Wat is een lek en hoe wordt de leksnelheid in vacuümsystemen gemeten?
Naast de eigenlijke vacuümsystemen en hun afzonderlijke componenten (vacuümvat, leidingen, kleppen, meetapparaten enz.) Er zijn talrijke andere systemen en producten op het gebied van industrie en onderzoek met hoge eisen aan dichtheid of zogenaamde 'hermetische afdichting', met name componenten voor de automobiel- en koelindustrie.
Vaak gemaakte algemene uitspraken, zoals 'geen detecteerbare lekken' of 'lekkage nul', vormen geen adequate basis voor acceptatietests.
Elke ervaren technicus weet dat goed geformuleerde acceptatiespecificaties een bepaalde leksnelheid onder gedefinieerde omstandigheden aangeven. Welke leksnelheid aanvaardbaar is, wordt ook bepaald door de toepassing zelf.
Soorten lekkages
De eenvoudigste definitie van de term 'lekkage' is: een lek is een 'opening' in een (scheidings)wand of -barrière waardoor vaste stoffen, vloeistoffen of gassen ongewenst kunnen binnendringen of ontsnappen.
Afhankelijk van het type materiaal of verbindingsfout worden de volgende soorten lekkages onderscheiden:
- Lekkages aan demonteerbare verbindingen: Flenzen, geaarde pasvlakken, afdekkingen
- Lekkages in vaste verbindingen: soldeer- en lasnaden, lijmverbindingen
- Lekken door porositeit: vooral na mechanische vervorming (buigen!) of thermische verwerking van polykristallijne materialen en gietwerk
componenten - Thermische lekken: openen bij extreme temperatuurbelasting (warmte/koude), vooral bij soldeerverbindingen
- Schijnbare (virtuele) lekken: er komen hoeveelheden gas vrij uit holtes en holtes in gietstukken, blinde gaten en voegen (ook door verdamping van vloeistoffen).
- Indirecte lekken: lekkende toevoerleidingen in vacuümsystemen of ovens (water, perslucht, pekel)
- 'Seriële lekkages': dit is de lekkage aan het einde van meerdere 'in serie geschakelde ruimtes', bijvoorbeeld een lekkage in het met olie gevulde gedeelte van het oliecarter van een schottenpomp
- 'Eenrichtingslekken': hierdoor kan gas in de ene richting stromen, maar zijn ze in de andere richting dicht (zeer zelden)
Een gebied dat niet gasdicht is, maar niet lekt in de zin dat er een defect aanwezig is, is:
- Permeatie: natuurlijke permeabiliteit van gas door materialen zoals rubberslangen, elastomeer afdichtingen, enz. (tenzij deze onderdelen broos zijn geworden en dus 'lekken').
Lekkagesnelheid, lekgrootte (gas) massastroom
Geen enkel vacuümapparaat of systeem kan en hoeft absoluut vacuümdicht te zijn. Het eenvoudige is dat de leksnelheid laag genoeg moet zijn om de vereiste bedrijfsdruk, gasbalans en einddruk in de vacuümcontainer niet te beïnvloeden. Hieruit volgt dat hoe strenger de eisen met betrekking tot de gasdichtheid van een toestel, hoe lager het vereiste drukniveau.
Om lekkages kwantitatief te kunnen registreren, werd het concept van de 'lekkagesnelheid' met het symbool qL en de eenheid mbar·l/s ingevoerd.
Er is sprake van een leksnelheid van qL = 1 mbar·l/s wanneer in een gesloten, geëvacueerd vat met een volume van 1 l de druk met 1 mbar per seconde stijgt of, bij positieve druk in het vat, de druk met 1 mbar per seconde daalt.
De leksnelheid van een vat geeft de hoeveelheid gasstroom aan die door de wanden van het vat ontsnapt. Er moet echter worden opgemerkt dat de lekkingsgraad van een lek afhankelijk is van het type gas.
Als de gastemperatuur T en de molaire massa M van een gas G bekend zijn, kan de gasmassastroom worden berekend op basis van de leksnelheid qL met behulp van de toestandsvergelijking voor ideale gassen via de relatie
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
Eenheid: g/s
met:
- R = 83,14 (mbar·l) / (mol·K)
- T = Gastemperatuur in K
- M = molaire massa in g/mol
- Δm = massa in g
- Δt = tijdspanne in s
De relatie wordt gebruikt:
a) om de massastroom Δm/Δt te bepalen bij een bekend lekdebiet van qL of
b) om het lekdebiet qL bij een bekende gasmassastroom Δm/Δt te bepalen
Voor hoogvacuümsystemen geldt de volgende vuistregel:
- qL (lucht) < 10 -6 mbar·l/s = Systeem is "zeer dicht"
- qL (lucht) < 10 -5 mbar·l/s = Systeem is "voldoende dicht"
- qL (lucht) > 10 -4 mbar·l/s = Systeem is "lekkend"
Een lek kan in feite worden gecompenseerd door een vacuümpomp met voldoende capaciteit, aangezien het volgende geldt voor de haalbare einddruk (bedrijfsdruk) P ult:
P ult = qL /S eff
met:
- QL = Lekkagesnelheid in mbar·l/s
- S eff = Effectieve pompsnelheid van de vacuümpomp bij het vacuümvat in l/s
Als S eff voldoende wordt verhoogd, is het dus altijd mogelijk om een gespecificeerde einddruk (bedrijfsdruk) te bereiken, onafhankelijk van de leksnelheid qL.
In de praktijk kan een gewenste verhoging van S eff echter om economische en ontwerpredenen (hoge investeringskosten, grote ruimtebehoefte) niet haalbaar zijn.
Als de gewenste einddruk in een vacuümsysteem niet wordt bereikt, zijn er meestal twee oorzaken:
1. de aanwezigheid van lekken en/of
2. het vrijkomen van gas uit de wanden van het vat en het ontgassen van de afdichting.
Om onderscheid te maken tussen de twee oorzaken kan een deeldrukanalyse met een massaspectrometer of de tijdgerelateerde drukstijgingstest worden gebruikt. Aangezien bij de drukstijgingstest alleen het bestaan van een lek kan worden vastgesteld en niet de positie ervan in het systeem, wordt aanbevolen om een heliumlekdetector te gebruiken waarmee de lekken ook aanzienlijk sneller kunnen worden gelokaliseerd.
Om een overzicht te verkrijgen van de correlatie tussen de geometrische grootte van het gat en de bijbehorende leksnelheid is het mogelijk om te werken op basis van de volgende ruwe schatting:
Een rond gat met een diameter van D = 1 cm in de wand van een vacuümvat wordt afgesloten met een klep. Buiten heerst atmosferische druk (p = 1013 mbar), binnen een vacuüm. Bij het openen van de klep stroomt de lucht met geluidssnelheid (vs = 330 m/s) door de openingsdoorsnede van A = π·(D2 /4) ~ 0,79 cm2 in het vat. De luchthoeveelheid die in het vat stroomt, bedraagt qL (lucht) = p·vs ·A ~ 2,6·104 mbar·l/s.
Als alle andere omstandigheden identiek blijven en helium met een geluidssnelheid van 970 m/s in het gat mag stromen, dan is de heliumlekkagesnelheid qL (helium) ~ 7,7·104 mbar·l/s, dus is de lekkagesnelheid aanzienlijk hoger.
Deze grotere 'gevoeligheid' voor helium wordt gebruikt bij het opsporen van lekken en heeft geleid tot de ontwikkeling en massaproductie van zeer gevoelige lekdetectoren op basis van helium.
Afbeelding : 1 is de correlatie tussen de grootte van het gat en de leksnelheid voor lucht, met de geschatte waarde van qL (lucht) = 104 mbar·l/s voor het "gat van 1 cm".
Uit de tabel blijkt dat wanneer de diameter van het gat D wordt verminderd tot 1 µm = 0,001 mm (= vermindering van D met de factor 10000), de leksnelheid 1,0·10 -4 mbar·l/s bedraagt, een waarde die in vacuümtechnologie al een groot lek vertegenwoordigt (zie vuistregel hierboven).
Een leksnelheid van 1,0·10 -12 mbar·l/s komt overeen met een gatdiameter van 1 angstrom (Å); dit is de onderste detectiegrens voor moderne heliumlektesters.
Aangezien de rasterconstanten voor veel vaste stoffen meerdere Å bedragen en de diameter van kleinere moleculen (H2, He) ongeveer 1 Å bedraagt, kan inherente permeatie door vaste stoffen met behulp van heliumlekdetectoren metrologisch worden geregistreerd. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van gekalibreerde testlekken met zeer lage lekpercentages. Dit is een meetbaar 'lek' maar geen 'lek' in de zin van een defect in het materiaal of de verbinding.
Correlatie tussen gatdiameter en leksnelheid, schatting voor lucht
Afbeelding 1: Correlatie tussen gatdiameter en leksnelheid, schatting voor lucht
Correlatie tussen dichtheidscriteria en lekpercentages
Schattingen of metingen van de grootte van atomen, moleculen, virussen, bacteriën, enz. hebben vaak aanleiding gegeven tot alledaagse termen als 'waterdicht' of 'bacteriedicht'.
| Concept / criterium | Commentaar | qL (mbar·l/s) | Relevante deeltjesgrootte |
|---|---|---|---|
| Waterdicht* | Druppels | < 10 -2 | |
| Waterdichtheid | "Zweten" | < 10 -3 | |
| Bacteriedicht* (cocci) (stangvormig) |
< 10 -4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| Oliedichtheid | < 10 -5 | ||
| Virusbestendig* (vaccins, bv. tegen pokken) (kleinste virussen, bacteriofagen) (viroids, RNA) |
< 10 -6 < 10 -8 < 10 -10 |
||
| Gasdichtheid | < 10 -7 | ||
| "Absoluut dicht" | Technisch | < 10 -10 |
* In tegenstelling tot damp moet een onderscheid worden gemaakt tussen hydrofiele en hydrofobe vaste stoffen. Dit geldt ook voor bacteriën en virussen, aangezien ze voornamelijk in oplossingen worden vervoerd.
Aard en detectiegrenzen van vaak gebruikte lekdetectiemethoden:
Afbeelding 2: Aard en detectiegrenzen van vaak gebruikte lekdetectiemethoden.
Standaard heliumlekkagesnelheid
Voor een eenduidige definitie van een lek zijn de drukwaarden aan weerszijden van de (vat)wand en de aard van het medium dat door die wand stroomt (viscositeit, molaire massa) vereist. Voor het geval dat de test wordt uitgevoerd met helium bij een drukverschil van 1 bar van de atmosferische druk (extern) tot het vacuüm (p < 1 mbar, intern), wat vaak in de praktijk voorkomt, is in de norm DIN EN 1330-8 de aanduiding 'helium standaard leksnelheid' ingevoerd.
Om het afwijzingspercentage voor een test met helium onder standaard heliumomstandigheden aan te geven, moeten eerst de werkelijke testomstandigheden worden omgezet in heliumstandaardomstandigheden. Enkele voorbeelden van dergelijke conversies worden hier getoond:
Afbeelding 3: Voorbeelden voor het omrekenen van lekkingsgraad naar heliumstandaardlekkingsgraad
Conversieformules
Met betrekking tot de omzetting van druk en gastype (viscositeit, molaire massa) moet worden opgemerkt dat verschillende formules gelden voor laminaire viscositeit en moleculaire stroom. De grens tussen deze gebieden is zeer moeilijk te bepalen. Als richtlijn kan worden uitgegaan van het volgende: bij lekkagepercentages
qL > 10 -4 mbar·l/s laminaire viskeuze stroom
en bij lekkagesnelheden
qL < 10-6 mbar·l/s moleculaire stroom
In het tussenbereik moet de fabrikant (die onder de garantievoorwaarden aansprakelijk is) waarden aannemen aan de veilige kant.
Hier verwijzen de indexen 'I' en 'II' naar de ene of de andere drukverhouding en de indexen '1' en '2' naar de binnen- en buitenkant van het lekpunt. Voor een zinvol gebruik van de formules moet de druk p1 altijd de hogere druk zijn ( p1 > p22 ).
Tabel 2: Formules voor de omrekening van druk en gassoort
p = druk, q = gasstroom (lekkagesnelheid), η = viscositeit, M = molaire massa
| Debiet | Laminaire viscositeit | Moleculair |
| Druk | qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| Soort gas | q GasA · η GasA = q GasB · η GasB | q GasA·(M GasA) 1/2 = q GasB·(M GasB) 1/2 |
Begripsbepalingen
Bij het opsporen van lekkages moet men over het algemeen twee taken onderscheiden: (1) het opsporen van lekkages en (2) het meten van de lekkagesnelheid.
Daarnaast maken we op basis van de stroomrichting van de vloeistof een onderscheid tussen:
a. vacuümmethode (soms bekend als een "buiten-in-lek"), waarbij de stroomrichting in het testobject ligt; de druk in het testobject is lager dan de omgevingsdruk en de
b. positieve-drukmethode (vaak aangeduid als "inside-out leak"), waarbij de stroom van binnenuit naar buiten plaatsvindt; de druk in het testobject is hoger dan de omgevingsdruk.
De testobjecten moeten waar mogelijk worden onderzocht in een configuratie die overeenkomt met hun latere toepassing, d.w.z. componenten voor vacuümtoepassingen met behulp van de vacuümmethode en met behulp van de positieve-drukmethode voor onderdelen die aan de binnenkant onder druk worden gezet.
Bij het meten van de lekkingsgraad maken we onderscheid tussen het registreren van:
a. individuele lekkages (lokale meting), Afb. 4b en 4d hieronder,
en registratie
b. het totaal van alle lekken in het testobject (integrale meting), Afb. 4a en 4c hieronder.
De kleinste leksnelheid die volgens de acceptatiespecificaties niet meer wordt getolereerd, wordt de afwijzingsleksnelheid genoemd. De berekening ervan is gebaseerd op de voorwaarde dat het testobject tijdens zijn geplande gebruiksduur niet mag falen door storingen veroorzaakt door lekkages, en dit met een zekere mate van zekerheid.
Vaak wordt niet het lekdebiet van het testobject onder normale bedrijfsomstandigheden bepaald, maar het debiet van een testgas onder vergelijkbare omstandigheden. De verkregen meetwaarden moeten worden omgerekend naar de werkelijke toepassingssituatie met betrekking tot de drukken binnen en buiten het testobject en het type gas (of vloeistof) dat wordt gehanteerd.
Wanneer er een vacuüm aanwezig is in het testobject (p < 1 mbar), atmosferische druk buiten en helium wordt gebruikt bij het testgas, verwijst men naar standaard heliumomstandigheden. Er is altijd sprake van standaard heliumcondities tijdens de heliumlekdetectie voor een vacuümsysteem wanneer het systeem is aangesloten op een lekdetector, als het systeem wordt afgepompt tot minder dan 1 mbar en als het wordt besproeid met helium (spuittechniek ) (zie Afb. 4b).
Als het testobject alleen door de lekdetector wordt geëvacueerd, dan zou men zeggen dat de lekdetector in de directe-stroommodus van de lekdetector (LD) werkt. Als het testobject zelf een compleet vacuümsysteem met een eigen vacuümpomp is en als de lekdetector parallel met de pompen van het systeem wordt gebruikt, dan verwijst men naar de gedeeltelijke-stroommodus van de lekdetector. Men verwijst ook naar de gedeeltelijke-stroommodus wanneer parallel aan de lekdetector een afzonderlijke hulppomp wordt gebruikt.
Bij gebruik van de positievedrukmethode is het soms onpraktisch of zelfs onmogelijk om de leksnelheid direct te meten, terwijl dit zeker in een enveloppe kan worden opgemerkt die het testmonster omsluit. De meting kan worden uitgevoerd door die mantel op de lekdetector aan te sluiten of door accumulatie (= verhoging van de concentratie) van het testgas in de mantel (zie Afb. 4c). De bomtest is een speciale versie van de accumulatietest.
Bij de zogenaamde sniffertechniek, een andere variant van de positievedruktechniek, wordt het uit lekken vrijkomende (test)gas opgevangen (afgezogen) door een speciaal apparaat en aan de lekdetector toegevoerd (zie Afb. 4d) Deze procedure kan worden uitgevoerd met helium, waterstof, koelmiddelen of SF6 als testgas.
Gebruiksmogelijkheden voor een vacuümlekdetector op basis van de vacuümmethode (a, b) en op basis van de positievedrukmethode (c, d)
Afbeelding 4: Gebruiksmogelijkheden voor een vacuümlekdetector op basis van de vacuümmethode (a, b) en op basis van de positievedrukmethode (c, d)
| Vacuümmethode = vacuüm in het monster | Positieve-drukmethode = testgas onder druk in het monster |
| a: Behuizingstest (integrale lekdetectie) | c: Behuizingstest (integrale lekdetectie) |
| b: Spuittechniek (lokale lekkagedetectie) | d: Sniffertechniek (lokale lekdetectie) |
Basisbeginselen van lekdetectie
Download ons eBook 'Grondbeginselen van lekdetectie' en ontdek de basisprincipes en technieken voor lekdetectie.
- Verwante producten
- Gerelateerde blogs
- Gerelateerde informatie
