Đơn vị trong phép đếm hạt: CFM, LPM, hạt/m³ và những chỗ đọc nhầm

Hai kỹ sư nhìn cùng một bảng số đếm hạt và rút ra hai kết luận trái ngược nhau — chuyện đó xảy ra thường xuyên hơn nhiều so với tưởng tượng, và nguyên nhân hiếm khi là thiết bị. Nó nằm ở đơn vị: một bên đọc lưu lượng theo CFM, bên kia theo lít trên phút; một bên đọc nồng độ trên mét khối, bên kia trên foot khối; một bên đọc số cộng dồn, bên kia đọc số theo khoảng cỡ. Bài viết dựng lại toàn bộ hệ đơn vị trong phép đếm hạt phòng sạch, các phép quy đổi phải thuộc, và bảy chỗ mà số liệu hay bị đọc lệch khi so máy với máy hoặc so báo cáo với báo cáo.

Vì sao sai đơn vị là loại sai khó phát hiện nhất

Một cảm biến hỏng thì cho số vô lý và ai cũng thấy. Một phép đổi đơn vị sai thì cho số rất hợp lý — chỉ lệch đi một hệ số cố định — nên nó đi thẳng vào báo cáo, vào hồ sơ nghiệm thu và vào quyết định mua sắm mà không ai chặn lại.

Ba tình huống hay gặp nhất trong thực tế nhà máy tại Việt Nam:

• So hai máy của hai hãng khi một hãng công bố lưu lượng theo CFM còn hãng kia theo lít trên phút, dẫn tới kết luận sai về việc máy nào lấy mẫu nhanh hơn.
• So báo cáo cũ với báo cáo mới khi báo cáo cũ dùng nồng độ trên foot khối theo thói quen của hệ tiêu chuẩn Mỹ đã bị huỷ bỏ, còn báo cáo mới dùng trên mét khối theo ISO 14644-1.
• Đọc bảng kết quả của máy mà không để ý máy đang xuất số cộng dồn hay số theo khoảng cỡ hạt — hai cách trình bày cho hai bảng số hoàn toàn khác nhau từ cùng một phép đo.

Cả ba đều không phải lỗi thiết bị. Chúng là lỗi đọc, và cách chặn duy nhất là quy ước đơn vị rõ ràng ngay trong biểu mẫu báo cáo.

Lưu lượng: CFM và LPM là một thứ viết hai kiểu

Lưu lượng là thể tích khí máy hút qua buồng quang trong một đơn vị thời gian. Ngành đo hạt dùng song song hai đơn vị: CFM (cubic feet per minute — foot khối trên phút) theo truyền thống Bắc Mỹ, và LPM hoặc L/phút theo hệ mét.

Phép đổi duy nhất cần nhớ: 1 foot khối = 28,3168 lít. Từ đó ra bảng quy đổi của các mức lưu lượng thông dụng:

Lưu lượng theo CFM	Theo lít/phút	Cách gọi quen thuộc	Loại máy thường gặp
0,1 CFM	2,83 L/phút	“máy 2,8 lít”	Cảm biến cố định, máy cầm tay nhỏ
1,0 CFM	28,3 L/phút	“máy 28,3 lít” hoặc “một CFM”	Máy xách tay tiêu chuẩn
1,77 CFM	50 L/phút	“máy 50 lít”	Máy xách tay lưu lượng trung bình
3,53 CFM	100 L/phút	“máy 100 lít”	Máy xách tay lưu lượng cao

Điểm cần chú ý ở bảng trên: các mức 50 và 100 L/phút là con số tròn trong hệ mét nhưng lẻ trong hệ CFM, còn 0,1 và 1,0 CFM thì ngược lại. Nghĩa là không có mức lưu lượng nào tròn ở cả hai hệ, và mỗi hãng chọn hệ nào để đặt tên sản phẩm là tuỳ truyền thống của hãng đó. Đây chính là chỗ sinh ra hiểu nhầm khi đối chiếu bảng thông số.

Về mặt vật lý, lưu lượng không nói gì về độ nhạy. Một máy 100 L/phút không “nhìn thấy” hạt nhỏ hơn máy 28,3 L/phút; nó chỉ hút được nhiều khí hơn trong cùng thời gian, nên đạt thể tích mẫu yêu cầu nhanh hơn. Quan hệ giữa lưu lượng và thời gian lấy mẫu được bàn kỹ trong bài về lưu lượng 28,3 / 50 / 100 LPM và thời gian lấy mẫu.

Con số trong tên model không phải lưu lượng

Đây là hiểu nhầm phổ biến nhất khi đọc catalogue lần đầu. Trong cách đặt tên của Particle Measuring Systems, con số trong tên model mã hoá ngưỡng cỡ hạt nhỏ nhất và đặc tính dòng máy, không phải lưu lượng.

Vài ví dụ để thấy quy luật: máy đếm hạt PMS Lasair III 310C đo từ 0,3 µm ở lưu lượng 28,3 L/phút; PMS Lasair Pro 350 cũng đo từ 0,3 µm nhưng ở 50 L/phút; còn máy đếm hạt cầm tay PMS Handilaz Mini II đo từ 0,2 µm ở 2,83 L/phút. Ba con số đầu tên model đi theo ngưỡng cỡ hạt, còn lưu lượng phải tra riêng trong bảng thông số.

Hệ quả thực tế: không bao giờ suy lưu lượng từ tên model, kể cả khi đã quen với một dòng máy. Khi lập bảng so sánh giữa các hãng, cột lưu lượng phải lấy từ tài liệu kỹ thuật của từng model, và nên ghi cả hai đơn vị trong cùng một ô để người đọc sau không phải tự đổi.

Nồng độ: hạt/m³, hạt/ft³ và hạt/lít

Nồng độ là số hạt trên một đơn vị thể tích khí. ISO 14644-1 phát biểu toàn bộ giới hạn cấp sạch theo số hạt trên mét khối. Hệ tiêu chuẩn liên bang Mỹ trước đây phát biểu theo số hạt trên foot khối — và tên “Class 100”, “Class 1000”, “Class 10000” chính là số hạt từ 0,5 µm trở lên trên mỗi foot khối.

Phép đổi: 1 mét khối = 35,3147 foot khối.

Cấp theo ISO 14644-1	Giới hạn ≥0,5 µm (hạt/m³)	Quy đổi ra hạt/ft³	Tên gọi cũ tương đương
ISO Class 5	3.520	≈ 100	Class 100
ISO Class 6	35.200	≈ 997	Class 1.000
ISO Class 7	352.000	≈ 9.968	Class 10.000
ISO Class 8	3.520.000	≈ 99.675	Class 100.000

Bảng này giải thích vì sao các con số “tròn” của hệ cũ lại thành số lẻ trong hệ ISO: chúng là cùng một mức sạch, chỉ đổi đơn vị thể tích. Khi gặp một báo cáo ghi “Class 10.000” mà không nói theo tiêu chuẩn nào, cần hiểu đó là cách gọi theo hệ đã bị huỷ bỏ và yêu cầu quy về cấp ISO kèm trạng thái chiếm dụng.

Đơn vị thứ ba hay gặp là hạt trên lít, chủ yếu trong ngữ cảnh khí nén và khí công nghệ, vì ở đó nồng độ thấp tới mức đếm trên mét khối cho số quá lớn. Quy đổi đơn giản: 1 m³ = 1.000 lít.

Số cộng dồn và số theo khoảng cỡ

Máy đếm hạt quang học phân loại từng hạt theo cỡ rồi cộng vào các kênh. Có hai cách trình bày kết quả từ cùng một phép đo:

• Cộng dồn — số hạt từ cỡ đó trở lên. Kênh 0,5 µm chứa mọi hạt ≥0,5 µm, kể cả hạt 5 µm.
• Theo khoảng cỡ — số hạt nằm trong khoảng giữa kênh này và kênh kế tiếp. Kênh 0,5 µm chỉ chứa hạt từ 0,5 µm đến dưới 1,0 µm.

ISO 14644-1 phát biểu giới hạn theo cách cộng dồn. Nghĩa là khi đối chiếu kết quả với giới hạn cấp sạch, bảng số phải ở chế độ cộng dồn. Nếu máy đang xuất theo khoảng cỡ mà người đọc lại so thẳng với bảng giới hạn, kết quả sẽ thấp hơn thực tế — một sai lệch luôn nghiêng về phía “đạt”, nên rất nguy hiểm.

Cách kiểm tra nhanh trong ba giây: ở chế độ cộng dồn, số của kênh nhỏ luôn lớn hơn hoặc bằng số của mọi kênh lớn hơn nó. Nếu thấy một kênh lớn có số cao hơn kênh nhỏ liền trước, bảng đang ở chế độ theo khoảng cỡ.

Thể tích mẫu, thời gian đo và lưu lượng

Ba đại lượng này ràng buộc nhau bằng một quan hệ đơn giản: thể tích mẫu = lưu lượng × thời gian. Trong báo cáo, cả ba phải nhất quán; nếu chỉ hai trong ba khớp nhau thì có chỗ đã bị gõ sai.

ISO 14644-1:2015 yêu cầu thể tích mẫu tại mỗi điểm đủ lớn để phát hiện ít nhất 20 hạt nếu nồng độ đúng bằng giới hạn của cấp đang xét, đồng thời không nhỏ hơn 2 lít và thời gian lấy mẫu không dưới 1 phút. Từ yêu cầu 20 hạt suy ra công thức thể tích tối thiểu: lấy 20 chia cho giới hạn cấp (theo hạt/m³) rồi nhân 1.000 để ra lít.

Ví dụ tính. Phân loại ISO Class 5 tại cỡ 0,5 µm, giới hạn 3.520 hạt/m³. Thể tích tối thiểu = 20 ÷ 3.520 × 1.000 ≈ 5,7 lít mỗi điểm. Với máy 28,3 L/phút, thời gian tương ứng chỉ khoảng 12 giây — nhưng quy định thời gian tối thiểu 1 phút vẫn áp dụng, nên thực tế lấy 28,3 lít mỗi điểm. Với cấp sạch hơn, thể tích tối thiểu tăng nhanh và lúc đó lưu lượng lớn mới thực sự rút ngắn được thời gian.

Đây cũng là lý do vì sao lưu lượng cao có giá trị ở phòng sạch cấp cao và diện rộng, còn ở phòng cấp thấp thì gần như không tiết kiệm được thời gian — quy định sàn 1 phút mỗi điểm đã chi phối.

Bên chất lỏng: hạt trên mililít, không phải trên mét khối

Khi chuyển sang đếm hạt trong nước siêu tinh khiết, hoá chất hay dung dịch tiêm, toàn bộ hệ đơn vị đổi khác và không có phép quy đổi trực tiếp nào sang bên khí:

• Nồng độ tính theo số hạt trên mililít hoặc trên lít dung dịch.
• Lưu lượng tính theo mililít trên phút, thường ở mức vài chục tới vài trăm mL/phút tuỳ dòng máy.
• Ngưỡng cỡ hạt lùi sâu hơn nhiều so với bên khí, xuống mức vài chục nanomét ở các ứng dụng nước siêu tinh khiết cho fab.
• Với dược phẩm tiêm, kết quả còn được quy về số hạt trên mỗi vật chứa tuỳ thể tích danh định, chứ không chỉ trên đơn vị thể tích.

Vì vậy đừng bao giờ đặt hai cột “số đếm” của phép đo khí và phép đo lỏng cạnh nhau trong cùng một bảng theo dõi mà không ghi rõ đơn vị của từng cột.

Bảy chỗ cần soi trước khi so hai con số

Hạng mục	Câu hỏi phải trả lời	Hậu quả nếu bỏ qua
Đơn vị lưu lượng	CFM hay L/phút, và đã đổi về cùng hệ chưa	Kết luận sai máy nào lấy mẫu nhanh hơn
Đơn vị nồng độ	Trên m³, trên ft³ hay trên lít	Lệch hệ số 35,3 hoặc 1.000 khi so cấp sạch
Chế độ hiển thị	Cộng dồn hay theo khoảng cỡ	Kết quả thấp giả, luôn nghiêng về phía đạt
Thể tích mẫu	Có khớp với lưu lượng nhân thời gian không	Một trong ba số đã bị gõ sai
Cỡ hạt đối chiếu	So ở cùng kênh cỡ hạt hay khác kênh	So kênh 0,5 µm với kênh 0,3 µm là vô nghĩa
Trạng thái chiếm dụng	Xây xong, nghỉ hay hoạt động	Hai báo cáo không cùng điều kiện, không so được
Phiên bản tiêu chuẩn	ISO 14644-1 bản nào, hay hệ gọi cấp cũ	Cách xử lý dữ liệu và số điểm lấy mẫu khác nhau

Với hệ giám sát liên tục, thêm một chi tiết nữa: cảm biến cố định thường báo số theo chu kỳ đo cố định, ví dụ cảm biến đếm hạt PMS Airnet II 301-4 ghi số theo từng khoảng thời gian đã cấu hình. Khi so số đó với kết quả một phép đo xách tay, phải quy hai bên về cùng thể tích mẫu trước khi so, chứ không so thẳng hai con số hiển thị.