Introducción

En este documento se describen varios fundamentos del conteo de partículas en líquidos. Comienza proporcionando ejemplos provenientes de las industrias que en la actualidad utilizan contadores de partículas y sugiere cómo éstos se pueden emplear en otras áreas. También se explican aquí las ventajas de utilizar un contador óptico de partículas (OPC) y las consideraciones sobre factores como el volumen de muestra y la sensibilidad.

Ventajas del monitoreo

La razón obvia para monitorear los líquidos que se emplean en la fabricación de productos es de alguna forma reducir el costo y aumentar la producción. En muchos casos, los métodos para conseguirlo son sencillos, si bien algunas industrias optan por métodos en los que predomina el empleo intensivo de mano de obra, o esperan hasta que el producto haya sido totalmente envasado antes de realizar un análisis final de control de calidad sobre el nivel de limpieza.

Aprendiendo de la industria

Es mucho lo que se puede aprender de muchas industrias cuando se analizan las mejores prácticas empleadas en otras industrias que sí confían en un proceso de fabricación limpio. Por ejemplo, hace muchos años los fabricantes de semiconductores aprendieron que se podía hacer un ahorro significativo en la fábrica utilizando contadores de partículas que ayudaran a determinar la frecuencia en el recambio de filtros. Inevitablemente, la especificación de caída de presión se estableció de modo significativo en el lado conservador debido al riesgo extremo de equivocarse.

Sin embargo, al emplear una combinación apropiada de contadores de partículas y otros monitores electrónicos para conseguir una imagen clara de la calidad de los líquidos, los industriales descubrieron que los filtros no requerían recambio hasta dos y tres veces su frecuencia original. Dado el costo de los filtros, el rendimiento de la inversión (ROI) en el equipo de monitoreo puede reducirse tanto como a un año. Actualmente, la industria farmacéutica continúa utilizando el método de caída de filtro para el recambio de filtros y prefiere hacer una inspección de la calidad dentro del sistema, inmediatamente antes de que el producto sea despachado.

Las empresas de almacenamiento de datos fueron empujadas a competir en márgenes de un solo dígito, al tiempo que producían algunas de las mejoras más impresionantes en lo que se refiere a capacidad de memoria. En el proceso, han obligado al desarrollo de sistemas de limpieza de filtrado recirculante y continuo de relativo bajo costo con los cuales garantizan que los componentes que entran a una unidad de disco tengan sólo unas pocas partículas por centímetro cuadrado mayores que 0,2 micrones. En muchos casos, la limpieza es automatizada y forma parte de la herramienta de limpieza. La industria del automóvil continúa utilizando baños de limpieza estática en muchos casos. Algunos han informado que la limpieza es inútil puesto que las piezas están más contaminadas después del baño que cuando entraron. La garantía de calidad se establece por la inspección visual o el análisis gravimétrico de los residuos eliminados de una pieza por medio de extracción del aerosol y recolección en un parche de filtrado.

A la hora de considerar las ventajas de cambiar a un sistema de monitoreo de partículas automatizado, se debe mirar más allá del costo inicial del equipo y evaluar todas las formas en las que el instrumento se puede utilizar para ahorrar dinero. Hace varios años, una fábrica de semiconductores más grandes adquirió algunos muestreadores de compresión por lotes. Estos muestreadores fueron asignados a dos salas blancas distintas dirigidas por diferentes gerentes. Uno de los gerentes empleó el muestreador casi exclusivamente para optimizar la selección de filtros para cada proceso. El otro gerente incorporó el muestreador al equipo de procesamiento y monitoreó toda anomalía que podía presentarse en los procesos. Ambos informaron que el equipo se pagó solo antes de los seis meses. La información aprendida fue compartida por toda la empresa y así se pudo ahorrar una gran cantidad de dinero que anteriormente se gastaba innecesariamente.

Figura 2: Muestreador de compresión - Descargue el pdf para todos los cuadros y figuras

Fundamentos de la medición

Una de las preguntas que surge con frecuencia es, "¿En qué se diferencian los contadores ópticos de partículas con otros métodos?" La respuesta es, "depende." Por ejemplo, consideremos las distintas formas de medir una partícula en forma visual. Las partículas de ocurrencia más natural tienen formas irregulares. ¿Entonces cómo clasifica el tamaño?

Con relación a la figura 3, ¿es esa la dimensión mas larga? ¿La dimensión más larga en uno de los ejes? ¿Debería ser tal vez el área equivalente? Cuando se examinan casi todas las partículas, cada uno de los diferentes métodos dará una respuesta ligeramente diferente. Los contadores ópticos de partículas (comúnmente conocidos como OPC) funcionan basándose en uno de dos principios: miden ya sea la cantidad de luz que la partícula obstruye mientras pasa por la fuente de luz direccional de una densidad de energía conocida (ensayo de opacidad) o miden la cantidad de luz que se dispersa desde la fuente de luz direccional (dispersión de luz). El resultado se compara con la cantidad de luz (por opacidad o dispersión respectivamente) mediante una partícula de calibración de tamaño y formas conocidos, generalmente, esferas de látex de poliestireno (PSL). En otras palabras, un contador óptico de partículas informará las partículas naturales como el equivalente óptico en diámetro de una PSL suspendida en agua.

Figura 3: Medición del tamaño de partícula

Mientras que tal vez esto sea el resultado de una ligera diferencia en la medición obtenida por otros métodos, la repetición de esta medida resulta altamente fiable. Combinado con el uso relativamente fácil, la menor intensidad en el empleo de mano de obra y los beneficios se considera en general que pueden ser significativos.

Hay algunas consideraciones que deberían hacerse para implementar un programa de monitoreo utilizando OPC. Cuando se monitorea en línea, se debe tener cuidado de eliminar toda fuente de partículas que se derramen en forma ascendente del contador de partículas. Las válvulas que se emplean para aislar el OPC cuando no se utiliza en determinado lugar deberían abrirse totalmente durante el monitoreo. El control de flujo se debe hacer en forma descendente desde el OPC.

Cuando las válvulas están abiertas parcialmente se contribuye al conteo de partículas de dos maneras:

primero, atrapan y liberan partículas en forma continua en el tiempo, con el resultado de que aparezcan conteos de partículas elevados. La mayoría de las válvulas presenta más área de superficie al torrente de flujo cuando está abierta en forma parcial. Los aumentos bruscos de la presión causada por el funcionamiento de otras válvulas en el sistema harán que se descarguen más partículas de la mayor área de superficie.

Segundo, según hasta dónde se ha abierto la válvula, se puede producir una caída de presión que produzca la formación de burbujas en el torrente de la muestra. Por lo regular, los OPC no pueden distinguir una burbuja de una partícula y así los datos aparentarán contener más partículas de lo que en realidad es.

Cuando se realizan las operaciones de muestreo, es importante dejar suficiente tiempo para que el aparato de muestro se limpie. El funcionamiento correcto del equipo es esencial. El cumplimiento de las instrucciones del fabricante garantizan en general la comprobación rápida y sencilla con este tipo de equipo.

Volumen de muestra contra sensibilidad

Cuando seleccione un contador de partículas, el valor del total de partículas contadas por unidad de tiempo no puede ser más destacado. Particle Measuring Systems ha elaborado varios documentos técnicos para explicar las razones por las que la incidencia estadística es importante, es por eso que resulta innecesario repetirlas en el presente documento. En general, debe saberse que a medida que los contadores de partículas se acercan a los límites de la tecnología, el volumen de líquido evaluado por el instrumento será menor al 100% de la medida de caudal. Algunos fabricantes de contadores de partículas no publican esta diferencia en sus especificaciones, por lo tanto es importante preguntarse, "¿Qué es el volumen de muestra?"

Figura 4: Contador de partículas con alta sensibilidad y medida de caudal elevada

Si la aplicación que interesa requiere alta sensibilidad (capacidad de detectar partículas muy pequeñas) en un líquido muy limpio, se debe evaluar el tiempo que se necesita para contar una cantidad mínima de partículas. En muchas aplicaciones de pureza extrema, ese tiempo tal vez implique varias horas. Desgraciadamente, el intervalo de muestra de esa extensión no permitirá al operador detectar anomalías momentáneas de corta duración. Si la capacidad para detectar esas anomalías es importante, debería considerarse la posibilidad de sacrificar la sensibilidad por un contador de partículas con mayor volumen de muestra. Debería ser fácil entender que las anomalías de proceso no generan sólo partículas de un solo tamaño, sino por el contrario un aumento en partículas proporcionalmente de todo tamaño. Por lo tanto, un contador de partículas menos sensible podrá detectar la anomalía e informarla cuando ésta ocurra puesto que se puede configurar con un intervalo de muestra de sólo unos minutos.

Conclusión

Los contadores ópticos de partículas se emplean en muchas industrias. No obstante, no se utilizan para aprovechar el máximo de sus ventajas en todas partes. La evaluación del rendimiento industrial podría ayudar a muchas empresas que estén ingresando al entorno de fabricación ultra limpio a hacer adelantos significativos.

Mientras que hay diferencias entre los OPC y las técnicas de medición visual, éstas no son de importancia y la naturaleza altamente respetable de los OPC los convierte en la herramienta preferida de los operadores.

Finalmente, se debe tener en cuenta la cantidad de partículas que se cuenta en el intervalo de muestra deseado. Si esa cantidad no es suficiente para la importancia estadística, la mejor opción es con frecuencia un contador de partículas menos sensible con mayor volumen de muestra.

Autor

Dwight Beal
Particle Measuring Systems
Dwight Beal es gerente de la línea de productos líquidos en Particle Measuring Systems. Posee más de 25 años de experiencia en el campo del conteo de partículas, en las áreas de ingeniería de aplicaciones y servicio.

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