Dasar-dasar Deteksi Kebocoran Vakum

Seperti hampir semua aspek sistem vakum, tidak ada metode tunggal yang memenuhi setiap situasi dan kriteria. Tentu saja hal ini terjadi pada deteksi kebocoran, dengan empat metode utama yang digunakan: uji gelembung; uji penurunan tekanan; uji peningkatan tekanan; dan uji mode sniffer helium/modus vakum helium. Keempat uji ini secara kasar sesuai dengan uji gelembung "sederhana" (untuk tekanan vakum rendah), hingga uji helium "teknologi tinggi" (untuk tekanan vakum tinggi).

Uji gelembung paling baik diilustrasikan dengan menempatkan tabung sepeda yang ditusuk di bawah air dan menandai tempat gelembung berasal atau menempatkan cairan pembersih di sekitar sambungan pipa air/gas aktif dan mengamati apakah cairan membentuk busa. Keduanya adalah cara yang andal untuk mendeteksi kebocoran tekanan rendah. Uji gelembung digunakan hingga vakum 10-4 mbar.

Uji pump-down dilakukan dengan mengevakuasi bejana vakum tertutup hingga tekanan tertentu tercapai, lalu menutup katup inlet pompa. Setelah jangka waktu yang telah ditentukan sebelumnya, katup saluran masuk dibuka kembali, dan waktu dicatat agar pompa dapat mengembalikan vakum ke tingkat evakuasi asli. Proses ini diulang beberapa kali. Jika waktu untuk mengembalikan vakum ke tingkat semula tetap konstan, maka ada kebocoran. Jika periode waktu ini berkurang, ini menunjukkan berkurangnya pelepasan gas (outgassing) di dalam sistem (yaitu kebocoran "virtual"), namun tidak mengesampingkan kebocoran yang juga ada.

Atau, uji peningkatan tekanan dilakukan dengan memplot tingkat vakum terhadap waktu setelah tingkat vakum tercapai, dan setelah mengisolasi sistem, kurva akan menjadi garis lurus jika ada kebocoran. Namun, jika kenaikan tekanan disebabkan oleh pelepasan gas dari dinding sistem, kenaikan tekanan secara bertahap akan berkurang hingga mencapai nilai akhir yang stabil.

Dalam sebagian besar kasus, kedua fenomena terjadi secara bersamaan, sehingga memisahkan satu dari yang lain hampir mustahil dilakukan. Jika volume ruang atau item yang diuji diketahui, maka laju kebocoran dapat dihitung (yaitu volume x (peningkatan tekanan yang diukur)/waktu yang dibutuhkan).

Uji penurunan tekanan tidak berbeda dengan uji peningkatan tekanan. Produk ini jarang digunakan untuk memeriksa kebocoran pada sistem vakum, dan hanya ketika tekanan pengukur (positif) tidak melebihi 1 bar, karena sambungan flensa yang digunakan dalam teknologi vakum tidak akan mentolerir tekanan yang lebih tinggi.

Namun, pengujian penurunan tekanan sering digunakan dalam rekayasa tangki. Uji penurunan tekanan memungkinkan pengukuran laju kebocoran hingga 10 ^-4 mbar*l/s, tetapi hasilnya dapat terdistorsi jika terjadi kondensasi. Seperti yang dapat dilihat, pengujian penurunan tekanan diferensial memiliki kekhawatiran, tetapi jika digunakan dalam kondisi laboratorium, alat bantu yang baik untuk menentukan kebocoran dan tingkat kebocoran.

Perlu dicatat bahwa satu-satunya metode yang kredibel untuk mendeteksi kebocoran yang lebih kecil dari 1x10 ^-6 mbar*l/s adalah dengan detektor kebocoran helium. Diameter kebocoran untuk 1x10 ^-12 mbar*l/s (yang sama dengan 1Å) juga merupakan diameter molekul helium, yang merupakan laju kebocoran terkecil yang dapat dideteksi.

Catatan: Laju kebocoran 1 mbar*l/dtk berarti kenaikan 1 mbar dari bejana 1 liter dalam satu detik. Untuk menempatkan hal ini dalam konteks:

• laju kebocoran < 1x 10 ^-2 mbar*l/s akan diklasifikasikan sebagai "kedap air"; 
• < 1x 10 ^-3 mbar*l/s "kedap uap"; 
• < 1x 10 ^-5 mbar*l/s "kedap oli"; 
• < 1x 10 ^-6 mbar*l/s "kedap virus"; 
• < 1x 10 ^-7 mbar*l/s "kedap gas"; 
• sementara < 1x 10 ^-10 mbar*l/s akan diklasifikasikan sebagai "absolut ketat".

Selain diameter, ada alasan lain mengapa helium digunakan dalam deteksi kebocoran:

• hanya sekitar 5 ppm di udara, sehingga tingkat latar belakang sangat rendah
• massanya yang relatif rendah berarti sangat "mobil" (yaitu, bercampur dengan sangat cepat dengan gas lain)
• sepenuhnya lembam/tidak reaktif, tidak mudah terbakar dan tidak berbahaya
• dan tersedia secara luas dengan biaya yang relatif rendah.

Ada beberapa cara untuk menguji kebocoran bejana dan komponen vakum menggunakan helium, tetapi semuanya menggunakan prinsip yang sama. Unit yang diperiksa diberi tekanan helium dari dalam atau diberi tekanan helium dari luar. Gas dari potensi kebocoran dikumpulkan dan 'dipompa' ke dalam spektrometer massa untuk dianalisis, dan nilai apa pun di atas tingkat latar belakang adalah bukti kebocoran.

Spektrometer itu sendiri bekerja dengan cara berikut: molekul helium yang mengalir ke dalam spektrometer akan diionisasi, dan ion helium ini kemudian akan "terbang" ke dalam detektor ion, di mana arus ion dianalisis dan direkam. Sebelum mencapai detektor, ion harus melewati medan magnet yang membelokkan semua ion selain ion helium. Berdasarkan arus ionisasi, laju kebocoran dapat dihitung.

Uji helium ini, yang dikenal sebagai uji "vakuum" dan "sniffer", dapat mendeteksi kebocoran dengan presisi dan kepastian. Di sini, istilah "kepastian" berarti tidak ada metode lain yang dapat menentukan lokasi kebocoran (bahkan yang kecil) dan mengukurnya secara kuantitatif dengan keandalan dan stabilitas yang lebih baik. Untuk alasan ini, detektor kebocoran helium, meskipun relatif mahal, sering kali jauh lebih ekonomis dalam jangka panjang karena diperlukan waktu yang jauh lebih sedikit untuk menyelesaikan prosedur deteksi kebocoran yang sebenarnya.

Pilihan metode yang akan digunakan tergantung pada aplikasi, serta tujuan penggunaan produk akhir. Metode "integral" menunjukkan apakah ada kebocoran (tapi tidak berapa banyak kebocoran yang berbeda), metode "lokal" menunjukkan di mana ada kebocoran (tapi penentuan laju kebocoran atau ukuran kebocoran yang tepat sulit). Kedua metode deteksi ini masing-masing dapat dibagi menjadi dua bagian lainnya: "sampel di bawah tekanan" dan "sampel di bawah vakum".

(i) Pengujian integral, terjadi di mana sampel berada di bawah tekanan atau vakum, dan terkandung dalam bejana. Kedua metode "terintegrasi" ini sering disebut sebagai "uji vakum helium" karena sampel itu sendiri dievakuasi atau ditempatkan dalam vakum, dengan gas helium bocor masuk atau keluar dari sampel, yang kemudian terdeteksi saat mengalir melalui spektrometer massa. Kelemahan utamanya, meskipun bukan satu-satunya, adalah unit harus ditempatkan di dalam bejana dengan ukuran yang sesuai. Selain itu, uji "vakuum" helium biasanya hanya digunakan pada unit yang mengalami vakum tinggi atau ultra-tinggi

Dalam metode "penyemprotan lokal (sampel di bawah vakum)", ruang dipadatkan dengan vakum dan gas helium disemprotkan/diarahkan secara bebas ke titik-titik kebocoran yang mungkin, dengan tujuan agar sebagian helium murni ini masuk ke dalam ruang. Gas, dari dalam ruang, kemudian dialirkan ke spektrometer untuk mencatat tingkat helium yang meningkat.

Uji sniffing memiliki keunggulan menunjukkan di mana kebocoran sebenarnya terjadi. Namun, konsentrasi helium sebesar 5 ppm di udara membatasi tingkat kebocoran minimum yang dapat dideteksi, dan selanjutnya sinyal latar belakang lingkungan juga dapat memengaruhi kemungkinan deteksi kebocoran kecil.

Namun, sebelum pembacaan helium diterima sebagai "fakta", pembacaan referensi (atau latar belakang) untuk helium - yang merupakan bagian penting dari proses - harus diambil dan diperhitungkan. Pembacaan referensi semacam itu memberikan "kebisingan latar belakang" untuk helium, yang dapat dianggap sebagai tingkat ambient helium.

Sebagian besar helium latar belakang terkandung di antara 100 dan 150 lapisan tunggal molekul gas permukaan dan terkandung secara permanen dalam udara yang ditemukan dalam detektor kebocoran, pompa, katup, flensa, pipa, dll. Penghilangan helium permukaan ini disebut "degassing" dan dimulai ketika semua gas telah dipompa keluar, menyebabkan molekul "menyerap" dari permukaan dalam logam. Desorpsi ini dimulai pada tekanan sekitar 10 ^-1 mbar.

Degassing semacam itu dengan menurunkan tekanan atau dengan memanaskan permukaan ruangan, bukanlah hal yang tidak biasa, tetapi bahkan ini tidak sepenuhnya menghilangkan semua gas di permukaan. Selain helium permukaan, helium "reservoir" juga terkandung dalam cincin-O (yang bertindak seperti spons untuk gas tersebut). Catatan: Tingkat vakum setelah degassing juga memberikan indikasi yang baik tentang seberapa bersih elemen unit. Detektor kebocoran helium modern dapat secara konstan mengukur dan menghitung tingkat internal (lapangan) ini dan secara otomatis menguranginya dari pengukuran kebocoran.

Untuk merangkum dan menyederhanakan perbedaan antara kedua jenis prosedur deteksi kebocoran helium ini; metode "terintegrasi" mengharuskan ruangan ditempatkan di dalam unit tahan gas (meskipun ini tidak selalu mungkin). Dalam metode pengujian "lokal", ruang diberi tekanan internal dengan helium, atau dikosongkan secara internal dengan helium lalu disemprotkan sedikit ke permukaan ruang pada titik-titik yang cenderung bocor. Dalam kedua pengujian, helium memasuki detektor kebocoran melalui kemungkinan kebocoran, dan melewati spektrometer massa untuk dianalisis.

Sebelum beralih dari deteksi kebocoran helium, sebaiknya bahas topik alat ukur gas residu (RGA), yang merupakan spektrometer massa lapangan kecil dan kokoh yang menggunakan teknologi quadrupole. RGA menggunakan sumber ion terbuka atau tertutup. RGA sering digunakan dalam aplikasi vakum tinggi di ruang penelitian, akselerator, mikroskop pemindaian, dll. di mana mereka memantau kualitas vakum dengan mendeteksi jejak kotoran kecil di lingkungan gas bertekanan rendah.

RGA juga digunakan sebagai detektor kebocoran in situ yang sensitif dan umumnya menggunakan helium atau molekul penelusur lainnya. Dengan sistem vakum (khususnya dalam kisaran XHV dan UHV), memeriksa integritas vakum pada tingkat rendah dapat menjadi penting (dan lebih aman), sebelum proses deteksi kebocoran yang lebih serius dimulai.

Karena gas dapat dikompresi, tekanan (atau vakum) memengaruhi tingkat kebocoran, sehingga laju kebocoran dikutip dalam mbar*l/dtk, dengan "laju kebocoran" adalah jumlah gas yang mengalir melalui kebocoran pada diferensial tekanan tertentu per waktu.

Dasar perhitungan laju kebocoran adalah: diameter kebocoran berbentuk melingkar; dan saluran kebocoran setara dengan ketebalan material yang "melewati" kebocoran.

Ada beberapa standar yang berkaitan dengan detektor kebocoran dan deteksi kebocoran. Salah satunya, DIN EN 1330-8, menentukan "tingkat kebocoran standar helium" untuk penggunaan di mana uji kebocoran dilakukan dengan helium pada diferensial tekanan 1 bar tekanan atmosfer eksternal hingga < 1 mbar tekanan internal (yang dalam praktiknya merupakan kondisi umum).

Standar lingkungan dan keselamatan mengharuskan produsen untuk menjamin kebocoran produk mereka dengan melakukan pengujian kebocoran sebagai bagian dari proses persetujuan produksi/kualitas. Untuk menunjukkan tingkat penolakan untuk pengujian menggunakan helium dalam kondisi helium standar, diperlukan konversi kondisi pengujian aktual yang digunakan ke kondisi helium standar; ada rumus standar yang tersedia untuk konversi tersebut.

Saat sistem vakum tersambung ke detektor kebocoran, kondisi helium standar harus ada selama deteksi kebocoran helium. Menggunakan helium untuk melakukan pengujian kebocoran menjamin hasil yang andal dan dapat diulang, yang dapat dikuantifikasi dan dipantau secara konstan.

Vakum adalah bagian penting dari kehidupan modern saat ini. Dari awalnya yang sederhana beberapa abad yang lalu, kini ada beberapa bagian dari keberadaan dan kesejahteraan kita yang didorong oleh teknologi yang tidak terpengaruh, ditingkatkan, disempurnakan, atau dimungkinkan oleh vakum.

Mulai dari makanan yang dikeringkan secara beku dan dikemas dalam vakum, lemari es, dan penyejuk udara, hingga menempatkan lapisan mikro pada instrumen bedah hingga mengeksplorasi rahasia tersembunyi fisika dan luar angkasa, aplikasi ini dan ratusan lainnya hanya dimungkinkan melalui vakum yang sangat tidak dihargai tetapi sangat penting. Dan saat manusia mendorong batas-batas penerapan, teknologi, dan penemuan ilmiah, pergeseran ke vakum dengan tekanan lebih rendah, yaitu, ke bidang vakum ultra dan ekstrem, telah memperbanyak aplikasi saat ini - dan bahkan di masa mendatang - lebih jauh lagi.

Salah satu kebenaran yang tidak logis dalam hidup adalah bahwa setiap sistem vakum memiliki variasi "kekencangan" tersendiri, tanpa ada yang "benar-benar" bebas kebocoran. Proses dan aplikasi vakum yang berbeda memerlukan persyaratan tingkat kebocoran yang berbeda. Memang, apa yang dapat diterima pada vakum yang lebih rendah akan dianggap benar-benar tidak dapat diterima (dan berpotensi berbahaya) pada tingkat vakum yang lebih tinggi. Deteksi, penemuan lokasi, evaluasi, dan pengukuran kebocoran semuanya merupakan bagian dari dunia vakum yang eklektik dan menarik.