Como funciona um detector de vazamento de espectrômetro de massa?
Atualmente, a maioria dos testes de vazamento é realizada usando dispositivos especiais de detecção de vazamento. Estes podem detectar taxas de vazamento muito menores do que as técnicas que não usam equipamento especial. Esses métodos são todos baseados no uso de gases específicos para fins de teste. As diferenças nas propriedades físicas desses gases de teste e dos gases usados em aplicações reais ou nas que envolvem a configuração de teste serão medidas pelos detectores de vazamento. Isso pode ser, por exemplo, a condutividade térmica diferente do gás de teste e do ar ao redor. O método mais usado atualmente é, no entanto, a detecção de hélio usado como gás de teste.
A função da maioria dos detectores de vazamento é baseada no fato de que os testes são realizados com um gás de teste especial, ou seja, com um meio diferente daquele usado em operação normal. O teste de vazamento pode, por exemplo, ser realizado usando hélio, que é detectado usando um espectrômetro de massa, mesmo que o componente testado possa, por exemplo, ser um marcapasso cardíaco cujos componentes internos devem ser protegidos contra a entrada de fluidos corporais durante a operação normal. Esse exemplo, por si só, deixa claro que as diferentes propriedades de fluxo do teste e o meio de trabalho precisam ser levadas em consideração.
Detectores de vazamento de halogênio (HLD 4000, D-Tek)
Compostos químicos gasosos cujas moléculas contêm cloro e/ou flúor – como os refrigerantes R12, R22 e R134a – influenciarão as emissões de íons alcalinos de uma superfície impregnada com uma mistura de KOH e hidróxido de ferro (III) e mantidos a 800 °C a 900 °C (1472 °F a 1652 °F) por um aquecedor Pt externo. Os íons liberados fluem para um cátodo onde a corrente de íons é medida e então amplificada (princípio de diodo halógeno). Esse efeito é tão grande que as pressões parciais para halogênios podem ser medidas até 10-7 mbar.
Enquanto esses dispositivos eram usados no passado para testes de vazamento, de acordo com o método de vácuo, hoje – devido aos problemas associados aos CFCs – mais unidades de detecção estão sendo construídas. O limite de detecção atingível é de cerca de 1 · 10-6mbar · l/s para todos os dispositivos. Equipamentos operando de acordo com o princípio do diodo de halogêneo também pode detectar o SF6. Consequentemente, essas unidades de detecção são usadas para determinar se os refrigerantes estão escapando de uma unidade de refrigeração ou de uma caixa de interruptores do tipo SF6 (preenchida com gás de supressão de arco).
Detectores de vazamento com espectrômetros de massa (MSLD)
A detecção de um gás de teste usando espectrômetros de massa é, de longe, o método de detecção de vazamento mais sensível e o mais usado na indústria. Os detectores de vazamento MS desenvolvidos para essa finalidade permitem uma medição quantitativa das taxas de vazamento em uma faixa que se estende por muitas potências de dez (consulte Tipos e taxas de vazamento), em que o limite inferior ≈ 10-12 mbar · l/s, tornando assim possível demonstrar a permeabilidade inerente ao gás de sólidos onde o hélio é usado como gás de teste. Na verdade, é possível, em princípio, detectar todos os gases usando espectrometria de massa. De todas as opções disponíveis, o usode hélio como gás traçador provou ser especialmente prático. A detecção de hélio usando o espectrômetro de massa é absolutamente (!) inequívoca. O hélio é quimicamente inerte, não explosivo, não tóxico, está presente no ar normal em uma concentração de apenas 5 ppm e é bastante econômico. Dois tipos de espectrômetro de massa são usados em MSLD disponíveis comercialmente:
a) o espectrômetro de massas quadrupolo, embora seja usado com menos frequência devido ao design mais elaborado e complexo (principalmente devido à alimentação elétrica do sensor), ou
b) o espectrômetro de massa de campo do setor magnético de 180°, principalmente devido ao design relativamente simples.
Independentemente do princípio funcional empregado, cada espectrômetro de massa compreende três subsistemas fisicamente importantes: a fonte de íons, o sistema de separação e o coletor de íons. Os íons devem ser capazes de se deslocar ao longo do caminho da fonte de íons e através do sistema de separação até o coletor de íons, na maior extensão possível, sem colidir com moléculas de gás. Esse caminho equivale a cerca de 15 cm para todos os tipos de espectrômetros e, portanto, requer um comprimento de caminho livre médio de pelo menos 60 cm, correspondendo à pressão de cerca de 1 · 10-4 mbar; em outras palavras, um espectrômetro de massa funcionará apenas no vácuo. Devido ao nível mínimo de vácuo de 1 · 10-4 mbar, será necessário um alto vácuo. Bombas turbomoleculares e bombas parciais adequadas são usadas em detectores de vazamento modernos. Associados aos grupos de componentes individuais estão os sistemas de alimentação elétrica e eletrônica necessários e softwares que, através de um microprocessador, permitem o maior grau possível de automação na sequência de operação, incluindo todas as rotinas de ajuste e calibração e exibição do valor medido.
Fig. 5.6 Princípio básico de funcionamento para um detetor de vazamento
O princípio de funcionamento de um MSLD
A função básica de um detector de vazamento e a diferença entre um detector de vazamento e o espectrômetro de massa podem ser explicadas usando a Figura 5.6. Esse esboço mostra a configuração mais comumente encontrada para detecção de vazamento usando o método de pulverização de hélio (consulte Detecção de vazamento local) em um componente de vácuo. Quando o hélio pulverizado é atraído para dentro do componente através de um vazamento, ele é bombeado através do interior do detector de vazamento até o escape, de onde ele sai novamente do detector. Supondo que o próprio detector esteja livre de vazamentos, a quantidade de gás que flui através de cada seção do tubo (em qualquer ponto desejado) por unidade de tempo permanecerá constante, independentemente da seção transversal e do roteamento da tubulação. O seguinte se aplica à entrada na porta de bombeamento na bomba de vácuo:
(5.4)
Em todos os outros pontos
(5.4a)
aplica-se, levando em consideração as perdas de linha.
A equação se aplica a todos os gases que são bombeados através da tubulação e, portanto, também para o hélio.
(5.4b)
Nesse caso, a quantidade de gás por unidade de tempo é a taxa de vazamento desejada; a pressão total não pode ser usada, mas apenas a parcela para hélio ou a pressão parcial para o hélio. Esse sinal é fornecido pelo espectrômetro de massa quando é ajustado para o número atômico 4 (hélio). O valor de Seff é uma constante para todas as séries de detectores de vazamento, possibilitando o uso de um microprocessador para multiplicar o sinal que chega do espectrômetro de massa por uma constante numérica e para ter a taxa de vazamento exibida diretamente.
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
