, minh họa thách thức hạt monodispersed, và xác minh độ chính xác của các máy đếm hạt kém chính xác hơn.

Máy giám sát phù hợp với những ứng dụng mà việc phân loại kích thước hạt cụ thể không thêm giá trị nhiều vì không cần phân loại hạt độ phân giải cao để xu hướng và giám sát hạt. Những ứng dụng này chỉ yêu cầu thông tin hạt chung, vì vậy một máy giám sát hạt là phù hợp.

Máy đếm hạt ngưng tụ

Đếm hạt tự động đạt đến giới hạn khi hạt quá nhỏ đến mức ánh sáng phân tán không thể phân biệt được với tiếng ồn nền. Khi hạt quá nhỏ để phân biệt với tiếng ồn nền, máy đếm hạt đặc biệt phát triển hạt lên kích thước lớn hơn, cho phép phát hiện. Những máy đếm hạt này được gọi là máy đếm hạt ngưng tụ (CPCs).

CPC chứa một bình chứa chất lỏng dễ bay hơi, được gọi là chất lỏng làm việc. Không khí mẫu chảy qua một buồng ấm, nơi hơi của chất lỏng trộn lẫn với không khí mẫu và ngưng tụ trên các hạt. Các giọt chất lỏng vi mô có thể bao quanh các hạt nhỏ như 0.01 µm (10 nanomet) và phát triển thành một hạt/giọt chất lỏng mà một thiết bị sẽ đo là 1-2 µm.

CPC có nhược điểm so với OPC. CPC yêu cầu bổ sung chất lỏng làm việc định kỳ; trong môi trường ISO Class 6 hoặc bẩn hơn, một CPC phát hiện nhiều hạt đến mức không thể đếm kịp; và CPC không báo cáo phân bố kích thước hạt - nó chỉ báo cáo rằng một hạt đã hiện diện.

Kết luận

Vật lý và cơ học hạt cung cấp sự hiểu biết cần thiết về hành vi của hạt. Nhà sản xuất máy đếm hạt sử dụng những yếu tố này để thiết kế các thiết bị cho các ứng dụng cụ thể. Bị giới hạn bởi các giới hạn của vật lý, như phân tán ánh sáng, dòng mẫu, và chuyển động hạt, một thiết bị được thiết kế cho một phần hẹp tương đối của toàn bộ phổ kích thước hạt. Việc lựa chọn máy đếm hạt đơn giản chỉ là vấn đề xác định ứng dụng.

Về Particle Measuring Systems 

Là một nhà lãnh đạo công nghệ toàn cầu trong ngành giám sát môi trường, Particle Measuring Systems, một công ty của Spectris, là nhà phát minh của máy đếm hạt laser và là nhà sản xuất máy đếm hạt lớn nhất thế giới. Bất kể ngành công nghiệp hay yêu cầu giám sát, chúng tôi giúp các nhà sản xuất đo lường những gì quan trọng.