Doğrudan akış ve ters akış sızıntı dedektörleri nasıl çalışır?
Test nesnesinden gelen gazın kütle spektrometresine nasıl beslendiğine bağlı olarak iki tür helyum sızıntı dedektörü arasında ayrım yapılabilir:
- Doğrudan akışlı sızıntı dedektörü
- Ters akış sızıntı dedektörü
Şekil 14: Ana akış sızıntısı ve ters akış sızıntı dedektörü arasındaki karşılaştırma
Yukarıdaki şekil iki sızıntı dedektörü tipi için vakum şemalarını göstermektedir. Her iki durumda da kütle spektrometresi bir yüksek vakumlu pompa sistemi ile tahliye edilir.
Doğrudan akış sızıntı dedektörü
Doğrudan akış sızıntı dedektörü durumunda, incelenecek gaz bir soğuk kapan aracılığıyla kütle spektrometresine beslenir. Soğuk kapan sıvı nitrojen (LN2 ) ile soğutulur ve temelde tüm buharların ve diğer kirleticilerin yoğuştuğu bir kriyopompadır. Bu nedenle, geçmişte genellikle kullanılan difüzyon pompası durumunda, LN2 soğutmalı soğuk kapan kütle spektrometresi için difüzyon pompasından tahliye edilen yağ buharlarına karşı etkili bir koruma sağladı.
Yardımcı pompa, test nesnesinin ve gerekli bağlantı hatlarının ön tahliyesi için kullanılır. Çalışan yüksek vakum pompasının yüksek vakum tarafını test öğesine bağlayabilmek için yardımcı pompa test öğesini 5·10 -2 mbar'ın altında bir basınca tahliye etmelidir. Yalnızca bu durumda yardımcı pompa ile soğuk kapan arasındaki valf açılabilir. Yüksek vakum pompası test nesnesini, gerekli bağlantı hatlarını ve kütle spektrometresini 2,10-4 mbar'ın altında bir basınca tahliye etmemelidir. Ardından, kütle spektrometresi sızıntıları tespit etmek için çalışmaya başlayabilir.
Test nesnesindeki kaçağın büyüklüğüne ve kullanılan vakum pompalarının pompalama performansına bağlı olarak pompalama süreleri çok uzun olabilir. Çok büyük bir kaçak durumunda yukarıda belirtilen basınç değerlerine hiç ulaşılamayabilir.
Karşı akış sızıntı dedektörü
Şekil 'in sağ kısmı 14, ters akış sızıntı dedektörünün şemasını göstermektedir. Doğrudan akışlı kaçak dedektörünün diyagramına göre önemli fark hemen fark edilir: Burada yüksek vakum pompası sadece kütle spektrometresini (daha küçük hacim, çok küçük kaçak oranı) boşaltır ve test nesnesini (büyük hacim, genel olarak büyük kaçak oranı) boşaltmaz.
Ters akış sızıntı dedektörü durumunda, incelenecek gazın beslemesinin kaba pompa ile yüksek vakum pompası arasında yapıldığı unutulmamalıdır. Bu, kaba işleme pompasının ve yardımcı pompanın test öğesini, çalışan yüksek vakum pompasının kaba işleme tarafının test öğesine bağlanabileceği bir basınca getirmesi gerektiği anlamına gelir. Günümüzün ters akış sızıntı dedektörlerinde, bu başlangıç basıncı birkaç milibardır. Kaçak detektörünün girişindeki başlangıç basıncına ulaşılırsa, hemen ölçüm moduna geçer.
Kaba işleme pompası ile yüksek vakum pompası arasındaki kısmi test gazı basıncı p FV, TG, kaçak dedektörüne akan test gazı TG (TG = helyum veya hidrojen) ile artırılır.
Yüksek vakum pompası çalışırken, pompanın yüksek vakum tarafındaki kısmi test gazı basıncı (p HV, TG ), pompanın ön vakum tarafındakinden (p FV, TG ) önemli ölçüde daha düşüktür. Bu nedenle, test gazının belirli bir miktarı - yüksek vakum pompasının sevk yönünün tersine - ön vakum tarafından yüksek vakum pompasının yüksek vakum tarafına akar. Bu olgu, bu tür bir sızıntı dedektörünün ters akış sızıntı dedektörü olarak adlandırılmasının nedenidir".
Dengede, yüksek vakum tarafında, yani yüksek vakum pompası ile kütle spektrometresi arasında aşağıdaki kısmi test gazı basıncı olacaktır:
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
Bu durumda C 0, TG, test gazı TG için yüksek vakum pompasının sıfır test gazı akışında sıkıştırılmasını ifade eder (yüksek vakum pompasından geçen test gazının net gaz akışı sıfırdır).
Günümüzde, karşıt akış sızıntı dedektörlerindeki yüksek vakum pompası her zaman bileşik kademeli bir turbomoleküler pompadır. Bu yüksek vakumlu pompa tipi, yüksek bir ön vakum tutarlılığına (birkaç milibar) sahiptir ve bu nedenle milibar aralığında yukarıda belirtilen yüksek başlatma basınçlarına olanak tanır. Bu nedenle, sızıntı tespit işlemi yağ difüzyon pompalı bir sızıntı detektörüne kıyasla çok daha hızlı gerçekleştirilebilir (yağ difüzyon pompasının ön vakum tutarlılığı ⋍ 5 ·10 -1 mbar).
Turbomoleküler pompalar, ağır gazlar (hidrokarbon, yağ buharı) için çok yüksek sıkıştırma özelliğine sahiptir. Bu nedenle şu geçerlidir: Helyum ve hidrojen gibi hafif test gazlarının aksine, ağır gaz partikülleri prensip olarak kütle spektrometresine ulaşamaz. Bu nedenle turbomoleküler pompa, kütle spektrometresi için optimum koruma sağlar ve sıvı nitrojen soğutmalı bir soğuk kapanı gereksiz kılar.
Kısmi akış modunda karşı akış kaçak dedektörü
Test numunesinin gerekli başlangıç basıncına kadar boşaltılması mümkün değilse veya test numunesinin büyüklüğü veya kaçak nedeniyle çok uzun sürüyorsa, kaçak detektörüne ek olarak bir yardımcı pompa (yardımcı pompa sistemi) kullanılmalıdır.
Sızıntı dedektörü daha sonra kısmi akış konfigürasyonu olarak adlandırılan bir yapılandırmada çalıştırılacaktır. Yardımcı pompa genellikle sızıntı dedektörüne entegre edilmiş kaba işleme pompasından daha yüksek performansa sahip olduğundan, daha büyük miktarda test gazı yardımcı pompadan geçecek ve sadece az miktarda test gazı kaba işleme pompasından geçecektir.
Ancak, kaba işleme pompasının girişindeki ve yardımcı pompanın girişindeki p FV, TG kısmi test gazı basıncı aynı olacaktır. Bu nedenle, test nesnesinden gelen toplam test gazı akışı
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
şunlarla:
- S RP, TG = test gazı için sızıntı detektörüne entegre edilmiş kaba işleme pompasının pompalama hızı, l/s cinsinden
- S AP, TG = l/s cinsinden test gazı için yardımcı pompanın pompalama hızı
Bu, kaçak dedektörünün göstermesi gereken gerçek kaçak oranıdır. Ancak kaçak dedektörünün elektronik sistemi aşağıdaki ekranı oluşturur
q L, ekran = p FV, TG · S RP, TG
Şunlardan elde edilen sonuçlar:
Sızıntı dedektörü tarafından görüntülenen sızıntı oranı q L, gerçek sızıntı oranı qL ve kısmi akış oranı γ'nin ürününe eşittir:
q L, ekran = qL · γ
γ = S RP, TG /(S RP, TG + S AP, TG ) (kısmi akış oranı)
Kısmi akış oranı yukarıda belirtilen ilişki aracılığıyla hesaplanır.
Pratikte, kısmi akış oranının deneysel olarak belirlenmesi genellikle mantıklıdır. Bunun için, sızıntı oranı qL olan bir kalibrasyon sızıntısı doğrudan sızıntı dedektörüne takılır (yardımcı pompa olmadan çalışma). Ardından sızıntı dedektörü, ekranda sızıntı dedektörünün gerçek sızıntı oranını qL gösterir. qL değeri kaydedilmelidir. Şimdi aynı kalibrasyon sızıntısını test nesnesine kurar, yardımcı pompayı çalıştırır ve sızıntı dedektörünün ekranındaki göstergeyi kaydeder. Sızıntı dedektörü artık qL, ekranını gösterir. Aranan kısmi akış oranı γ daha sonra q L, ekran ve qL oranından elde edilir:
γ = q L, ekran / qL (kısmi akış oranı)
Şekil 15: Kısmi akış prensibine sahip bir sızıntı dedektörünün kullanımına örnek
Vakum sistemlerine bağlantı
Bir sızıntı dedektörünün çok kademeli vakum pompa setlerine sahip vakum sistemlerine bağlanması genellikle kısmi akış yöntemi kullanılarak gerçekleştirilir. Bağlantının en iyi nerede yapılacağını düşünürken, sızıntı dedektörünün genellikle bağlantı flanşında yalnızca düşük pompalama hızına sahip küçük, taşınabilir bir ünite olduğu unutulmamalıdır (tipik olarak S RP, TG ⋍ 2 m3 /saat ile). Bu nedenle, örneğin S AP, TG = 10.000 l/s = 36.000 m3 /saat pompalama hızına sahip bir difüzyon pompasına karşı beklenen kısmi akış oranına göre hangi sızıntı oranlarının tespit edilebileceğini tahmin etmek çok daha önemlidir.
Yüksek vakumlu ve Roots pompalı sistemlerde en güvenli seçenek, sızıntı dedektörünü döner paletli pompa ile Roots pompa arasına veya Roots pompa ile yüksek vakum pompası arasına bağlamaktır. Basınç, kaçak detektörü için izin verilen giriş basıncından daha yüksekse, kaçak detektörü bir dozaj valfi (değişken kaçak) aracılığıyla bağlanmalıdır. Elbette uygun bir konnektör flanşı bulunmalıdır.
Ayrıca, gerektiğinde sızıntı dedektörünün hızlı bir şekilde bağlanabilmesi (sistem çalışırken) ve sızıntı tespitinin valf açıldıktan hemen sonra başlayabilmesi için başlangıçtan itibaren bu noktaya bir valf takılması önerilir. Bu valfin yanlışlıkla açılmasını önlemek için, normal vakum sistemi çalışması sırasında bir kör flanşla kapatılmalıdır.
Bir sızıntı dedektörünü daha büyük vakum sistemlerine bağlamanın başka bir yöntemi de sistemin atmosfer tarafındaki çıkışına bir karıştırıcı takmaktır. Ardından egzoz gazındaki test gazı konsantrasyonundaki artış kokusu alınır.
- SLD = SR, He
dallanma noktasında l/s cinsinden helyum için sızıntı dedektörüne entegre edilmiş kaba işleme pompasının pompalama hızı - SAP = SAP, He
dallanma noktasında l/s cinsinden helyum için yardımcı pompanın pompalama hızı
Zaman sabiti
Bir vakum sistemi için zaman sabiti şu şekilde sağlanır:
t = Vch / S eff
- Vch = Kapların l cinsinden hacmi
- S eff = Kaptaki test gazı için l/s cinsinden etkili pompalama hızı
Şekil 16: Sinyal yanıtları ve pompalama hızı
Şekil Yukarıdaki 16, 2 farklı konfigürasyon için bir sızıntı dedektörüne bağlı bir test nesnesine bir sızıntı püskürtüldükten sonra sinyalin seyrini göstermektedir:
- Test nesnesi (hacim Vch ) doğrudan sızıntı dedektörü LD'ye bağlıdır (test gazı için etkili pompalama hızı = SLD ).
- 1'e ek olarak, aynı etkili pompalama hızı SAP = SLD olan bir yardımcı pompa ( = kısmi akış pompası) test nesnesine bağlanır.
Şekilde karşılık gelen iki sinyal eğrisi gösterilmektedir. 16:
Eğri 1: Bir "ölü süre" t 0'dan sonra sinyal, kısmi test gazı basıncı pTG ile orantılı olarak zaman t'de ilişkiye göre artar
pTG = (qL /S eff ) · { 1 − exp[ − (t − t0 )/τ
Belirli bir süre sonra sinyal nihai değerinin bir kısmına ulaşır
- t − t0 = 1 τ son değerin %63,3'ü
- t − t0 = 3 τ nihai değerin %95,0'ı
- t − t0 = 6 τ nihai değerin %99,8'i
Üstel terim t - t0 >> τ için kaybolacağından, sinyalin nihai değeri pTG = qL /S eff ile orantılıdır.
Nihai değerin %95'ine ulaşmak için gereken t - t0 zaman aralığına tepki süresi denir. Bu, 3 τ ile verilir.
Bu, eğri 1 için aşağıdaki sonucu verir: Sinyalin nihai değeri pTG = qL /S eff = qL /SLD = p1 ile orantılıdır
Yanıt süresi = 3 τ = 3 Vch /S eff = 3 Vch /SLD = τ1
Eğri 2 ( = kısmi akış işletimi) için şu geçerlidir: Sinyalin son değeri pTG = qL /S eff = qL /(SLD + SAP ) = 0,5 · p1 ile orantılıdır
Yanıt süresi = 3 τ = 3 Vch /S eff = 3 Vch /(SLD + SAP ) = 0,5 · τ1
Bir yardımcı pompanın ( = kısmi akış pompası) montajı nedeniyle yanıt süresi her zaman kısalır ve sinyalin nihai değeri her zaman azalır. Yukarıdaki örnekte yanıt süresi yarıya iner, ancak sinyalin nihai değeri de yarıya iner.
Kısa tepki süresi, sinyalin hızlı bir şekilde değişmesi ve gösterilmesi anlamına gelir. Bu sayede kaçak tespiti için harcanan zaman önemli ölçüde azaltılabilir. Sinyalin nihai değerinin daha küçük olması sonucunda ortaya çıkan dezavantaj, günümüzün sızıntı dedektörlerinin çok yüksek hassasiyeti nedeniyle çoğu durumda ciddi sorunlarla sonuçlanmaz.
Sonuç: Kısmi akış işletimi kaçak tespiti için harcanan zamanı azaltır!
Birbirine ve ilişkili pompalara bağlı birden fazla hacim için toplam zaman sabitlerinin tahmini, bireysel zaman sabitleri eklenerek başlangıçta yaklaşık olarak yapılabilir.
Sızıntı Tespiti Temelleri
Sızıntı tespitinin temellerini ve tekniklerini keşfetmek için "Sızıntı Tespiti Temelleri" adlı e-Kitabımızı indirin.
- Diğer Ürünler
- İlgili bloglar
- Daha Fazla Bilgi Edinin
Daha Fazla Bilgi Edinin
