Valami van a levegőben

Climet részecskeszámláló

CAS kalibrációs laboratóriuma

Climet részecskeszámláló a használatban

A CAS központja Svájcban

A részecskék keletkezését nem lehet megakadályozni. Azonban a rossz helyen, rossz koncentrációban jelenlévő részecskék súlyos következményekkel járhatnak. Például kórházakban fertőzéseket okozhatnak, vagy a gyógyszeriparban termékeket szennyezhetnek. Ezt csak összetett mérőeszközökkel és megbízható szervizpartnerrel lehet megakadályozni, aki hosszú évek tapasztalatával rendelkezik a részecskemérés területén, és ismeri egy ilyen részecskeszámláló beszerzésének legfontosabb kritériumait.

Csak kevesen vagyunk körülvéve tiszta levegővel. Ez nem fordul elő a mindennapi életünkben. Ennek ellenére bizonyos területeken elengedhetetlen, például a gyógyszeriparban vagy az egészségügyben. Ezek a szektorok az elmúlt években jelentősen változtak. Például Svájcban, Németországban és Ausztriában új irányelveket dolgoztak ki az egészségügyi és kontrollált környezetek légtechnikai berendezéseire. Céljuk, hogy a levegőben szálló részecskék koncentrációját a lehető legkisebbre csökkentsék az érzékeny területeken.

Mindannyian nap mint nap számos részecskét veszünk körül. Ezek egy része saját magunk által is termelődik. Ezeknek a részecskéknek a mérete nagyon változó. Csak akkor válnak észlelhetővé az emberi szem számára, ha kb. 50 mikrométeres (µm) méretűek, például virágpor, cementpor vagy tüsszentéskor keletkező csepp. A baktériumok, amelyek mérete 0,3-tól 30 µm-ig terjed, már nem láthatók hagyományos módszerekkel, nem beszélve a normál külső levegő szennyeződéséről (0,01-től 1-ig), a dohányfüstről (0,01-től 0,3-ig), vagy a vírusokról és fehérjékről (0,01-től 0,1-ig). Ezek azok a méretek, amelyeket gyakorlatilag már elképzelni sem tudunk. Annak érdekében, hogy méretbeli összehasonlítást végezhessünk, alkalmazhatjuk a következő példát: képzeljük el a Föld gömbjének térfogati arányát egy teniszlabdához képest. Ez az arány nagyjából megegyezik azzal, mintha a teniszlabdát egy 1 mikrométer átmérőjű részecskéhez viszonyítanánk. Így is csak megközelítőleg érzékelhetjük a részecske valódi méretét, mivel az meghaladja a képzeletünket. Mindennapi életünkben azonban elengedhetetlen a részecskék mérhetősége és egyértelmű meghatározása.

Aeroszolok mindennapi alkalmazásban
Az aeroszolok – azaz apró részecskék, amelyek mindenhol a levegőben megtalálhatók – ma már számos területen alkalmazottak. Mivel az aeroszolok olyan kicsik, hogy akadálytalanul át tudnak jutni az ember légúti szűrőrendszerein. A hörgőkön keresztül a tüdő ún. alveoláiba hatolhatnak be, és onnan részben a vérkeringésbe kerülnek. Ezt a képességüket az orvostudományban is kihasználják: például belélegzett spray-kben hatóanyag-részecskék találhatók. Ha azonban ezek a részecskék rákkeltő anyagokat tartalmaznak, akkor ez különösen veszélyes a szervezetünkre. Ez például dohányzás vagy kipufogógáz belélegzése esetén fordul elő.

Az aeroszolokat a mezőgazdaságban is alkalmazzák. Itt rovarirtó és növényvédő szerek porlasztására használják. Emellett a technológiai szektorban – például lakkozásnál vagy színezésnél – vagy a magánéletben – hajspray-kben vagy tisztítószerekben – szintén nélkülözhetetlenek.

Por mint zavaró tényező
A részecskék azonban zavaró tényezőként is megjelenhetnek. Az elektrotechnikai iparban, ahol az áramkörök vezetőnyalábjai csak néhány mikrométerre vannak egymástól, egy porcsepp akár rövidzárlatot is okozhat. Ezért elengedhetetlen, hogy ilyen termékek gyártásánál pormentes munkakörnyezetet alakítsanak ki. Ugyanez igaz a gyógyszeriparra vagy az egészségügyre is. Nem lehet elképzelni, milyen fertőzéseket okozhatnak baktériumok vagy vírusok. Mivel a kórokozók teljes kizárása nem lehetséges, pormentes levegőt kell biztosítani. Az erre a célra kifejlesztett technológia neve a tisztatértechnika.

Mit „termel” az ember
Alapvetően két eredet szerint különböztetjük meg az aeroszolokat: Természetes aeroszolok, mint például köd, sivatagi por, baktériumok, vírusok, erdőtüzek füstje vagy virágpor. Vagy ipari aeroszolok, mint például ipari üzemek kibocsátásai, közlekedés vagy háztartási tüzelőberendezések által kibocsátott részecskék. Az ember is aktív aeroszoltermelő. Már anélkül is, hogy különösebb tevékenységet végezne, körülbelül 100 000 részecskét termel percenként. Könnyű fejmozdulattal ez már 500 000 részecskét jelent, s járás közben ez a szám akár 5 millióra is nőhet. Ez a nagy részecskemennyiség az egyik oka annak, hogy különleges munkaruházat viselése kötelező bizonyos területeken. A „tisztatérben” való szakszerű viselkedést speciális tanfolyamokon tanítják, hogy a „szennyezést” a lehető legkisebbre csökkentsék.

A részecskeszámlálók működése
A részecskék keletkezése nem akadályozható meg. Fontos azonban – az alkalmazási területtől függően – az ilyen anyagok hatékony koncentrációjának mérésére. Ehhez részecskeszámlálókat használnak. Ezek működési elvét egy egyszerű példán keresztül lehet szemléltetni: ha egy sötét pajtában állunk, amelyen keresztül a napfény beszűrődik a fa falakon keresztül, akkor észre fogjuk venni, hogy néhány sugarat kevésbé világosnak látunk, mint másokat. Ezek a fénykülönbségek a levegőben lebegő por miatt vannak. Egy részecskeszámláló hasonló elven működik. Egy lézersugár helyettesíti a napfényt, és a pajta sötétségét a szenzor sötétkamrája. A részecskék, amelyeket a részecskeszámláló észlel, már nem láthatók szabad szemmel. A tisztatérben általában 0,3 és 5,0 µm közötti részecskéket mérnek. Elektronikus gyártás esetén akár 0,1 µm átmérőjű részecskéket is figyelembe vesznek.

Adatfeldolgozás
A mérés menete mindig ugyanaz: alapvetően a részecskeszámlálók úgy vannak beállítva, hogy semmi sem történik, amíg csak tiszta levegő áramlik a mérőkamrába. Ha azonban apró porcseppek kerülnek a mérőkamrába (a mérőcellába), és áthaladnak a lézersugáron, akkor a fény szóródik. Általában egy kis részecske gyenge fényt, egy nagyobb pedig erősebbet hoz létre. A tükörkamra ezeket a sugarakat egy fotodetektorra irányítja, amely a fényenergiát elektromos jelekké alakítja.
Az alapképlet szerint, hogy a fény a részecske méretével arányosan változik, ugyanúgy, mint az elektromos jel a részecskéhez képest, ez adja az alapját a végső adatelemzésnek és értékelésnek. A pontosság végső soron a részecskeszámláló felépítésétől függ. Ehhez speciális elektronikus áramköröket építenek be, és egy erősítő fokozat támogatja az igen gyenge elektronikus jelet. Emellett egy kiegészítő rendszer kiszűri a nem kívánt „zajokat”. Végül a jeleket egy szabadalmaztatott digitális processzor értékeli ki. További digitális áramkörök lehetővé teszik az adatok kijelzését a kijelzőn, illetve nyomtatását.

Gyorsabb értékelés
A részecskeszámlálóknál is a idő tényező döntő. A különböző gyártók az általuk kínált készülékek mérési időtartamára hirdetik termékeiket. Korábban a mérőeszközök beszívási térfogata főként egy köbméter levegő mérésére volt alkalmas percenkénti 1 köbfont (28,3 liter). Ez az egység az amerikai „US Federal Standard” szerint. Egy köbméter levegő méréséhez ezek a készülékek több mint 35 percet vesznek igénybe.

Azonban a fejlesztések nem álltak meg. Ma már elérhetők 50, 75 vagy 100 liter/perc áramlási térfogattal rendelkező készülékek. Ez jelentősen csökkenti a mérési időt, egy 1 köbméteres mintánál, 100 literes készülékkel mindössze 10 perc.

Kalibrálás a minőségért
A részecskeszámláló minősége szempontjából kiemelten fontos a kalibrálás. Minden gyártónak megvannak a saját utasításai, hogyan kell a készülékeket kalibrálni és beállítani. A méretpontosság érdekében általában tanúsított monodisperz latex-részecskéket használnak. Ezeket széttörik és a készülékbe helyezik. A kerek, fehér golyók egy gaussszerű eloszlási görbét hoznak létre, amelynek helyzete döntő a részecskeszámláló pontosságában. Ez a görbe évről évre eltolódhat. Ennek okai lehetnek például a mérőkamra vagy a detektor szennyeződése, a lézer teljesítményének változása, túl alacsony vagy túl magas áramlás stb.

A részecskeszámláló kalibrálásának lépései a következők lehetnek:
-  Állapotfelmérés (a jelenlegi állapot felvétele, azaz mit mértek)
-  Karbantartási és javítási munkák
-  Beállítás (a legkisebb eltérésre való hangolás)
-  Kimeneti kalibrálás (összehasonlító teszt a számlálási hatékonyságról)

Az optimális kalibrálás és karbantartás érdekében ajánlott évente egyszer egy hivatalos szervizpartnerhez küldeni a készüléket. Csak ezek a hivatalos kalibráló laboratóriumok rendelkeznek a mérőeszközök műszaki adataival, és ismerik a pontos karbantartási eljárásokat.

Öndiagnózis
Hogy a mindennapi helyszíni használat során is folyamatosan ellenőrizni lehessen a készülék működését, sok részecskeszámláló rendelkezik beépített „öndiagnózissal”. Ezzel figyelik a lézer és a folyadékáramlás állapotát. Kalibrálás után például egy könnyű ujjcsapással szándékosan szennyezést lehet generálni. A csapás által keletkező részecskéket a lézer érzékeli, és a felhasználó biztos lehet benne, hogy a számlálási mód megfelelően működik. Ezután nullázó szűrővel rendszertesztet lehet végezni. A szűrőt a mérőcsőbe célszerű közvetlenül helyezni. A levegőt a szűrőn keresztül szívják be, és a mérőkamrába vezetik. Ha nem mérnek részecskéket, akkor biztos lehet benne, hogy minden elem tiszta, és a mérési eredményt nem befolyásolják zavaró tényezők. Alapvetően ezeket a funkcióellenőrzéseket bármikor meg lehet ismételni. Természetesen minél gyakrabban végzik el a rendszerellenőrzést, annál nagyobb a biztonság.

Részecskeszámláló alkalmazása
A részecskeszámlálókat különböző területeken és helyzetekben használják. Legfőképpen a „osztályozás”, „szűrőrendszer-integritásvizsgálat”, „nyomáshullám mérés” és „monitoring rendszer” területeken.

A tisztatér különleges gyártási folyamatokhoz szükséges – különösen félvezetőgyártásban –, ahol a normál környezeti levegőben lévő részecskék zavarhatják az integrált áramkörök szerkezetének kialakítását, amelyek mérete néhány tized mikrométer. További alkalmazási területek közé tartozik a optika- és lézertechnológia, a légi- és űrkutatás, a biotudományok, az orvosi kutatás és kezelés, az élelmiszer- és gyógyszeripar steril gyártása, valamint a nanotechnológia.

Komplex helyeken történő mérés
A részecskék pontos kimutatásához egy izokinettikus szondát használnak. Az izokinetika biztosítja, hogy a részecskék a szondába essenek, ne pedig beszívódjanak. Ennek az az egyszerű oka, hogy a beszívás során légörvények keletkeznek, amelyek hibás méréshez vezethetnek. Az izokinettikus szonda ezt megakadályozza, és rendkívül pontos eredményeket biztosít. Általában kerek szondákat használnak, amelyek átmérője a részecskeszámláló beszívási térfogatától függ. Általában egy csővel kapcsolják a mérőeszközhöz, így lehetőség van nehezen hozzáférhető helyeken is a mérésre, és a mérés nem zavarja vagy torzítja az ember vagy a gép.

Fontos azonban, hogy a cső – szaknyelven „Hytrel cső” – speciális bevonattal rendelkezzen. Ez úgy van kialakítva, hogy belül ne rakódjanak le részecskék. Továbbá a izokinettikus szondát pontszerűen kell elhelyezni a levegőáramban. Ha a vizsgált légáramlás irányát nem lehet szabályozni vagy előre látni – például turbulens keveredés esetén –, akkor a mintaszonda beömlőnyílását függőlegesen felfelé kell irányítani. Alapvetően a részecskeszámoló a gyártó utasításai szerint kell beállítani. Eltérések ezektől hibás méréshez vezethetnek.

Azonban a Hytrel cső alkalmazásának is vannak hátrányai. Bár nem állnak rendelkezésre részletes tanulmányok e témában, a gyakorlati tapasztalatok szerint a csőben lévő részecskék 1,0 µm méret felett elvesznek, és nem jutnak el a mérőkamrába. Az a feltételezés, hogy ezek a részecskék a csőben maradnak, és hibás mérésként kerülnek észlelésre, eddig nem igazolódott. Inkább az a valószínű, hogy a nagyobb részecskék „átvitele” során apróbb részecskékké törnek, és a mérőkamra által érzékelt kis részecskékké válnak.

Légminőség osztályozása
Ahhoz, hogy egy tisztatér működjön, a létesítés és működés során részecskeméréseket kell végezni. Ezek alapján osztályozható a levegő tisztasága a tisztaterekben és azokhoz tartozó területeken. Ezt az ISO 14644-1 szabvány szabályozza. A szabvány kizárólag a levegőben szálló részecskék koncentrációjára vonatkozik. A tisztatér minősítésének valódi mérőértéke a mérési eredmény, és az abból levont következtetés, hogy az adott tisztatér megfelel-e az előírásoknak. Különösen a gyógyszeriparban döntőek ezek az eredmények a működés biztosításához. A szigorú alkalmazások stabil környezeti feltételeket igényelnek. Az előírt értékek be nem tartása például gyártási kieséseket és költséges helyzeteket eredményezhet. Ezért a „osztályozási” eljárás rendkívül alapos. A levegőben szálló részecskék számlálása mellett vizsgálják a légáramlást, a nyomáskülönbséget, a hőmérsékletet és a páratartalmat is.

Egy tisztatér alapvetően úgy van kialakítva, hogy a levegőben szálló részecskék száma, amelyet bevisznek vagy ott keletkeznek, a lehető legkisebb legyen. Függően a felhasználástól, csak a részecskék számát vagy a kórokozók számát is figyelemmel kísérik, ahogyan például a gyógyszergyártásban szükséges. A kívánt feltételek eléréséhez különböző eljárásokat alkalmaznak, hogy megakadályozzák a nem kívánt részecskék levegőbe kerülését, illetve eltávolítsák a már ott lévő részecskéket.

Szűrőrendszer-integritásvizsgálat részecskeszámlálóval
A szűrőrendszer-integritásvizsgálat egy másik alkalmazási terület a részecskeszámlálók számára. Ez szükséges ahhoz, hogy kizárják a HEPA vagy ULPA szűrők esetleges sérüléseit. A vizsgálat elve meglehetősen összetett: a szűrő előtt a nyerslevegőt aeroszollal szennyezik. Ez egy szándékos szennyezés a levegőben. Mivel ez a levegő magas koncentrációban tartalmaz részecskéket, egy hígítási szintet kapcsolnak be a levegő és a részecskeszámláló között. Ezek a rendszerek általában 1:100 vagy 1:10 arányú hígítást tesznek lehetővé. Ez lehetővé teszi, hogy a teljes teszt során a nyerslevegőt mérjék. Egy mérőszondával az egész szűrőrendszert át kell vizsgálni, hogy esetleges szivárgást találjanak. Legcélszerűbben egy sarkos szondát alkalmaznak, mivel ez a forma – ellentétben például a kerek szondával – csökkenti a mérési időt a szkennelés során. Ha a folyamat során a megengedett részecskemennyiség túllépése történik, az utalhat szivárgásra. Ezt pontosabban a helyi szivárgás-ellenőrzés tesztjei igazolják.

Levegőnyomás mérése részecskeszámlálóval
Amikor tisztatéri levegőről beszélünk, elsősorban a környezeti levegő tisztaságára gondolunk. A sűrített levegő az a levegő, amely egy folyamat során szükséges (például pneumatikában vagy szabályozó levegőként). Ez is olyan levegő, amely érintkezhet a termékkel, és szennyezheti azt.

Azonban a sűrített levegő mérését nem szabad közvetlenül a részecskeszámlálóval végezni, mert ez károsíthatja a mérőkamrát, vagy befolyásolhatja a részecskeszámláló áramlását. Ezért egy ún. diffúzort kell beiktatni a sűrített levegő és a részecskeszámláló közé. A méréshez az ISO 8573 szabvány nyújt iránymutatást.

Monitoring
Eddig főként a mobil részecskeszámlálókról volt szó. Állandóan működő, monitoring berendezéseket használnak. Ezek folyamatosan figyelik bizonyos folyamatokat, például gyógyszerek csomagolását. Ezek általában rendkívül összetett rendszerek, amelyek szakember felügyeletét igénylik.

Összegzés
A részecskeszámláló egy rendkívül összetett mérőeszköz, amellyel a legkisebb levegőben szálló részecskék is mérhetők. A gyártók között azonban jelentős minőségi különbségek vannak. A készülék pontossága és megbízhatósága alapvető kritérium a beszerzésnél. További elvárások: a részecskeszámlálót évente kalibrálni kell, és jó szervizpartnerrel kell rendelkezni. Akik ezeket az egyszerű alapelveket betartják, soha nem fognak megbánni egy ilyen beruházást.

ISO szabvány 21501-4
Az ISO 21501-4 szabvány meghatározza a részecskeszámlálók kalibrálási folyamatát. A szabvány előírja többek között, hogy a számlálási hatékonyságot (mennyiség kalibráció) ki kell mutatni. Ehhez monodisperz latex-részecskéket helyeznek a mérőeszközre és a referencia részecskeszámlálóra, majd összehasonlítják a két mennyiséget. A méretfelbontás (size resolution) során ellenőrzik, hogy a legkisebb csatornában a részecskék helyesen vannak-e hozzárendelve. Egy nullázó szűrő segítségével tovább vizsgálják, hogy a mérőkamra mentes-e részecskéktől. Az ISO 21501-4 szabvány évente ajánlja a kalibrálási intervallum megtartását.