Cuatro formas de encontrar fugas de vacío utilizando helio 6 de febrero de 2019
ÍNDICE DE CONTENIDOS
- Detección de fugas de vacío a niveles de vacío bajos
- ¿Por qué se utiliza helio para detectar fugas?
- ¿Cómo funciona la detección de fugas de helio?
- ¿Cómo se calculan las tasas de fuga de vacío?
- Métodos de detección de fugas de vacío
- ¿Qué métodos de detección de fugas de helio (HLD) existen?
- Tasas de fuga estándar de los detectores de fugas de helio
- Desafíos al utilizar detectores de fugas de helio
Por supuesto, este es un caso extremo, pero a medida que las presiones de vacío disminuyan cada vez más, incluso los sistemas más aparentemente seguros e impecables pronto se mostrarán menos herméticos.
La hermeticidad (o “ausencia de fugas”) es necesaria por numerosos motivos, incluidos: para garantizar y mantener la presión/el vacío; para la seguridad del producto; para los estándares medioambientales; y para la eficiencia del proceso. Hay dos aspectos de la tecnología de fugas que merece la pena examinar: la detección de fugas y la medición de fugas.
Detección de fugas de vacío a niveles de vacío bajos
Los diferentes procesos y aplicaciones de vacío requieren diferentes requisitos de tasa de fuga. De hecho, lo que es aceptable a un vacío más bajo se consideraría totalmente inaceptable (y, sin duda, muy peligroso) a un nivel de vacío más alto. El único método creíble para detectar fugas inferiores a 1x10-6 mbar*l/s es con un detector de fugas de helio. Un diámetro de fuga para 1x10-12 mbar*l/s (que equivale a 1Å) es también el diámetro de una molécula de helio y es la tasa de fuga más pequeña que se puede detectar.
¿Por qué se utiliza helio para detectar fugas?
El helio se utiliza como gas trazador para detectar fugas por varias razones. Estos incluyen el hecho de que solo constituye ~ 5 ppm en el aire, por lo que los niveles de fondo son muy bajos. El helio también tiene una masa relativamente baja, por lo que es “móvil” y completamente inerte/no reactivo. El helio también es no inflamable y generalmente está ampliamente disponible y es de bajo coste.
Esta asociación con el helio es una de las razones por las que uno de los métodos de detección de fugas más precisos y rápidos emplea el helio como gas trazador y un espectrómetro de masas para el análisis/medición. Además, el helio se elige como gas trazador porque es ligero, muy rápido y absolutamente inofensivo.
¿Cómo funciona la detección de fugas de helio?
La detección de helio funciona de la siguiente manera: la unidad que se está comprobando se presuriza desde dentro o se presuriza desde fuera con helio. El gas de cualquier posible fuga se recoge y se bombea al espectrómetro de masas para su análisis, y cualquier valor por encima de la traza de fondo de helio es evidencia de una fuga. El propio espectrómetro funciona de la siguiente manera: cualquier molécula de helio aspirada en el espectrómetro se ionizará y estos iones de helio “volarán” hacia la trampa de iones, donde se analiza y registra la corriente de iones. A partir de la corriente de ionización se calcula entonces la tasa de fuga.
La lectura de referencia (o de fondo) del helio es una parte importante del proceso. Esta lectura de referencia proporciona el “ruido de fondo” para el helio, que se puede considerar como el nivel ambiental de helio. La mayoría de este helio de fondo está contenido en entre 100 y 150 microcapas de moléculas de gas y es gas permanente (contenido en el aire) que se encuentra en el detector de fugas, las bombas, la pieza de prueba, etc. La eliminación de este helio superficial se denomina “desgasificación” y comienza cuando se ha bombeado todo el gas, una vez que las moléculas se han “desorbido” de la superficie interior del metal. Esta desorción comienza a una presión de aproximadamente 10-1 mbar. Dicha desgasificación mediante la disminución de la presión o el calentamiento de la superficie de la cámara no es inusual, pero incluso entonces no elimina completamente todo el gas en las superficies. Además del helio superficial, el helio “en espera” también está contenido en juntas tóricas que actúan como esponjas, a la vez que proporcionan una buena indicación de lo limpia que está la unidad. Los detectores de fugas de helio modernos son capaces de medir y calcular constantemente este nivel interno (de fondo) y restarlo automáticamente de la medición de la tasa de fugas.
¿Cómo se calculan las tasas de fuga de vacío?
Para poder calcular una tasa de fuga de gases, la presión desempeña un papel importante a la hora de especificar el tamaño de una fuga de gas). La tasa de fuga es la cantidad de gas que fluye a través del material/membrana a un determinado diferencial de presión por tiempo. La base de los cálculos de la tasa de fuga son: el diámetro de la fuga es circular y el canal de fuga es equivalente al grosor del material a través del cual “pasa” la fuga. Tasa de fuga = cantidad de gas/tiempo = presión x volumen/tiempo, y se mide en mbar*l/s o unidades equivalentes.
Métodos de detección de fugas de vacío
Existen varios métodos de detección de fugas, uno de los cuales debe emplearse, que se basan aproximadamente en la presión/vacío que se está examinando. Lo más sencillo es la prueba de burbujas, que se ilustra mejor colocando una bomba de bicicleta pinchada bajo el agua y marcando de dónde proceden las burbujas, o colocando líquido lavavajillas alrededor de la junta de una tubería de agua/gas activa y observando si el líquido forma espuma. Ambas son formas fiables de detectar una fuga de baja presión. La prueba de burbujas se utiliza hasta vacíos de 10-4 mbar.
La prueba de caída de presión es exactamente eso: la cámara se presuriza y se observa y registra la caída de presión. La prueba de caída de presión se utiliza hasta 10-3 mbar. La prueba de aumento de presión actúa en sentido inverso. La presión dentro de la cámara aumenta y se observa la capacidad de mantener la presión en relación con la lectura de la presión de entrada. La prueba de aumento de presión se utiliza hasta 10-6 mbar*l/s.
Sin embargo, es el modo “integral” de helio (preciso hasta 10-12 mbar*l/s) y la prueba “de olfateo” de helio (precisa hasta 10-7 mbar*l/s), que son los procedimientos de detección de fugas más exactos en rangos de alto vacío.
¿Qué métodos de detección de fugas de helio (HLD) existen?
Hay dos métodos de detección de fugas de helio (HLD): pruebas integrales o pruebas locales. La elección del método a utilizar depende de la situación, así como de la finalidad del producto final. El método “integral” muestra si hay una fuga (pero no cuántas fugas diferentes), el método “local” muestra dónde hay una fuga (pero la determinación exacta de la tasa de fuga/tamaño de la fuga es difícil). Ambos métodos de detección se pueden subdividir en dos partes adicionales: “muestra bajo presión” y “muestra bajo vacío”.
El primer de los dos procedimientos de prueba integrales se denomina el método “integral (muestra bajo presión)”, en el que la cámara que se está investigando se coloca en un recipiente sellado. La cámara se presuriza con helio y el recipiente se conecta al detector de fugas. En caso de fuga, se extrae una muestra de gas del interior del contenedor y pasa a través de un espectrómetro de masas donde se registra cualquier aumento (sobre la lectura de fondo) de los niveles de helio.
Fig. 2: Prueba integral con helio (muestra bajo presión).
- Cámara de vacío
- Muestra de prueba bajo presión
- Detección de fugas
- Gas de prueba (helio)
- Fase de bombeo*
*solo necesario para grandes volúmenes de cámara
En el método de “prueba integral (muestra bajo vacío)”, la cámara se coloca de nuevo dentro de un contenedor, pero en este caso el contenedor se presuriza con helio y la cámara de prueba se conecta directamente al detector de fugas. Se extrae una muestra del gas dentro de la cámara y pasa a través de un espectrómetro de masas donde, de nuevo, se registra cualquier aumento en el helio de la lectura de fondo.
Fig. 3: Prueba integral con helio (muestra al vacío).
- Cámara de presión
- Muestra de prueba bajo presión
- Detección de fugas
- Gas de prueba (helio)
- Fase de bombeo*
*solo necesario para grandes volúmenes de cámara
El segundo par de procedimientos a veces se denominan pruebas de “olfateo” y “pulverización”. En el método de “olfatometría local (muestra bajo presión)”, la cámara se presuriza con helio y se pasa un dispositivo olfatometría alrededor de los posibles puntos de fuga de la cámara (soldaduras, bridas, portales, conductos de instrumentos, etc.) para aspirar cualquier gas que se escape. Este gas “olfatoso” se pasa a un espectrómetro de masas para registrar cualquier nivel elevado (es decir, por encima del fondo) de helio.
Fig. 4: Prueba local con helio (muestra bajo presión).
- Olfatometría
- Muestra de prueba bajo presión
- Detección de fugas
- Gas de prueba (helio)
En el método de “pulverización local (muestra al vacío)”, la cámara se bombea al vacío y el gas helio se pulveriza/dirige libremente hacia los posibles puntos de fuga, con la intención de que parte de este helio puro se succione hacia la cámara. El gas, desde el interior de la cámara, se pasa a un espectrómetro para registrar cualquier nivel elevado de helio.
Fig. 5: Prueba local con helio (muestra al vacío).
- Probar el pulverizador de gas
- Muestra de prueba bajo vacío
- Detección de fugas
- Gas de prueba (helio)
- Fase de bombeo*
*solo es necesario para grandes volúmenes de muestras de prueba
Para resumir y simplificar las diferencias entre estos dos tipos de procedimientos de DAN: el método integral requiere que la cámara se coloque dentro de una unidad a prueba de gases (no siempre es posible), mientras que en el método de prueba local la cámara se presuriza internamente con helio o se aspira internamente con helio rociado generosamente sobre la superficie de la cámara en puntos propensos a fugas. En ambas pruebas, el helio entra en el detector de fugas a través de posibles fugas y pasa al espectrómetro para su análisis.
Tasas de fuga estándar de los detectores de fugas de helio
Existen varias normas relacionadas con los detectores de fugas y la detección de fugas. Una de ellas, DIN EN 1330-8, designa el “tasa de fuga estándar de helio” para su uso cuando se realiza una prueba de fugas con helio a una presión diferencial de 1 bar de presión atmosférica externa a < 1 mbar de presión interna (que EN la práctica son condiciones comunes).
¿Cuál es la unidad SI de tasa de fuga?
La unidad SI de una tasa de fuga medida es Pa.m3.s-1. La unidad SI de presión es el Pascal (Pa), donde 100 Pa = 1 mbar = 1 hPa. Una unidad comúnmente utilizada para la tasa de fuga es mbar.l.s-1.
¿Qué es una prueba de tasa de fuga?
Se utiliza una prueba de tasa de fuga para determinar la tasa de fuga de la cantidad de aire en la cámara de vacío. La tasa de fuga aceptable viene determinada por las necesidades de la propia aplicación.
Las normas medioambientales y de seguridad exigen a los fabricantes que garanticen la estanqueidad de sus productos realizando pruebas de fugas como parte del proceso de producción/aprobación de calidad. Para indicar la tasa de rechazo para una prueba que utiliza helio en condiciones estándar de helio, es necesario convertir las condiciones de prueba reales utilizadas a condiciones estándar de helio; hay fórmulas estándar disponibles para estas conversiones.
Cuando se conecta un sistema de vacío a un detector de fugas, deben estar presentes las condiciones estándar de helio durante la detección de fugas de helio. El uso de helio para realizar pruebas de fugas garantiza resultados fiables y repetibles que se pueden cuantificar y supervisar constantemente.
Desafíos al utilizar detectores de fugas de helio
Se debe tener en cuenta que hay ciertos desafíos asociados a la detección de pequeñas fugas con helio. Las HLD son excepcionalmente sensibles, y el helio circundante o atrapado puede afectar fácilmente a la precisión de la detección y medición de fugas. Un detector de fugas en sí mismo no es una unidad a prueba de fugas, por lo que un entorno limpio de helio es esencial para obtener lecturas precisas. Además, en el caso de fugas muy pequeñas, es importante controlar los factores externos, ya que estos pueden alterar fácilmente los resultados. Finalmente, el helio ambiente puede entrar en el sistema a través de los puertos de escape y ventilación, así como permear a través de las juntas tóricas.
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