질량 분광계 누출 감지기는 어떻게 작동합니까?
오늘날 대부분의 누출 테스트는 특수 누출 감지 장치를 사용하여 실시됩니다. 이러한 장치는 특수 장비를 사용하지 않는 기법보다 훨씬 더 적은 누출률을 감지할 수 있습니다. 이러한 방법은 모두 테스트 목적으로 특정 기체를 사용하는 것을 기반으로 합니다. 이러한 테스트 기체의 물리적 특성과 실제 환경에서 사용되는 기체 또는 테스트 구성을 둘러싼 기체의 차이는 누출 감지기를 통해 측정됩니다. 예를 들어 테스트 기체와 주변 공기의 열 전도도가 다를 수 있습니다. 하지만 현재 가장 널리 사용되는 방법은 테스트 기체로 사용되는 헬륨을 감기하는 것입니다.
대부분 누출 감지기의 기능은 특수 테스트 기체(즉, 정상 작동에 사용되는 것이 아닌 다른 매체)를 사용하여 테스트를 수행한다는 사실에 기반합니다. 예를 들어 질량 분광계를 사용하여 감지될 수 있는 헬륨을 사용하여 누출 테스트를 수행할 수 있는데, 검사 대상 부품이 정상 작동 중에 체액의 침투로부터 내부 부품이 보호되어야 하는 심장 박동조율기가 될 수 있습니다. 이 예시만으로도 테스트 및 작업 매체의 다양한 유동 속성을 고려해야 한다는 것을 알 수 있습니다.
할로겐 누출 감지기(HLD 4000, D-Tek)
분자에 냉매 R12, R22 및 R134a와 같은 염소 및/또는 불소가 포함된 기체 화학 화합물은 KOH 및 철(III) 수산화물의 혼합물로 적신 표면에서 알칼리 이온의 배출에 영향을 미쳐 외부 Pt 가열기에 의해 800°C~900°C(1472°F~1652°F)로 유지됩니다. 방출된 이온이 음극으로 흐르며 이온 전류가 측정 후 증폭됩니다(할로겐 다이오드 원리). 이 효과는 매우 뛰어나기 때문에 할로겐 부분 압력을 10-7mbar까지 측정할 수 있습니다.
과거에는 이러한 장치가 진공 방법에 따라 누출 테스트에 사용되었지만 현재는 CFC와 관련된 문제로 인해 더 많은 스니퍼 장치가 구축되고 있습니다. 획득 가능한 검출 한계는 모든 장치에 대해 약 1 · 10-6mbar · l/s입니다. 할로겐 다이오드 원리에 따라 작동하는 장비도 SF6을 감지할 수 있습니다. 따라서 이러한 스니퍼 장치는 냉매가 냉장 장치에서 빠져나오는지, SF6 유형 스위치 박스(아크 억제 기체로 채워짐)에서 빠져나오는지 여부를 확인하는 데 사용됩니다.
질량 분광계를 사용하는 누출 감지기(MSLD)
질량 분광계를 사용하여 테스트 기체를 검출하는 것은 가장 민감한 누출 감지 방법이며 업계에서 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이러한 목적을 위해 개발된 MS 누출 감지기를 사용하면 하한이 ≈ 10-12mbar · l/s인 여러 10의 거듭제곱에 걸친 범위(누출 유형 및 누출률 참조)에서 누출률의 정량적 측정이 가능하고, 이에 따라 헬륨이 테스트 기체로 사용되는 고체 고유의 기체 투과성을 입증할 수 있습니다. 실제로 질량 분석 장비를 사용하여 모든 기체를 검출할 수 있습니다. 사용 가능한 모든 옵션 중에서 헬륨을 추적 기체로 사용하는 것이 특히 실용적입니다. 질량 분광계를 사용하여 헬륨을 검출해야 합니다. 헬륨은 화학적으로 불활성, 비폭발성, 무독성으로, 정상적인 공기 중에 약 5ppm의 농도로 존재하며, 매우 경제적입니다. 상용 MSLD에 사용되는 두 가지 유형의 질량 분광계는 다음과 같습니다.
a) 사중극자 질량 분광계. 단, 더욱 정교하고 복잡한 설계로 인해 사용 빈도가 낮습니다(특히 센서의 전기 공급이 원인).
b) 대체로 상대적으로 설계가 단순한 180° 자기장 질량 분광계.
사용되는 작동 원리와 무관하게 모든 질량 분광계는 이온 소스, 분리 시스템 및 이온 트랩이라는 세 가지 중요한 하위 시스템으로 구성됩니다. 이온은 이온 소스로부터 분리 시스템을 통해 이온 트랩으로 이동하는 경로를 따라 기체 분자와 충돌하지 않고 가능한 가장 큰 범위까지 이동할 수 있어야 합니다. 이 경로는 모든 유형의 분광계에 대해 약 15cm에 이르기 때문에 약 1 · 10-4mbar의 압력에 해당하는 최소 60cm의 중간자유행로 길이가 필요합니다. 즉, 질량 분광계는 진공에서만 작동합니다. 최저 진공 레벨이 1 · 10-4mbar이기 때문에 고진공이 필요합니다. 터보 분자 펌프 및 적합한 저진공 펌프가 최신 누출 감지기에 사용됩니다. 개별 구성 요소 그룹과 관련된 필수 전기 및 전자 공급 시스템 및 소프트웨어는 마이크로프로세서를 통해 모든 조정 및 검교정 절차와 측정 값 표시를 포함하여 작동 시퀀스에서 가능한 최대한의 자동화를 제공합니다.
그림 5.6 누출 감지기의 기본 작동 원리
MSLD의 작동 원리
누출 감지기의 기본 기능과 누출 감지기와 질량 분광계 사이의 차이는 그림 5.6을 사용하여 설명할 수 있습니다. 이 그림은 진공 구성 요소에서 헬륨 분사 방법(국소 누출 감지 참조)을 사용하는 누출 감지에 대해 가장 일반적인 구성을 보여줍니다. 분사된 헬륨이 누출을 통해 구성 요소로 유입되면 누출 감지기의 내부를 통해 배기 시스템으로 펌핑되고, 다시 감지기에서 빠져나갑니다. 감지기 자체에서 누출이 없다고 가정할 때, 시간 단위당 각 파이프 섹션(원하는 지점에서)을 통과하는 기체량은 단면과 파이프의 경로와 무관하게 일정하게 유지됩니다. 다음은 진공 펌프의 펌핑 포트 입구에 적용됩니다.
(5.4)
다른 모든 지점에서
(5.4a)
라인 손실을 고려합니다.
이 등식은 배관을 통해 펌핑되는 모든 기체와 헬륨에도 적용됩니다.
(5.4b)
이 경우 시간 단위당 기체량이 구하고자 하는 누출률입니다. 총 압력은 사용되지 않으며, 헬륨의 비율이나 헬륨의 부분 압력만 사용할 수 있습니다. 이 신호는 원자 번호 4(헬륨)로 설정될 때 질량 분광계에 의해 전달됩니다. Seff 값은 모든 누출 감지기 시리즈에 대해 일정한 값이므로 마이크로프로세서를 사용하여 질량 분광계에서 들어오는 신호를 숫자 상수로 곱하고 누출률을 직접 표시할 수 있습니다.
