Mỗi giấy hiệu chuẩn của một máy đếm hạt quang học đều có một dòng điều kiện thử nghiệm mà rất ít người đọc: phép hiệu chuẩn được thực hiện trong không khí. Nếu máy đó được đem đi đo trong dòng nitơ của một tủ găng, trong argon của khu vực lắp ráp pin, hay trong khí nén ở áp suất đường ống, thì giấy hiệu chuẩn vẫn còn hiệu lực về mặt hành chính nhưng con số máy trả về đã lệch — và lệch theo một hướng có thể tính trước được. Bài viết giải thích ba cơ chế gây lệch, đưa phép tính cho trường hợp khí trơ thường gặp, và nêu cách xử lý đúng: khi nào cần hệ số hiệu chỉnh, khi nào phải dùng thiết bị chuyên dụng, khi nào chỉ được dùng số đo theo nghĩa tương đối.
Nội dung chính
- Máy đếm hạt đo hai đại lượng, không phải một
- Cơ chế thứ nhất: lưu lượng đo sai vì tính chất khí khác nhau
- Tính thử: cùng một lỗ tới hạn, argon và heli cho lưu lượng nào
- Cơ chế thứ hai: cỡ hạt lệch vì chiết suất môi trường
- Cơ chế thứ ba: mét khối ở áp suất nào
- Cái mà không phép tính nào cứu được: khí thải ra phòng
- Ba cách xử lý và giới hạn của từng cách
- Câu hỏi thường gặp
Máy đếm hạt đo hai đại lượng, không phải một
Kết quả cuối cùng của một phép đếm hạt là một nồng độ: số hạt trên một đơn vị thể tích. Để có con số đó, máy phải làm hai việc độc lập nhau.
Việc thứ nhất là đếm và phân cỡ: hút khí qua một buồng quang, mỗi hạt đi qua chùm tia laser tán xạ ra một xung sáng, biên độ xung được quy đổi ra đường kính. Việc thứ hai là đo thể tích khí đã đi qua. Nồng độ là thương của hai đại lượng đó.
Khi đổi môi trường từ không khí sang một khí khác, cả tử số lẫn mẫu số đều có thể sai — và sai vì hai cơ chế vật lý hoàn toàn khác nhau. Điều đáng chú ý là trong phần lớn trường hợp thực tế, mẫu số sai nhiều hơn tử số rất nhiều. Đây là điều trái với trực giác của đa số người dùng, vốn hay lo về chuyện “laser có nhìn thấy hạt trong argon không”.
Cơ chế thứ nhất: lưu lượng đo sai vì tính chất khí khác nhau
Không có máy đếm hạt nào đo thể tích bằng cách đếm phân tử. Chúng suy ra thể tích từ một cơ cấu vật lý, và mọi cơ cấu đó đều phụ thuộc vào tính chất của chất khí:
- Cảm biến lưu lượng khối kiểu nhiệt. Nung nóng một phần tử, đo lượng nhiệt bị dòng khí mang đi. Kết quả phụ thuộc vào nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt và khối lượng riêng của khí. Đây là lý do các nhà sản xuất lưu lượng kế kiểu này luôn công bố một bảng hệ số quy đổi theo loại khí.
- Lỗ tới hạn (critical orifice) đặt trước bơm chân không. Khi tỉ số áp suất đủ lớn, dòng qua lỗ bị nghẹt và lưu lượng khối chỉ còn phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ đầu vào và hai hằng số của khí: khối lượng mol và tỉ số nhiệt dung γ.
- Bơm thể tích có hồi tiếp dựa trên chênh áp qua một tiết lưu — phụ thuộc độ nhớt và khối lượng riêng.
Bảng dưới đây là các hằng số vật lý ở khoảng 20 °C, 1 atm. Chúng là hằng số của chất, không phải thông số của máy, nên tra ở đâu cũng ra cùng giá trị:
| Khí | Khối lượng mol M (g/mol) | γ = Cp/Cv | Cp (kJ/kg·K) | Độ dẫn nhiệt k (W/m·K) | Khối lượng riêng ρ (kg/m³) |
|---|---|---|---|---|---|
| Không khí | 28,96 | 1,40 | 1,005 | 0,0257 | 1,204 |
| Nitơ (N₂) | 28,01 | 1,40 | 1,040 | 0,0259 | 1,165 |
| Argon (Ar) | 39,95 | 1,67 | 0,520 | 0,0177 | 1,661 |
| Heli (He) | 4,003 | 1,66 | 5,193 | 0,152 | 0,1664 |
| CO₂ | 44,01 | 1,29 | 0,844 | 0,0166 | 1,842 |
Đọc hàng nitơ trước: mọi cột đều gần với không khí. Điều này không tình cờ — không khí vốn đã là 78% nitơ. Đọc tiếp hàng argon: nhiệt dung riêng chỉ bằng một nửa không khí, độ dẫn nhiệt bằng 69%, khối lượng riêng cao hơn 38%, và γ khác hẳn vì argon là khí đơn nguyên tử. Với heli thì mọi thứ lệch tới một bậc độ lớn.
Tính thử: cùng một lỗ tới hạn, argon và heli cho lưu lượng nào
Trường hợp lỗ tới hạn tính được sạch sẽ, nên lấy làm ví dụ. Ở chế độ nghẹt, lưu lượng khối qua lỗ tỉ lệ với
ṁ ∝ P₀ · A · √(γ/R) · (2/(γ+1))(γ+1)/(2(γ−1)) / √T₀
trong đó R = 8314/M là hằng số khí riêng. Giữ nguyên lỗ, nguyên áp suất và nhiệt độ đầu vào, chỉ đổi chất khí, rồi quy lưu lượng khối về lưu lượng thể tích bằng cách chia cho khối lượng riêng — vì đó mới là mẫu số của phép tính nồng độ:
| Khí | Lưu lượng khối so với không khí | Lưu lượng thể tích so với không khí | Nếu máy vẫn hiển thị 28,3 LPM thì thể tích thật là | Chiều sai của nồng độ máy báo về |
|---|---|---|---|---|
| Nitơ | 0,98 | 1,02 | ≈ 28,8 L/phút | báo cao hơn thực tế ≈ 1,6% |
| Argon | 1,25 | 0,90 | ≈ 25,6 L/phút | báo thấp hơn thực tế ≈ 10% |
| Heli | 0,39 | 2,85 | ≈ 80,6 L/phút | báo cao gấp ≈ 2,85 lần |
Quy tắc đọc bảng chỉ có một câu, và nên nhớ đúng chiều của nó: máy luôn chia số hạt đếm được cho thể tích nó tưởng đã hút (28,3 L). Nếu thể tích thật nhỏ hơn con số đó thì máy chia cho một số quá lớn và báo thấp hơn thực tế. Nếu thể tích thật lớn hơn thì máy báo cao hơn thực tế.
Ba kết luận rút ra từ bảng này:
Một. Nitơ gần như không thành vấn đề về mặt lưu lượng. Sai lệch chỉ khoảng 1,6% và theo chiều báo cao, nhỏ hơn sai số cho phép của chính phép hiệu chuẩn lưu lượng ở nhiều mô hình. Đây là lý do việc đo trong màn chắn nitơ hiếm khi gây tranh cãi.
Hai. Argon lệch khoảng một chục phần trăm, và lệch theo đúng chiều nguy hiểm. Argon đi qua lỗ tới hạn cho lưu lượng thể tích chỉ bằng 90% của không khí, nên trong một phút máy chỉ thật sự hút khoảng 25,6 L chứ không phải 28,3 L. Vì máy vẫn chia cho 28,3, nồng độ báo về thấp hơn thực tế khoảng 10%. Đây là chiều sai tệ nhất có thể có: nó giấu vấn đề. Một điểm đo đang thực sự ở mức 3.900 hạt/m³ sẽ hiện lên khoảng 3.520 — vừa đúng bằng giới hạn ISO Class 5.
Ba. Heli thì không còn là chuyện hiệu chỉnh nữa. Cùng một lỗ, heli cho lưu lượng thể tích gấp gần 2,85 lần không khí, nên nồng độ báo về cao gấp khoảng ba lần thực tế. Sai theo chiều này không giấu vấn đề mà tạo báo động giả liên miên — vẫn tốn tiền điều tra, nhưng không gây rủi ro chất lượng. Nghiêm trọng hơn con số ấy là chuyện khác: ở lưu lượng thật gấp gần ba lần thiết kế, vận tốc dòng trong buồng quang cũng tăng theo, nên cả hiệu suất đếm lẫn khả năng phân cỡ đều rời khỏi vùng đã hiệu chuẩn. Với heli, không có hệ số nào cứu được phép đo.
Đây là con số minh hoạ, không phải hệ số hiệu chỉnh để dùng thẳng. Phép tính trên giả định cơ cấu định lưu lượng là một lỗ tới hạn lý tưởng. Máy dùng cảm biến nhiệt sẽ có bộ hệ số khác, tính theo nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt chứ không theo γ và M. Mục đích của bảng là chỉ ra bậc độ lớn của vấn đề và chiều của sai số. Hệ số dùng cho hồ sơ phải lấy từ nhà sản xuất của đúng mô hình máy đó, hoặc từ một phép hiệu chuẩn thực hiện trong chính chất khí sẽ đo.
Cơ chế thứ hai: cỡ hạt lệch vì chiết suất môi trường
Máy đếm hạt quang học phân cỡ theo cường độ ánh sáng tán xạ, và cường độ đó phụ thuộc vào chiết suất tương đối giữa hạt và môi trường: m = nhạt / nmôi trường. Hiệu chuẩn theo ISO 21501-4 dùng hạt cầu polystyrene latex có chiết suất khoảng 1,59, đo trong không khí có chiết suất 1,000293.
Đổi sang nitơ (1,000298) hay argon (1,000281) ở áp suất khí quyển thì chiết suất môi trường thay đổi ở chữ số thập phân thứ năm. Chiết suất tương đối gần như không đổi, và ảnh hưởng lên phép phân cỡ là không đáng kể. Đây là kết luận cần nói rõ, vì nó ngược với nỗi lo phổ biến: ở áp suất khí quyển, loại khí trơ không làm hỏng phép phân cỡ.
Tình hình đổi khác khi có áp suất. Phần vượt trên 1 của chiết suất chất khí tỉ lệ gần đúng với mật độ, nên ở 40 bar giá trị n − 1 lớn hơn khoảng bốn chục lần: từ 0,000293 lên cỡ 0,012, tức n ≈ 1,012. Chiết suất tương đối của hạt PSL giảm từ 1,589 xuống khoảng 1,571 — dịch khoảng 1%. Một phần trăm chiết suất tương đối không dịch đường kính đúng một phần trăm, vì quan hệ giữa cường độ tán xạ và đường kính là phi tuyến, nhưng nó đủ để đường cong hiệu chuẩn lập trong không khí ở 1 atm không còn dùng thẳng được nữa.
Đây chính là lý do tồn tại của các máy đo hạt khí siêu tinh khiết chuyên dụng: máy đếm hạt khí siêu tinh khiết HPGP 101-C được thiết kế để đo ngay tại áp suất đường ống thay vì giảm áp về khí quyển rồi mới đo — nghĩa là toàn bộ hệ quang, hệ định lưu lượng và đường cong hiệu chuẩn của nó được lập cho đúng điều kiện đó. Một máy phòng sạch thông thường ghép thêm bộ giảm áp tự chế không tương đương với việc đó.
Cơ chế thứ ba: mét khối ở áp suất nào
Cơ chế này thuần tuý là kế toán thể tích nhưng gây tranh cãi hợp đồng nhiều nhất. Khi lấy mẫu từ một đường ống ở áp suất cao qua bộ giảm áp rồi mới đo, máy đo thể tích ở hạ nguồn, tức ở gần áp suất khí quyển. Số hạt thì được bảo toàn qua bộ giảm áp — chúng không tự sinh ra hay mất đi — nhưng thể tích đã giãn nở.
Hệ quả: nồng độ tính ra là số hạt trên một mét khối khí đã giãn về áp suất khí quyển, không phải trên một mét khối khí trong ống. Hai con số đó chênh nhau đúng bằng tỉ số áp suất. Ở 7 bar tuyệt đối, chúng chênh nhau bảy lần.
Không có con số nào trong hai con số đó là sai; sai là ở chỗ ghi một đằng hiểu một nẻo. Vì vậy, quy tắc thực hành duy nhất đáng nhớ là: mọi chỉ tiêu và mọi kết quả về hạt trong khí nén hay khí công nghệ đều phải ghi kèm điều kiện quy chiếu của thể tích. Thiếu dòng đó, con số không nghiệm thu được.
Cái mà không phép tính nào cứu được: khí thải ra phòng
Máy đếm hạt hút khí vào rồi thải khí ra. Trong phòng sạch bình thường, khí thải là không khí và không ai bận tâm. Khi mẫu là khí trơ, cửa xả của máy trở thành một nguồn đẩy nitơ hoặc argon vào không gian làm việc.
Đây không phải một rủi ro lý thuyết. Argon nặng hơn không khí 38% nên tích tụ ở vùng thấp và trong hố ga, không tự tản đi. Nitơ và argon đều không mùi, không màu, không gây phản xạ ngạt — nạn nhân của thiếu oxy do khí trơ thường mất khả năng phán đoán trước khi kịp nhận ra có gì bất thường.
Ba yêu cầu tối thiểu khi bố trí phép đo trong khí trơ, và cả ba đều thuộc về thiết kế hệ chứ không thuộc về máy:
- Dẫn khí xả ra ngoài qua đường ống riêng tới điểm xả an toàn, không xả tự do vào phòng.
- Giám sát oxy trong khu vực đặt máy, với báo động độc lập với hệ giám sát hạt.
- Kiểm tra tương thích vật liệu phần ướt với chất khí — điều này quan trọng hơn nhiều với khí phản ứng như hydro hay các khí ăn mòn trong công nghệ bán dẫn.
Ba cách xử lý và giới hạn của từng cách
| Cách làm | Khi nào hợp lý | Giới hạn phải ghi vào hồ sơ |
|---|---|---|
| Dùng thiết bị chuyên dụng cho khí đó, hiệu chuẩn trong đúng chất khí và đúng áp suất | Khí công nghệ trong bán dẫn, khí siêu tinh khiết trên đường ống áp suất cao, số liệu dùng để nghiệm thu hệ khí | Chi phí cao nhất; cần xác nhận danh mục khí mà mô hình đó được thẩm định |
| Dùng máy tiêu chuẩn kèm hệ số hiệu chỉnh do nhà sản xuất cung cấp cho đúng mô hình và đúng chất khí | Nitơ và các khí có tính chất gần không khí; giám sát xu hướng nội bộ | Hệ số phải có nguồn văn bản; không tự suy từ bảng vật lý chung. Phải ghi rõ giấy hiệu chuẩn lập trong không khí |
| Chỉ dùng số đo theo nghĩa tương đối — so sánh trước/sau, theo dõi xu hướng tại cùng một điểm | Chẩn đoán sự cố, tìm nguồn rò, xác nhận hiệu quả của một biện pháp khắc phục | Không được dùng để tuyên bố cấp sạch hay để nghiệm thu; phải ghi rõ trong báo cáo rằng giá trị tuyệt đối không có hiệu lực |
Cách thứ ba thường bị đánh giá thấp nhưng lại giải quyết phần lớn nhu cầu thực tế. Khi câu hỏi là “sau khi thay bộ lọc thì có sạch hơn không”, một phép đo lệch 11% một cách ổn định vẫn trả lời được câu đó hoàn hảo, vì sai số triệt tiêu khi lấy tỉ số. Sai lầm chỉ xảy ra khi con số ấy bị chép sang một hồ sơ tuyên bố cấp sạch.
Với khu vực có màn chắn nitơ nhưng bản thân phòng vẫn là không khí — trường hợp phổ biến ở khu vực lắp ráp điện tử và pin — thì lời khuyên đơn giản hơn: đặt điểm giám sát liên tục trong không khí phòng bằng cảm biến đếm hạt Airnet II 301-4 và chỉ dùng phép đo trong khí trơ khi thật sự cần trả lời câu hỏi về bên trong khoang. Đo trong không khí thì mọi giấy tờ đều đúng nghĩa của nó.
Cần đo hạt trong khí trơ, khí nén hoặc khí công nghệ?Techmaster Electronics là nhà phân phối uỷ quyền của Particle Measuring Systems tại Việt Nam, có phòng thí nghiệm hiệu chuẩn được ANAB (Hoa Kỳ) công nhận theo ISO/IEC 17025. Đội kỹ thuật hỗ trợ xác định chất khí và áp suất thực tế tại điểm lấy mẫu, đối chiếu với danh mục khí mà từng mô hình được thẩm định, và tư vấn phương án lấy mẫu an toàn cho khu vực dùng khí trơ.
Câu hỏi thường gặp
Giấy hiệu chuẩn ISO 21501-4 có còn giá trị khi đo trong nitơ không?
Giấy vẫn còn hiệu lực, nhưng nó chứng nhận cho điều kiện đã thử nghiệm — trong không khí. Cách xử lý đúng về mặt hồ sơ là giữ nguyên giấy hiệu chuẩn, đồng thời ghi vào quy trình đo một mục nêu rõ chất khí thực tế, hệ số hiệu chỉnh áp dụng (nếu có) kèm nguồn của hệ số đó, và giới hạn sử dụng của kết quả.
Vì sao đo trong nitơ lại ít vấn đề hơn hẳn so với argon?
Vì không khí đã là 78% nitơ. Khối lượng mol, tỉ số nhiệt dung, nhiệt dung riêng, độ dẫn nhiệt và khối lượng riêng của nitơ đều nằm trong vài phần trăm so với không khí. Argon thì là khí đơn nguyên tử với γ = 1,67 và nhiệt dung riêng chỉ bằng nửa không khí, nên mọi cơ cấu đo lưu lượng đều phản ứng khác đi.
Có thể tự tính hệ số hiệu chỉnh rồi nhân vào kết quả không?
Chỉ nên làm cho mục đích chẩn đoán nội bộ, và phải ghi rõ đó là ước lượng. Lý do: hệ số đúng phụ thuộc vào cơ cấu định lưu lượng cụ thể của mô hình máy — lỗ tới hạn, cảm biến nhiệt hay bơm có hồi tiếp đều cho hệ số khác nhau cho cùng một chất khí. Với hồ sơ dùng để nghiệm thu hoặc thanh tra, hệ số phải đến từ nhà sản xuất hoặc từ một phép hiệu chuẩn thực hiện trong chính chất khí đó.
Đo hạt trong tủ găng chứa argon thì nên bố trí thế nào?
Ưu tiên đặt bộ phận đo bên trong tủ và dẫn đường xả ra ngoài, thay vì hút khí ra ngoài để đo. Lý do có hai: hút khí ra làm mất áp trong tủ và kéo không khí phòng vào bù, phá luôn môi trường cần bảo vệ; và đường ống dài giữa tủ với máy làm mất hạt do lắng đọng và tĩnh điện, khiến kết quả thấp giả tạo. Nếu bắt buộc phải đặt máy bên ngoài, hãy rút ngắn tối đa đường ống, dùng ống dẫn điện và nối đất.
Khí nén dùng cho sản xuất thì đo theo cách nào?
Khí nén sạch khô có thành phần gần không khí nên cơ chế lưu lượng và cơ chế quang không phải vấn đề lớn; vấn đề nằm ở áp suất và ở bộ giảm áp. Cần một bộ lấy mẫu khí nén thiết kế đúng để giảm áp mà không tự sinh hạt và không làm mất hạt, và cần ghi rõ trong báo cáo rằng nồng độ được quy về thể tích ở điều kiện nào.
