Un contador de partículas se utiliza para controlar y diagnosticar la contaminación por partículas en medios limpios específicos, como el aire, el agua y los productos químicos. Los contadores de partículas se utilizan en una variedad de aplicaciones para respaldar las prácticas de fabricación limpias; las industrias incluyen: componentes y ensamblajes electrónicos, productos farmacéuticos y dispositivos médicos, y tecnologías industriales como el petróleo y el gas.
Los contadores de partículas funcionan principalmente con el principio de dispersión de la luz, aunque también pueden emplearse otras tecnologías. La dispersión de la luz por partículas utiliza una instrumentación que comprende una fuente de luz de alta intensidad (un láser), un flujo de medio controlado (aire, gas o líquido) y detectores de captación de luz de alta sensibilidad (un fotodetector).
Los contadores ópticos de partículas láser emplean cinco sistemas principales:
El oscurecimiento de la luz por partículas funciona según el principio de que la presencia de partículas bloquea parte de la luz del fotodetector, generalmente a través de la absorbancia o la dispersión de la luz . El fotodetector registra el oscurecimiento de la luz y lo convierte en una señal eléctrica, que luego se correlaciona con una partícula de tamaño específico mediante un PHA, como en la descripción de dispersión anterior.
El conteo de partículas por imágenes directas emplea una cámara de alta resolución y una fuente de luz para detectar partículas. Las unidades de medición del tamaño de partículas basadas en la visión obtienen imágenes bidimensionales que se analizan mediante un software informático para obtener la medición del tamaño de las partículas; las imágenes se pueden conservar y reproducir para realizar análisis adicionales.
Un contador Coulter es un aparato para contar y medir partículas suspendidas en electrolitos . Se utiliza normalmente para partículas celulares. El principio Coulter, y el contador Coulter que se basa en él, es el término comercial para la técnica conocida como detección de pulsos resistivos o detección de zonas eléctricas.
Existen varios métodos que se utilizan para detectar y medir el tamaño de las partículas o su distribución: bloqueo de la luz (oscurecimiento), dispersión de la luz, principio de Coulter e imágenes directas. Se utiliza una fuente de luz de alta intensidad para iluminar la partícula a medida que pasa a través de la cámara de detección.
El método del contador óptico de partículas que bloquea la luz suele ser útil para detectar y medir partículas de más de 1 micrómetro de tamaño y se basa en la cantidad de luz que bloquea una partícula al pasar por el área de detección del contador de partículas. Este tipo de técnica permite una medición fiable y de alta resolución.
Si se utiliza la dispersión de luz, la luz redirigida se detecta mediante un fotodetector. El método de dispersión de luz es capaz de detectar partículas de menor tamaño. Esta técnica se basa en la cantidad de luz que desvía una partícula que pasa a través del área de detección del contador de partículas. Esta desviación se denomina dispersión de luz. La sensibilidad de detección típica del método de dispersión de luz es de 0,05 micrómetros o más. Sin embargo, el empleo de la técnica del contador de núcleos de condensación (CNC) permitiría una mayor sensibilidad de detección en tamaños de partículas de hasta el rango nanométrico . Una aplicación típica es el control del agua ultrapura en las instalaciones de fabricación de semiconductores.
Si se utiliza el bloqueo de la luz (oscurecimiento), se detecta la pérdida de luz. Se mide la amplitud de la luz dispersada o bloqueada y se cuenta la partícula y se tabula en contenedores de conteo estandarizados. El método de bloqueo de la luz se especifica para los contadores de partículas que se utilizan para el conteo en fluidos hidráulicos y lubricantes. Los contadores de partículas se utilizan aquí para medir la contaminación del aceite hidráulico y, por lo tanto, permiten al usuario mantener su sistema hidráulico, reducir las averías, programar el mantenimiento durante períodos de trabajo lento o nulo, monitorear el rendimiento del filtro, etc. Los contadores de partículas utilizados para este propósito generalmente utilizan la Norma ISO 4406:1999 como su estándar de informe y la ISO 11171 como estándar de calibración. Otras que también se utilizan son la NAS 1638 y su sucesora SAE AS4059D.
Si se utiliza la obtención de imágenes directas, una luz halógena ilumina las partículas desde la parte posterior de una célula, mientras que una cámara de alta definición y gran aumento registra las partículas que pasan. El vídeo grabado se analiza luego con un software informático para medir los atributos de las partículas. El recuento de partículas mediante obtención de imágenes directas emplea una cámara de alta resolución y una luz para detectar partículas. Las unidades de medición del tamaño de partículas basadas en la visión obtienen imágenes bidimensionales que se analizan con un software informático para obtener la medición del tamaño de las partículas tanto en el laboratorio como en línea. Junto con el tamaño de las partículas, también se puede determinar el análisis del color y la forma. La obtención de imágenes directas es una técnica que utiliza la luz emitida por un láser como fuente para iluminar una célula por la que pasan las partículas. La técnica no mide la luz bloqueada por las partículas, sino que mide el área de las partículas que funcionan como un microscopio automático. Un diodo láser pulsado congela el movimiento de las partículas. La luz transmitida a través del fluido se proyecta en una cámara electrónica con óptica de enfoque macro. Las partículas de la muestra bloquearán la luz y las siluetas resultantes se proyectarán en el chip de la cámara digital.
Las aplicaciones de los contadores de partículas se dividen en tres categorías principales:
Los contadores de partículas de aerosol se utilizan para determinar la calidad del aire contando y midiendo el número de partículas en el aire. Esta información es útil para determinar la cantidad de partículas dentro de un edificio o en el aire ambiente. También es útil para comprender el nivel de limpieza en un entorno controlado. Un entorno controlado común en el que se utilizan contadores de partículas de aerosol es una sala limpia . Las salas limpias se utilizan ampliamente en la fabricación de dispositivos semiconductores , la biotecnología , los productos farmacéuticos , las unidades de disco , la industria aeroespacial y otros campos que son muy sensibles a la contaminación ambiental. Las salas limpias tienen límites de recuento de partículas definidos. Los contadores de partículas de aerosol se utilizan para probar y clasificar una sala limpia para garantizar que su rendimiento esté a la altura de un estándar de clasificación de sala limpia específico. Existen varios estándares para la clasificación de salas limpias. La clasificación a la que se hace referencia con más frecuencia es la de los Estados Unidos. Aunque se originó en los Estados Unidos, la Norma Federal 209E fue la primera y la más comúnmente mencionada. Esta norma fue reemplazada en 1999 por una norma internacional, pero la Norma Federal 209E sigue siendo hoy la norma más ampliamente referenciada en el mundo. [ cita requerida ]
Existen varios instrumentos de lectura directa para medir las emisiones de partículas de aerosol. Los medidores de tamaño de partículas de CPC y de movilidad diferencial, incluidos el medidor de tamaño de partículas de movilidad de barrido y el medidor de tamaño de partículas de movilidad rápida, pueden medir la concentración de aerosoles; el cargador de difusión y el impactador eléctrico de baja presión pueden medir el área de superficie; el muestreador estático selectivo de tamaño y la microbalanza oscilante de elemento cónico pueden medir la masa. [1]
En el caso de las salas blancas, la norma de reemplazo es la ISO 14644-1 y está destinada a reemplazar por completo la Norma Federal 209E . Esta norma ISO se puede encontrar a través de la organización sin fines de lucro, el Instituto de Ciencias Ambientales y Tecnología (IEST). Cada una de estas normas representa la cantidad máxima permitida de partículas en una unidad de aire. La unidad típica es pies cúbicos o metros cúbicos. Los recuentos de partículas siempre se enumeran como acumulativos.
Los contadores de partículas líquidas se utilizan para determinar la calidad del líquido que pasa a través de ellos. El tamaño y la cantidad de partículas pueden determinar si el líquido está lo suficientemente limpio como para usarse en la aplicación diseñada. Los contadores de partículas líquidas se pueden utilizar para probar la calidad del agua potable o las soluciones de limpieza, o la limpieza de equipos de generación de energía, piezas de fabricación o medicamentos inyectables .
Los contadores de partículas líquidas también se utilizan para determinar el nivel de limpieza de los fluidos hidráulicos y varios otros sistemas, incluidos (motores, engranajes y compresores), la razón es que el 75-80% de las averías hidráulicas se pueden atribuir a la contaminación. Hay varios tipos, instalados en el equipo, operados en un laboratorio como parte de un programa de análisis de aceite . [2] o unidades portátiles que se pueden transportar al sitio, por ejemplo , un sitio de construcción, y luego usar en la máquina, por ejemplo , una excavadora, para determinar la limpieza del fluido. Al determinar y monitorear estos niveles, y seguir un programa de mantenimiento proactivo o predictivo, el usuario puede reducir las fallas hidráulicas, aumentar el tiempo de actividad y la disponibilidad de la máquina y reducir el consumo de aceite. También se pueden utilizar para asegurar que los fluidos hidráulicos se han limpiado mediante filtración, a niveles de limpieza aceptables u objetivo. Hay varias normas en uso en la industria hidráulica, de las cuales ISO 4406:1999, NAS1638 y SAE AS 4059 son probablemente las más comunes.
Un grado de limpieza típico del aceite hidráulico según la norma ISO 4406 es 20/18/15. [3]
Los contadores de partículas sólidas se utilizan para medir partículas secas en diversas aplicaciones industriales. Una de estas aplicaciones podría ser la detección del tamaño de partículas provenientes de una trituradora de rocas dentro de una cantera minera. Los tamices son los instrumentos estándar que se utilizan para medir el tamaño de partículas secas. Los sistemas basados en visión también se utilizan para medir el tamaño de partículas secas. Con un sistema basado en visión, se puede medir el tamaño de partículas de manera rápida y eficiente con facilidad y una gran precisión.
Pequeños contadores de partículas que se utilizan para monitorear una ubicación fija, generalmente dentro de una sala limpia o un miniambiente, para monitorear continuamente los niveles de partículas. Estos contadores más pequeños generalmente no tienen una pantalla local y están conectados a una red de otros contadores de partículas y otros tipos de sensores para monitorear el rendimiento general de la sala limpia. Esta red de sensores generalmente está conectada a un sistema de monitoreo de instalaciones (FMS), un sistema de adquisición de datos o un controlador lógico programable .
Este sistema informático puede integrarse en una base de datos, generar alarmas y enviar correos electrónicos para notificar al personal de la instalación o del proceso cuando las condiciones dentro de la sala limpia han excedido los límites ambientales predeterminados. Los contadores de partículas remotos están disponibles en varias configuraciones diferentes, desde modelos de un solo canal hasta modelos que detectan hasta 8 canales simultáneamente. Los contadores de partículas remotos pueden tener un rango de detección de tamaño de partícula de 0,1 a 100 micrómetros y pueden presentar una de las diversas opciones de salida, que incluyen 4-20 mA, RS-485 Modbus , Ethernet y salida de pulsos.
Contador de partículas portátil modificado para aerosoles que se ha conectado a un sistema de muestreo secuencial. El sistema de muestreo secuencial permite que un contador de partículas tome muestras de varias ubicaciones, a través de una serie de tubos que extraen aire de hasta 32 ubicaciones dentro de una sala limpia. Por lo general, es menos costoso que utilizar contadores de partículas remotos y cada tubo se monitorea en secuencia.
Un contador de partículas portátil es un dispositivo pequeño y autónomo que se transporta y utiliza fácilmente, y está diseñado para su uso en investigaciones de calidad del aire interior (IAQ). Aunque los caudales de los portátiles más grandes, de 0,1 ft 3 /min (0,2 m 3 /h), son más bajos que los de 1 ft 3 /m (2 m 3 /h), los contadores portátiles son útiles para la mayoría de las mismas aplicaciones. Sin embargo, pueden requerirse tiempos de muestreo más prolongados al realizar pruebas y certificaciones en salas blancas. (Los contadores portátiles no se recomiendan para salas blancas). La mayoría de los contadores de partículas portátiles tienen sondas de muestreo isocinético de montaje directo. Se puede utilizar una sonda dentada en un trozo corto de tubo de muestra, pero se recomienda que la longitud del tubo no supere los 6 pies (1,8 m), debido a la pérdida de partículas más grandes en el tubo de muestra.
Los contadores de partículas se utilizan en aplicaciones en las que se requiere un control de la contaminación en la fabricación. Algunos ejemplos de estas industrias son: fabricación de semiconductores; fabricación y ensamblaje de componentes electrónicos; fabricación y ensamblaje de fotónica y óptica; aeroespacial; producción farmacéutica y biotecnológica; fabricación de dispositivos médicos; producción de cosméticos; y producción de alimentos y bebidas. También se utilizan en aplicaciones industriales como petróleo y gas, fluidos hidráulicos y ensamblaje y pintura de automóviles.
Un uso principal de los contadores de partículas de aerosol es la determinación de los niveles de contaminación dentro de una sala limpia o un dispositivo de contención limpio. Las salas limpias y los dispositivos de contención limpios mantienen niveles bajos de aire libre de partículas mediante el uso de filtros y se clasifican según la cantidad de partículas permitidas; la norma principal para salas limpias o dispositivos de aire limpio es la ISO 14644-1, aunque también pueden existir otras normas locales como la FED-STD-209E.
La fabricación y el montaje de productos electrónicos requieren controles ambientales estrictos, especialmente cuando los procesos se realizan en condiciones reactivas. Los rendimientos se reducen cuando los componentes están contaminados con partículas y oligoelementos. Los contadores de partículas demuestran que estos controles son eficaces y que los entornos de producción están optimizados para la calidad requerida.
Dependiendo de la aplicación y el tamaño de las partículas de interés, se requiere diferente instrumentación.
El control de partículas en el aire es necesario para garantizar que el entorno de fabricación esté libre de niveles de contaminación que puedan causar defectos. Se realiza en todas las áreas de la sala limpia (salas de baile, bahías y pasillos) o en entornos locales controlados específicos (herramientas y minientornos).
Cuando se deben monitorear áreas grandes, se puede utilizar un colector, un dispositivo que se utiliza para conectar muchas ubicaciones de muestra a través de longitudes de tubos de muestra, a un dispositivo de pasos central y un contador de partículas central, que se moverá secuencialmente entre las ubicaciones de los tubos tomando una lectura de cada ubicación. Los espacios más pequeños se pueden monitorear utilizando pequeños sensores de partículas de punto de uso, que están dedicados al muestreo en una sola ubicación y dependen de un suministro de vacío central o una bomba de muestra interna. El tamaño de las partículas contaminantes y la frecuencia de medición son factores para determinar qué método es el más adecuado.
Hay dos aplicaciones líquidas principales en los procesos de fabricación de productos electrónicos: productos químicos para el proceso de fabricación y agua ultralimpia para limpieza y enjuague.
Los productos químicos de proceso se utilizan en semiconductores y otros pasos críticos de procesamiento de productos (grabado químico, eliminación de máscaras y pulido químico mecánico). El monitoreo de partículas en productos químicos de proceso, desde la fabricación hasta el punto de uso, es extremadamente importante para controlar estos procesos limpios y garantizar la calidad del rendimiento y la productividad. El uso del monitoreo continuo de partículas en línea permite que tanto los ingenieros de procesos como los ingenieros de instalaciones respondan rápidamente a los cambios en los niveles de pureza química durante todo el proceso de distribución de productos químicos.
El agua ultrapura (UPW) o agua DI se utiliza para los pasos críticos de limpieza y enjuague. Los procesos de UPW deben mantener niveles de concentración de partículas muy bajos, que se miden normalmente a un nivel de 20 nm. El UPW también se utiliza habitualmente para los pasos de dilución y enjuague de productos químicos en los sistemas de mezcla y distribución de productos químicos. El uso de la monitorización continua de partículas en línea, ya sea en el paso final de purificación del agua o en el punto de uso de las obleas, proporciona a los ingenieros de procesos los datos críticos de partículas necesarios para gestionar eficazmente los procesos de purificación del agua y limpieza de las obleas.
Sistemas de gas . Los gases de alta pureza son fundamentales para la fabricación avanzada de componentes. Los productos como los circuitos integrados requieren muchos gases de proceso para: grabado, deposición, oxidación, dopaje y aplicaciones de recubrimiento inerte. Las impurezas en estas corrientes de gas pueden generar fallas en procesos críticos e impactar en el rendimiento y la productividad. Los gases explosivos o peligrosos se prueban a presión utilizando contadores de partículas contenidos dentro de un recinto presurizado con gas inerte. Los gases no reactivos se pueden despresurizar utilizando un dispositivo de difusión de gas de trayectoria limpia y probarse utilizando un contador de partículas portátil.
Las aplicaciones de las ciencias de la vida incluyen industrias como la fabricación de productos farmacéuticos, la fabricación de biotecnología, las instalaciones de preparación de compuestos, los dispositivos médicos, los nutracéuticos y el procesamiento de alimentos; son aquellas industrias que crean productos para mejorar la vida de los organismos vivos. Los entornos de fabricación deben eliminar o reducir los contaminantes para minimizar el riesgo de contaminación del producto terminado, lo que puede provocar reacciones químicas dentro del producto o una calidad no deseada del producto.
La industria está controlada por el gobierno para la formulación, fabricación y liberación de todos los productos, y se establecen y monitorean controles para asegurar que la producción se mantenga de acuerdo con los criterios de calidad acordados. Las Buenas Prácticas de Manufactura (BPM) garantizan que el producto se fabrique de acuerdo con estándares nacionales e internacionales por parte de organizaciones como la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA), la Agencia Europea de Medicamentos (EMA) y la Organización Mundial de la Salud (OMS). Otros organismos gubernamentales nacionales también regulan la fabricación de productos para sus países.
Los entornos para la fabricación de productos farmacéuticos requieren el uso de controles para garantizar que la carga total de partículas y aerosoles microbianos se mantenga en niveles adecuados para reducir el riesgo de contaminación del producto. El diseño ambiental considera la contaminación en varios pasos del proceso, incluidos: purificación de la materia prima, formulación del producto, llenado final y envasado. Dependiendo del tipo de producto que se fabrique, el nivel de espacio limpio y controlado se determina inicialmente utilizando los estándares de clasificación de salas blancas; cuanto mayor sea el riesgo de contaminación, más limpio estará el entorno; por ejemplo, el llenado aséptico se realiza en un entorno controlado ISO 5, mientras que el producto esterilizado terminalmente se termina en un área ISO 7 (antes de la esterilización final).
La clasificación de riesgo también contribuye al tipo de instrumento utilizado. El monitoreo general periódico utiliza equipo portátil, que se traslada de un lugar a otro según lo determine una evaluación de riesgo. Para la producción más crítica en cuanto al riesgo, estos se realizan en una máquina que aísla el entorno general del entorno del proceso; la eliminación del personal del área directa mediante aisladores o RABS aumenta la confianza en el control; estas máquinas se monitorean continuamente mediante instrumentos de punto de muestra que brindan retroalimentación continua sobre la calidad del entorno y cualquier evento de contaminación en tiempo real. La principal preocupación por la contaminación es el riesgo de efectos adversos para el usuario final; una demostración resultante de control es un aumento en la producción. Los entornos generales también se monitorean para detectar contaminantes microbianos mediante técnicas tradicionales, como placas de sedimentación y muestreadores de aire volumétricos.
Los sistemas líquidos se utilizan principalmente en un laboratorio para demostrar la ausencia de partículas en productos líquidos terminados. Cualquier partícula presente puede ser un contaminante o aglomeraciones no deseadas de producto insoluble. Los líquidos para inyección tienen límites regulados para concentraciones máximas de partículas; las normas contenidas en la Farmacopea de los Estados Unidos (USP), la Farmacopea Europea (EP) y la Farmacopea Japonesa (JP) definen estos límites.
Los gases comprimidos utilizados en la formulación, el transporte y la superposición deben cumplir con los mismos estándares de cumplimiento de las BPM que todos los gases de calidad ambiental y deben probarse en el punto de uso. Los contadores de partículas equipados con dispositivos de difusión de presión de gas reducen la presión de la línea a la atmosférica sin afectar la trayectoria del flujo de partículas dentro de la corriente de aire; luego, el gas se prueba a presión atmosférica.
Otras industrias también utilizan contadores de partículas para demostrar la limpieza de los entornos de fabricación o la calidad del producto terminado. Estos métodos se combinan para reducir los procesos de limpieza adicionales.
Pintar automóviles en entornos limpios reduce la necesidad de rehacer los defectos en los acabados de pintura. Los contadores de partículas ubicados dentro de las áreas limpias brindan información continua a los ingenieros de calidad, lo que garantiza que se mantengan las condiciones de limpieza. Los motores construidos con tolerancias exactas se limpian y ensamblan en áreas limpias, utilizando agentes de limpieza verificados mediante contadores de partículas.
Los fluidos y aceites hidráulicos deben cumplir con las normas ISO 4406 específicas. La aplicación de los fluidos hidráulicos varía desde la refrigeración y lubricación de turbinas y aeroespacial hasta la maquinaria pesada. La acumulación y presencia de partículas puede provocar fallas en cojinetes, bombas y sellos.
El agua es un producto universal con un número ilimitado de aplicaciones y puede contaminarse debido a interacciones intencionales con procesos o variaciones no intencionales y estacionales. El monitoreo de la calidad del agua mediante contadores de partículas, ya sea mediante controles puntuales en un lugar de muestreo o mediante el monitoreo continuo de un sistema de distribución, permite a los ingenieros de calidad reaccionar a los cambios en los procesos en los que se utiliza el agua.
Los contadores de partículas se utilizan para determinar las tasas de filtración, los requisitos de adición de productos químicos, los intervalos de descarga, la información de sedimentación, los caudales de enfriamiento y otras variables del proceso que permiten una retroalimentación continua, asegurando una calidad de agua constante para un proceso.
Las partículas en suspensión se encuentran en concentraciones que pueden ser perjudiciales para la salud y se ha demostrado que son un factor desencadenante de muchas enfermedades transmitidas por el aire, como el asma. Entre los tipos de partículas atmosféricas se incluyen las partículas suspendidas, las partículas torácicas y respirables, las partículas gruesas inhalables, denominadas PM10, que son partículas gruesas con un diámetro de 10 micrómetros (μm) o menos; las partículas finas, denominadas PM2.5, con un diámetro de 2,5 μm o menos; las partículas ultrafinas y el hollín.
Los contadores de partículas se utilizan para controlar los niveles de contaminación atmosférica de estas partículas en suspensión, lo que permite reducir las partículas asociadas a una fuente específica (por ejemplo, la combustión) o tecnología (por ejemplo, la generación de energía). La modelización de los datos de partículas a partir de contadores de partículas distribuidos globalmente proporciona información sobre las tendencias del estado de la calidad del aire y su migración.