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  • 11. Juli 2011

    Verfahren zur Partikel Messung

    Die Verfahrenstechnik zur Partikel Messung bietet vielfältige Möglichkeiten, um noch so feinen Mikropartikeln auf die Spur zu kommen! Doch welche Verfahren kommen zur Anwendung und was genau steckt hinter den einzelnen Messverfahren?

    Übersicht Verfahren Partikel Messung

    Verfahren zur Partikel Messung von Mikropartikeln (Foto: Nicolas Loran / istockphoto.com)

    Verunreinigungen können sich derart konsistent in oder auf Produkten einlagern, dass es neben optischen Beeinträchtigungen auch zu Funktionsbeeinträchtigungen kommt. Kein Unternehmen kann sich derartige Qualitätseinbußen erlauben. Eine geringere Produktions-Ausbeute und entsprechend viel Ausschussware können die weitreichenden Folgen sein. Schließlich schmälert die Erhöhung der Produktionskosten auch den Umsatz und die Gewinne des Unternehmens.

    Partikel Messung genießt hohen Stellenwert

    Kein Wunder, dass der technischen Sauberkeit und der Reinraumtechnik und explizit speziellen Verfahren der Partikel Messung ein großer Stellenwert zugemessen wird. Die Reinheit von Produkten bemisst sich allerdings nicht an der Sauberkeit der Luft. Sie definiert sich vielmehr über die Reinheit der Oberflächen der Produkte. Im Wesentlichen geht es auch nicht um organische und anorganische Makropartikel, also sichtbare Festkörper wie etwa Splitter oder Hautschuppen. Im Mittelpunkt stehen vielmehr Mikro- bzw. Nanopartikel wie Aerosole, Ruße, Stäube, Viren, Bakterien und vieles mehr.

    Feinste Mikropartikel führen zu weitreichenden Folgen

    Zur Klasse „Mikropartikel“ zählen kleinste Teilchen mit einem Durchmesser unter einem Millimeter. Die Maßeinheit wird daher in Mikrometern (µm) festgelegt. Mikrofeine Schmutzpartikel sind also mit dem bloßen Auge nicht erkennbar. Im Rahmen der technischen Sauberkeit und der Reinraumtechnik wird mit ganz unterschiedlichen Verfahren der Partikel Messung gearbeitet, um auch noch so kleinste Festkörper aufzuspüren und klassifizieren zu können. Dabei wird u. a. auch das Problem der elektrostatischen Aufladung fokussiert. Sie zieht Verunreinigungen geradezu magnetisch an und dies in vielerlei Formen. So können Verunreinigungen auftreten, die mit den unterschiedlichsten Verfahren zur Partikel Messung analysiert werden müssen.

    Qualifiziert und quantifiziert werden unter anderem:

    • Wasser
    • Gas
    • Druckluft
    • Ausgasungen
    • Abrieb
    • Hausstaub
    • Straßenstaub
    • Schimmelpilze
    • Viren
    • Bakterien
    • Luft im Produktionsraum

    Partikel Messung in vielen Bereichen notwendig

    Verfahren zur Partikel Messung tangieren eine Vielzahl wissenschaftlicher, forschender und produzierender Bereiche. Hierzu zählen die naturwissenschaftlichen Disziplinen wie etwa Physik, Chemie und Biologie ebenso, wie Pharmazie, Technik, kriminologische Analytik und der breite Zweig der verarbeitenden Industrie. So vielfältig die Anwendungsbereiche mit ihren ganz unterschiedlichen Partikel-Problematiken sind, so differenziert sind auch die jeweiligen Verfahren zur Partikel Messung. Sie stehen in einem direkten Zusammenhang mit dem jeweiligen Medium.

    Überträger der Partikel sind unter anderem:

    • Luft
    • Flüssigkeit (z.B. Öl)
    • Oberflächen

    Maßgeschneiderte Verfahren zur Partikel Messung

    Spezialisten in Sachen Verfahrenstechnik zur Partikel Messung bieten vielfältige Möglichkeiten, um Mikropartikeln auf die Spur zu kommen. Ein ganz eigener Unternehmenszweig bemüht sich im Bereich der technischen Sauberkeit und der Reinraumtechnik um solche hoch qualifizierten Analysen. Aufgrund der großen Nachfragen zur Partikel Messung wächst das Angebot an Spezialisten und spezialisierten Unternehmen kontinuierlich. Die entsprechenden Verfahren werden zudem ständig verfeinert und entsprechen dem neuesten Entwicklungsstand. Experten im Bereich Partikel Messung bieten unter anderem die folgenden Messverfahren an, die als Partikelzähler zumeist auch weitergehende Funktionen bieten. Sie werden den individuellen Fragestellungen und Anforderungen des jeweiligen Unternehmens angepasst.

    Verfahren zur Partikel Messung

    Gravimetrie: Messung der Masse, Öl-Analysen

    Mikroskopie: Optische Partikelmessung, Oberflächen-Analyse, Flüssigkeiten, Luft

    Oberflächenmagnetismus: Hall Sonde

    In-Line-Partikelzählung: Größenmessung

    Verfahren Partikel Messung: Gravimetrie

    Die Gravimetrie ermöglicht die Messung der Schwere im Sinne des Gewichts der Partikel. Zum Einsatz kommt ein solches Verfahren häufig, um eine Restschmutzanalyse durchzuführen. Anwendungsgebiete finden sich überwiegend im Bereich der Emissionskontrolle. Messungen von Feinstaub zählen hierbei zu den vornehmlichen Aufgaben. Dabei kommt es darauf an, dass Messungen präzise mit einer Ablesbarkeit bis 0,1 µg (Mikrogramm) durchgeführt werden können.

    Zum Einsatz für gravimetrische Messverfahren zur gleichzeitigen Bestimmung von Masse, Dichte und Temperatur können beispielsweise das Coriolis- Massen-Durchflussgerät oder aber das Wheatstone-Brücken-Massendurchflussgerät kommen.

    Doch auch die Analyse von löslichen Restfetten und Ölen, wie sie beispielswiese bei Bauteilen vorzufinden sind, zählt zum Bereich der gravimetrischen und/oder mikroskopischen Untersuchungen. Sie findet häufig in der Fahrzeug- und Kraftstoff-Branche, aber auch in der Kühlsystem-Branche Anwendung. Einzelne Produktionsteile können an ihren Oberflächen ölige Substanzen aufweisen, die zu Beeinträchtigungen führen können. Verdampferanalysen helfen, solchen Verunreinigungen auf die Spur zu kommen.

    Verfahren Partikel Messung: Mikroskopie

    Zu den Verfahren der Partikel Messung im optischen Bereich gibt es verschiedene Lösungsansätze. Zu den wichtigsten zählen:

    Optische Partikel Messung

    Bei der optischen Partikel Messung wird das Streulicht von Partikeln als Messgröße zugrunde gelegt. So kann die Projektionsfläche analysiert und die Partikelgröße berechnet werden. Eine optische Partikel Messung für sich allein zählt zu den indirekten Messtechniken, da hier lediglich der Parameter „Streulicht“ zum Ansatz kommt. Daher werden in der Reinraumtechnik in Hinblick auf Verfahren zur Feststellung der Luftqualitäten optische Partikelzähler in Kombination mit Kondensationskernzählern eingesetzt. In dieser Zusammenstellung können Partikel ausgezählt und zusätzlich nach ihrer Größe klassifiziert werden.

    Oberflächen-Analyse

    Eine Partikelmessung der Oberflächen wird nur möglich, wenn Teilchen von der Oberfläche eines Produkts abgelöst werden. Im Anschluss daran lassen sich anhand verschiedener Verfahren Partikel Messungen vornehmen. Eine Möglichkeit besteht in der Analyse mittels Partikelniederschlagsphotometer. Hierbei werden speziell präparierte Petri-Schalen auf die zu messenden Oberflächen verbracht. Nach einigen Tagen lassen sich die Partikel auf den Petrischalen mikroskopisch untersuchen.

    Eine andere Möglichkeit besteht darin, mittels Oberflächenpartikelzähler zu analysieren. Solche Analysen finden zumeist in der Halbleiterindustrie statt. Die Untersuchung ähnelt der Streulichtpartikelmessung, die wir unter dem Punkt „Optische Partikelmessung“ bereits angesprochen haben. Hauptbestandteil dieser Untersuchung ist die Oberflächenanalyse von Wafern. Wafer sind runde oder quadratische Scheiben, die nur etwa einen Millimeter dick sind. Mittels Laserstrahl, der über den Wafer geführt wird, entsteht rückreflektierendes Streulicht, das in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und dann von einem Computer mittels Abgleich mit den zuvor abgespeicherten Referenzwerten verglichen wird.

    Analyse der Flüssigkeiten

    Zur Analyse von Partikeln in Flüssigkeiten kommt ein Nephelometer zur Anwendung. Dabei wird die Flüssigkeit, die kleinste Partikel enthält, einer Lichteinstrahlung ausgesetzt. Ein Teil dieses Lichts wird nun absorbiert und ein weiterer Teil streut in seitliche Richtungen aus. Es entsteht der sogenannte Tyndall-Effekt, der Abmessungen ähnlich der Lichtwellenlänge ermöglicht.

    Partikelmessung Luft

    Verfahren zur Partikel Messung der Luft erfassen Staubteilchen von etwa 0,1 bis zu 50 Mikrometern (µm). Solche Untersuchungen werden von Laboratorien durchgeführt, die sich entsprechend spezialisiert haben. Um exakte Werte ermitteln zu können, muss eine ordnungsgemäße Entnahme der Probe sowie ein spezieller Transport gewährleistet sein. Die Untersuchung findet vor Ort im Labor statt, da die exakte Kalibrierung der Geräte gesichert sein muss.

    Verfahren Partikel Messung: Oberflächenmagnetismus

    Bei diesem Verfahren lassen sich mittels „Hall-Sonde“ Messungen des Oberflächenmagnetismus bestimmen. Dabei ermittelt diese Spezialsonde die Anordnung zweier Magnet-Pole sowie die Stärke der Magnetfelder. Das Prinzip funktioniert recht einfach: Die unter Strom stehende Hall-Sonde wird senkrecht in das Magnetfeld verbracht. Ihre Ursprungsgröße erhält eine Spannung, die sich proportional zur magnetischen Feldstärke und zum Strom bewegt. So lässt sich bei bekanntem Strom das Magnetfeld präzise erfassen.

    Verfahren Partikel Messung: In-Line Partikelzählung

    Die in-Line Partikelzählung folgt der modernen Lasertechnik und misst die Größe der Partikel. Eine solche sogenannte Laserbeugung ist heute das Verfahren der Wahl, während früher nur off-Line Systeme möglich waren. Damals konnten nur stark verdünnte Proben zur Analyse kommen. Somit war es auch nur möglich, die Partikelgrößen off-Line zu bestimmen. Die Folgen waren immens und drückten sich in Werten aus, die veränderte Partikelgrößen suggerierten. So wurde es besonders bei dieser Methode wichtig, Proben in hoch konzentrierter Form zur Analyse zu bringen. Solche in-Line Methoden sind heute gängige Praxis.

    Die modernen in-Line Untersuchungen werden auch als „in process“ oder „in situ“ bezeichnet, da es sich hierbei um den direkt möglichsten Weg einer Messung überhaupt handelt. Messdynamik, eine zusätzliche Erfassung weiterer Parameter sowie Messungen in Echtzeit erweitern die Anwendungsmöglichkeiten. Betriebe und Unternehmen können so wesentlich schneller auf Größenänderungen reagieren. Spezialisierte Unternehmen bieten in-Line Methoden an, die unterschiedlich arbeiten. So gibt es Analysen, die mathematische Partikel-Modelle zugrunde legen. Andere analysieren die jeweiligen Partikel direkt anhand von Längen-Attributen.

    Fazit:

    Produktionsunternehmen müssen Qualitätsverluste durch Partikelverunreinigungen in keinem Fall hinnehmen. Ihnen stehen Spezialisten zur Verfügung, die mittels modernster Verfahren zur Partikel Messung praktisch jedes kleinste Defizit aufdecken. Reinraumtechnik und Verfahren zur Partikel Messung sollten heute in jedem produzierenden Betrieb wie selbstverständlich integriert sein. Eine Investition in die Zukunft, die sich lohnt: Unternehmen sparen nicht nur an kostenintensiven Produktionsausschüssen, sondern halten versprochene Qualitätsmaßstäbe verlässlich ein. Damit wird der gute Ruf des Unternehmens, der als tragende Säule zu den wichtigsten Merkmalen eines Unternehmens zählt, dauerhaft stabilisiert.

    Literaturhinweise

    TU Braunschweig – Institut für Partikeltechnik:
    Mikroskopie und Partikelmessung im Mikro- und Nanometerbereich
    Prof. Dr.-Ing. Arno Kwade und Dr.-Ing. Ingo Kampen (Lehrveranstaltung )
    +++++++++
    Uni Duisburg-Essen:
    Funktionsweise optische Partikelzähler
    +++++++++
    Uni Duisburg-Essen:
    Konzeption und Realisierung eines in-situ- oder on-Line Messverfahren zur Partikeldetektion auf tansparenten Oberflächen
    Dirk Semleit
    +++++++++
    Uni Freiburg – Institut für Mikrosystemtechnik:
    Reinraumlaborkurs
    +++++++++
    Volkswagen AG, Wolfsburg:
    Partikelemission und -messung aus Sicht des Anwenders: heute und morgen
    Dr rer.nat. Olaf Bechmann, Dr.Ing. Stefan Carli, Werner Engeler, Dr.rer.nat. Thomas Garbe,
    Dipl.Chem. Gerhard Lach, Lisa Ryan (M.S.), Dr.rer.nat. Klaus-Peter Schindler


    Verfasst von Ursula Pidun

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