Asas Pengesanan Kebocoran Vakum
Disebabkan sifat spesifikasi tinggi bagi banyak aplikasi vakum, terdapat beberapa aspek sistem tersebut yang tidak boleh dikompromikan. Keperluan untuk:
- unit pam dan kapal yang direka dengan tinggi kejuruteraan;
- cara yang sangat tepat untuk mengukur dan mengawal aliran serta tekanan;
- dan sistem yang tertutup rapat yang tidak bocor.
Apakah itu kebocoran?
Pengesanan kebocoran dalam sistem bertekanan dan vakum, serta penghapusan, pengurusan dan/atau tanggungjawabnya, adalah urusan yang serius tetapi malangnya sering dianggap sebagai perkara remeh—yang sebenarnya tidak sama sekali.
Tetapi apa sebenarnya yang dimaksudkan dengan kebocoran? Kebocoran adalah lubang kecil di satu atau beberapa bahagian sistem yang membenarkan kemasukan atau keluaran gas yang tidak terkawal. Bagi kadar kebocoran, ini bergantung kepada beberapa faktor termasuk: saiz lubang; jenis gas; dan perbezaan tekanan (antara bahagian dalam sistem dan luar).
Kadar kebocoran menggambarkan magnitud kebocoran dari segi jumlah gas yang keluar dari sistem per unit masa.
Terdapat beberapa sebab mengapa sistem mungkin gagal untuk mengekalkan tahap vakumnya, termasuk pengeluaran gas atau pencemaran. Selain itu, proses dan aplikasi vakum yang berbeza memerlukan kadar kebocoran yang berbeza, iaitu apa yang boleh diterima pada vakum yang lebih rendah akan dianggap sama sekali tidak boleh diterima (dan mungkin berbahaya) pada tahap vakum yang lebih tinggi.
Mengurangkan atau menghapuskan kebocoran adalah penting atas beberapa sebab, termasuk: - keselamatan pengendali (iaitu, pengeluaran gas/cecair toksik)
- keselamatan produk (contohnya untuk menghentikan udara daripada memasuki sistem di mana ia mungkin menyumbang secara signifikan kepada pembentukan campuran yang boleh meletup)
- untuk memastikan dan mengekalkan tekanan/vakum
- untuk memastikan jangka hayat pengguna yang panjang bagi produk
- untuk piawaian alam sekitar dan kualiti
- dan untuk kecekapan proses
Walaupun terdapat alasan-alasan tersebut, harus diterima bahawa tiada sistem yang boleh menjadi sepenuhnya kedap vakum… dan sebenarnya ia tidak perlu—ia hanya perlu dapat diurus atau sekurang-kurangnya cukup rendah supaya tekanan operasi, keseimbangan gas dan kemampuan untuk mencapai serta mengekalkan tekanan akhir/terakhir, tidak terjejas dengan teruk.
Mengenai kebocoran, seseorang perlu membezakan antara dua jenis: (i)di mana arah aliran gas/cairan adalah ke dalam bekas (dikenali sebagai "kebocoran luar-dalam") dan (ii)di mana gas/cairan mengalir dari dalam spesimen ujian ke luar (dikenali sebagai "kebocoran dari dalam ke luar"). Selain itu, terdapat dua aspek teknologi kebocoran yang patut diperhatikan: pengesanan kebocoran (iaitu. mengesan kebocoran) dan mengukur kadar kebocoran keseluruhan peranti.
Tinjauan kaedah pengesanan kebocoran vakum
Seperti hampir setiap aspek sistem vakum, tiada satu kaedah yang memenuhi setiap situasi dan setiap kriteria. Ini sememangnya berlaku dalam pengesanan kebocoran, dengan empat kaedah utama yang digunakan: ujian gelembung; ujian penurunan tekanan; ujian peningkatan tekanan; dan mod pengesan helium/mod vakum helium. Keempat-empat ujian ini secara kasar sepadan dengan ujian gelembung yang "sederhana" (untuk tekanan vakum rendah), hingga ujian helium yang "teknologi tinggi" (untuk tekanan vakum tinggi).
Ujian Bubble test paling jelas ditunjukkan dengan meletakkan tiub basikal yang bocor di bawah air dan menandakan dari mana gelembung berasal atau meletakkan sabun pencuci di sekitar sambungan paip air/gas yang aktif dan memerhatikan sama ada cecair itu membentuk buih. Kedua-duanya adalah cara yang boleh dipercayai untuk mengesan kebocoran tekanan rendah. Ujian gelembung digunakan sehingga vakum 10-4 mbar.
Ujian pump-down dijalankan dengan mengosongkan sebuah bekas vakum tertutup sehingga tekanan tertentu dicapai, kemudian menutup injap masuk pam. Selepas tempoh masa yang ditentukan, injap masuk dibuka semula, dan masa dicatat untuk pam mengembalikan vakum kepada tahap yang telah dievakuasi asal. Proses ini diulang beberapa kali. Jika masa untuk mengembalikan vakum ke tahap asal kekal tetap, maka terdapat kebocoran. Jika tempoh masa ini berkurang, ini menunjukkan pengurangan pembebasan gas (keluaran gas) di dalam sistem (iaitu, kebocoran "maya"), namun, ia tidak mengecualikan kemungkinan kebocoran juga wujud.
Sebagai alternatif, ujian kenaikan tekanan dilakukan dengan memplot tahap vakum terhadap masa setelah tahap vakum dicapai, dan setelah sistem diasingkan, lengkung tersebut akan menjadi garis lurus jika terdapat kebocoran. Walau bagaimanapun, jika peningkatan tekanan disebabkan oleh pembebasan gas dari dinding sistem, peningkatan itu akan secara beransur-ansur berkurangan sehingga mencapai nilai akhir yang stabil.
Dalam kebanyakan kes, kedua-dua fenomena berlaku secara serentak, yang menjadikan pemisahan satu daripada yang lain hampir mustahil. Jika isipadu ruang atau item yang diuji diketahui, maka kadar kebocoran boleh dikira (iaitu isipadu x (kenaikan tekanan yang diukur)/masa yang diambil).
Ujian penurunan tekanan tidak berbeza jauh dengan ujian peningkatan tekanan. Ia hanya jarang digunakan untuk memeriksa kebocoran dalam sistem vakum, dan hanya apabila tekanan pengukur (positif) tidak melebihi 1 bar, kerana sambungan flang yang digunakan dalam teknologi vakum tidak akan bertoleransi terhadap tekanan yang lebih tinggi.
Walau bagaimanapun, ujian penurunan tekanan sering digunakan dalam kejuruteraan tangki. Ujian penurunan tekanan membolehkan pengukuran kadar kebocoran hingga 10-4 mbar*l/s tetapi keputusan boleh terjejas jika pemeluwapan berlaku. Seperti yang dapat dilihat, ujian penurunan tekanan pembezaan dipenuhi dengan amaran, tetapi jika digunakan dalam keadaan makmal, ia adalah alat yang baik untuk menentukan kedua-dua kebocoran dan kadar kebocoran.
Ujian pengesanan kebocoran helium
Perlu dicatat bahawa satu-satunya kaedah yang boleh dipercayai untuk mengesan kebocoran yang lebih kecil daripada 1x10-6 mbar*l/s adalah dengan detektor kebocoran helium. Diameter kebocoran untuk 1x10-12mbar*l/s (yang bersamaan dengan 1Å) juga merupakan diameter molekul helium, yang merupakan kadar kebocoran terkecil yang boleh dikesan.
N.B. Kadar kebocoran 1 mbar*l/s bermaksud peningkatan 1 mbar dari sebuah bekas 1 liter dalam satu saat. Untuk meletakkan ini dalam konteks:
- kadar kebocoran < 1x 10-2 mbar*l/s akan diklasifikasikan sebagai "kalis air";
- < 1x 10-3 mbar*l/s "ketat wap";
- < 1x 10-5 mbar*l/s "ketat minyak";
- < 1x 10-6 mbar*l/s "ketat virus";
- < 1x 10-7 mbar*l/s "ketat gas";
- sementara < 1x 10-10 mbar*l/s akan diklasifikasikan sebagai "ketat mutlak".
Rajah 1: Kadar kebocoran 1 mbar l/s
Selain daripada diameter, terdapat sebab-sebab lain mengapa helium digunakan dalam pengesanan kebocoran:
- ia hanya membentuk kira-kira 5 ppm dalam udara, jadi tahap latar belakang adalah sangat rendah
- jisimnya yang relatif rendah bermakna ia sangat "mudah alih" (iaitu, ia bercampur dengan gas-gas lain dengan sangat cepat)
- ia sepenuhnya tidak reaktif, tidak mudah terbakar dan tidak berbahaya
- dan tersedia secara meluas pada kos yang agak rendah.
Terdapat beberapa cara untuk menguji kebocoran kapal vakum dan komponen menggunakan helium, tetapi semuanya menggunakan prinsip yang sama. Unit yang diperiksa sama ada dipressur dengan helium dari dalam atau dipressur dengan helium dari luar. Gas dari sebarang kebocoran yang berpotensi dikumpulkan dan 'dipam' ke dalam spektrometer jisim untuk dianalisis, dan sebarang nilai yang melebihi tahap latar belakang adalah bukti adanya kebocoran.
Spektrometer itu berfungsi dengan cara berikut: mana-mana molekul helium yang mengalir ke dalam spektrometer akan diionisasi, dan ion helium ini kemudiannya akan "terbang" ke dalam pengesan ion, di mana arus ion dianalisis dan direkodkan. Sebelum sampai ke pengesan, ion-ion perlu melalui medan magnet yang membelokkan semua ion kecuali ion helium. Berdasarkan arus ionisasi, kadar kebocoran kemudian boleh dikira.
Ujian helium ini, yang dikenali sebagai ujian "vakum" dan "sniffer", dapat mengesan kebocoran dengan ketepatan dan kepastian. Di sini, istilah "kepastian" bermaksud bahawa tiada kaedah lain yang boleh, dengan kebolehpercayaan yang lebih tinggi dan kestabilan yang lebih baik, mengesan kebocoran (walaupun yang kecil) dan mengukurnya secara kuantitatif. Oleh sebab itu, detektor kebocoran helium, walaupun agak mahal, sering kali lebih ekonomik dalam jangka panjang kerana masa yang diperlukan untuk prosedur pengesanan kebocoran sebenar diselesaikan adalah jauh lebih singkat.
Dua kaedah asas pengesanan kebocoran helium: ujian "integral" dan ujian "tempatan"
Pemilihan kaedah yang digunakan bergantung kepada aplikasi, serta apa yang akan digunakan untuk produk akhir. Kaedah "integral" menunjukkan jika terdapat kebocoran (tetapi tidak berapa banyak kebocoran yang berbeza), kaedah "tempatan" menunjukkan di mana terdapat kebocoran (tetapi penentuan tepat kadar kebocoran atau saiz kebocoran adalah sukar). Kedua-dua kaedah pengesanan ini boleh dibahagikan kepada dua bahagian lagi: "sampel di bawah tekanan", dan "sampel di bawah vakum".
(i)Ujian integral berlaku di mana sampel berada di bawah tekanan atau di bawah vakum, dan terkandung dalam sebuah bekas. Dua kaedah "integral" ini sering dirujuk sebagai "ujian vakum helium" kerana sampel sama ada dikosongkan atau diletakkan dalam vakum, dengan gas helium yang bocor masuk atau keluar dari sampel, yang kemudian dikesan semasa ia mengalir melalui spektrometer jisim. Kekurangan utama—walaupun bukan satu-satunya—adalah unit tersebut perlu diletakkan dalam bekas yang bersaiz sesuai. Selain itu, ujian "vakum" helium biasanya hanya digunakan pada unit yang terdedah kepada vakum tinggi atau ultra-tinggi
Rajah 2: Ujian integral dengan helium (contoh di bawah tekanan).
- Ruang vakum
- Uji sampel di bawah tekanan
- Pengesan kebocoran
- Uji gas (helium)
- Peringkat pam (*hanya diperlukan untuk isipadu ruang besar)
Rajah 3: Ujian integral dengan helium (contoh di bawah vakum).
- Ruang tekanan
- Uji sampel di bawah tekanan
- Pengesan kebocoran
- Uji gas (helium)
- Peringkat pam (hanya diperlukan untuk isipadu ruang besar)
(ii) Ujian tempatan dilakukan, di mana (sekali lagi) sampel itu sendiri berada di bawah tekanan atau di bawah vakum. Kaedah "tempatan" ini sering dirujuk sebagai ujian "sniffer", kerana ia menggunakan probe "sniffer".
Dalam kaedah "penyemburan tempatan (contoh di bawah tekanan)", ruang tersebut ditekan dengan helium dan alat pengesan dibawa di sekitar titik kebocoran yang mungkin ada di dalam ruang tersebut (iaitu sambungan las, flens, portal, saluran instrumen dan lain-lain). untuk menangkap sebarang gas yang melarikan diri. Gas yang "dihidu" ini dihantar ke spektrometer jisim untuk merekod sebarang tahap helium yang tinggi (iaitu, di atas latar belakang).
Rajah 4: Ujian tempatan dengan helium (sampel di bawah tekanan).
- Penyedut
- Uji sampel di bawah tekanan
- Pengesan kebocoran
- Uji gas (helium)
Dalam kaedah "penyemburan tempatan (contoh di bawah vakum)", ruang tersebut dipam vakum dan gas helium disembur/dihala ke arah titik kebocoran yang mungkin, dengan niat agar sebahagian daripada helium tulen ini akan masuk ke dalam ruang. Gas dari dalam ruang tersebut kemudian dialirkan ke dalam spektrometer untuk merekod sebarang tahap helium yang tinggi.
Rajah 5: Ujian tempatan dengan helium (contoh di bawah vakum).
- Uji penyembur gas
- Uji sampel di bawah vakum
- Pengesan kebocoran
- Uji gas (helium)
- Peringkat pam (hanya diperlukan untuk jumlah sampel ujian yang besar)
Ujian pengesan mempunyai kelebihan kerana ia menunjukkan di mana kebocoran sebenarnya berlaku. Namun, kepekatan helium sebanyak 5 ppm dalam udara, mengehadkan kadar kebocoran minimum yang boleh dikesan, dan lebih lanjut lagi, isyarat latar belakang ambien juga boleh mempengaruhi kemungkinan pengesanan kebocoran kecil.
Walau bagaimanapun, sebelum bacaan helium diterima sebagai "fakta", bacaan rujukan (atau latar belakang) untuk helium—yang merupakan bahagian penting dalam proses—harus diambil dan diambil kira. Bacaan rujukan seperti ini memberikan "bunyi latar" untuk helium, yang boleh dianggap sebagai tahap ambient helium.
Kebanyakan helium latar belakang terkandung di antara 100 dan 150 lapisan mono molekul gas permukaan dan secara tetap terkandung dalam udara yang terdapat dalam pengesan kebocoran, pam, injap, flens, paip dan sebagainya. Pengeluaran helium permukaan ini dipanggil "degassing" dan bermula apabila semua gas telah dipam keluar, menyebabkan molekul "desorbing" dari permukaan dalam logam. Desorpsi ini bermula pada tekanan sekitar 10-1 mbar.
Proses pengurangan gas dengan menurunkan tekanan atau memanaskan permukaan ruang tidaklah luar biasa, tetapi walaupun begitu, ia tidak sepenuhnya menghapuskan semua gas di permukaan. Selain helium permukaan, helium "reservoir" juga terkandung dalam O-ring (yang bertindak seperti span untuk gas-gas tersebut). Nota: Tahap vakum selepas degassing juga memberikan petunjuk yang baik tentang seberapa bersih elemen unit tersebut. Pengesan kebocoran helium moden mampu mengukur dan mengira tahap dalaman (latar belakang) ini secara berterusan dan secara automatik menolak ini daripada pengukuran kadar kebocoran.
Untuk merumuskan dan menyederhanakan perbezaan antara dua jenis prosedur pengesanan kebocoran helium ini; kaedah "integral" memerlukan ruang untuk diletakkan di dalam unit yang kalis gas (walaupun ini tidak selalu mungkin). Dalam kaedah ujian "tempatan", ruang sama ada dikenakan tekanan dalaman dengan helium, atau dikosongkan dari dalam dengan helium dan kemudian disembur sedikit ke permukaan ruang pada titik-titik yang berkemungkinan bocor. Dalam kedua-dua ujian, helium memasuki pengesan kebocoran melalui kebocoran yang mungkin, dan seterusnya melalui spektrometer jisim untuk dianalisis.
Sebelum beralih dari pengesanan kebocoran helium, adalah berbaloi untuk membincangkan analis gas residu (RGA), yang merupakan spektrometer jisim lapangan kecil dan tahan lasak yang menggunakan teknologi kuadrupol. RGA menggunakan sama ada sumber ion terbuka atau sumber ion tertutup. RGA sering digunakan dalam aplikasi vakum tinggi di ruang penyelidikan, penggandaan, mikroskop pengimbas, dan lain-lain. di mana mereka memantau kualiti vakum dengan mengesan jejak kecil kekotoran dalam persekitaran gas bertekanan rendah.
RGA juga digunakan sebagai pengesan kebocoran sensitif in-situ yang biasanya menggunakan helium atau molekul penjejak lain. Dengan sistem vakum (terutamanya dalam julat XHV dan UHV), memeriksa integriti vakum pada tahap rendah boleh menjadi penting (dan lebih selamat), sebelum proses pengesanan kebocoran yang lebih serius dimulakan.
Pengukuran Kebocoran Vakum
Oleh kerana gas boleh dimampatkan, tekanan (atau vakum) mempengaruhi sejauh mana kebocoran, jadi kadar kebocoran dinyatakan dalam mbar*l/s, dengan "kadar kebocoran" merujuk kepada jumlah gas yang mengalir melalui kebocoran pada perbezaan tekanan tertentu dalam satu masa.
Asas pengiraan kadar kebocoran adalah: diameter kebocoran adalah bulat; dan saluran kebocoran adalah setara dengan ketebalan bahan yang "dilalui" oleh kebocoran.
Terdapat beberapa piawaian yang berkaitan dengan pengesan kebocoran dan pengesanan kebocoran. Salah satu daripada ini, DIN EN 1330-8, menetapkan "kadar kebocoran piawai helium" untuk digunakan di mana ujian kebocoran dilakukan dengan helium pada perbezaan tekanan 1 bar tekanan atmosfera luar kepada < 1 mbar tekanan dalaman (yang dalam praktiknya adalah keadaan biasa).
Standard persekitaran dan keselamatan memerlukan pengeluar untuk menjamin ketahanan kebocoran produk mereka dengan menjalankan ujian kebocoran sebagai sebahagian daripada proses kelulusan pengeluaran/kualiti. Untuk menunjukkan kadar penolakan bagi ujian menggunakan helium di bawah keadaan helium standard, adalah perlu untuk menukarkan keadaan ujian sebenar yang digunakan kepada keadaan helium standard; terdapat formula standard yang tersedia untuk penukaran tersebut.
Apabila sistem vakum disambungkan kepada pengesan kebocoran, keadaan helium standard mesti ada semasa pengesanan kebocoran helium. Menggunakan helium untuk menjalankan ujian kebocoran menjamin hasil yang boleh dipercayai dan boleh diulang, yang boleh diukur dan dipantau secara berterusan.
Penyedut habuk adalah bahagian penting dalam kehidupan moden hari ini. Dari permulaan yang sederhana beberapa abad yang lalu, kini terdapat sedikit bahagian dalam kehidupan dan kesejahteraan kita yang dipacu oleh teknologi yang tidak terjejas, diperbaiki, disempurnakan atau dimungkinkan oleh vakum.
Dari makanan yang dikeringkan beku dan dibungkus vakum, peti sejuk dan penghawa dingin, meletakkan lapisan mikro pada instrumen pembedahan hingga meneroka rahsia tersembunyi fizik dan angkasa luar, semua ini dan ratusan aplikasi lain hanya mungkin dilakukan melalui vakum yang sering tidak dihargai—tetapi sangat penting. Dan ketika manusia mendorong sempadan aplikasi, teknologi dan penemuan saintifik, peralihan kepada vakum tekanan yang lebih rendah iaitu ke dalam bidang julat vakum ultra dan ekstrem, telah menggandakan aplikasi semasa—dan sebenarnya aplikasi masa depan—lebih jauh lagi.
Ia adalah salah satu kebenaran tidak logik dalam hidup bahawa setiap sistem vakum mempunyai variasi "ketegangan" tersendiri, dengan tiada yang "benar-benar" bebas bocor. Proses dan aplikasi vakum yang berbeza memerlukan kadar kebocoran yang berbeza. Sebenarnya, apa yang boleh diterima pada vakum yang lebih rendah akan dianggap sama sekali tidak boleh diterima (dan berpotensi berbahaya) pada tahap vakum yang lebih tinggi. Pengesanan, pencarian lokasi, penilaian dan pengukuran kebocoran adalah semua sebahagian daripada dunia vakum yang pelbagai dan menarik.
Asas Pengesanan Kebocoran
Muat turun e-Buku "Asas Pengesanan Kebocoran" untuk menemui asas dan teknik pengesanan kebocoran.
- Produk berkaitan
- Blog berkaitan
- Pengetahuan berkaitan
Pengetahuan berkaitan
