¿Cómo funcionan los detectores de fugas de flujo directo y de contraflujo?
Fig. 5.12: Detector de fugas de flujo completo y contraflujo
En la Figura 5.12 se muestra el diagrama de vacío de los dos tipos de detectores de fugas. En ambos casos, el espectrómetro de masas se evacúa mediante el sistema de bombeo de alto vacío, que consta de una bomba turbomolecular y una bomba de paletas rotativas. En el diagrama de la izquierda aparece un detector de fugas de flujo directo. El gas del puerto de admisión se introduce en el espectrómetro por medio de un colector de frío. En realidad, es similar a una bomba criogénica en la que se condensan todos los vapores y otras sustancias contaminantes (anteriormente, la trampa fría también proporcionaba una protección eficaz contra los vapores de las bombas de difusión que se utilizaban por aquel entonces). El sistema de bombeo de vacío primario auxiliar sirve para efectuar una evacuación previa de los componentes de prueba o la línea de conexión que conecta el detector de fugas y el sistema que vaya a comprobarse. Una vez que se haya alcanzado la presión de admisión relativamente baja (el tiempo de bombeo), la válvula situada entre el sistema de bombeo auxiliar y la trampa fría se abre para llevar a cabo la medición. El valor de Sef usado en la Ecuación 5.4b es la velocidad de bombeo de la bomba turbomolecular en el punto en el que se encuentre la fuente iónica:
(5.5a)
En los detectores de fugas de flujo directo, se puede aumentar la sensibilidad reduciendo la velocidad de bombeo, por ejemplo, colocando un estrangulador entre la bomba turbomolecular y la trampa fría, lo que también sirve para alcanzar la máxima sensibilidad.
Ejemplo
La presión parcial mínima detectable del helio es la siguiente:
pmín,He = 1 · 10-12 mbar. La velocidad de bombeo del helio sería
SHe = 10 l/s. Por consiguiente, el índice de fuga mínimo detectable es de
Qmin = 1 · 10-12 mbar · 10 l/s = 1 · 10-11 mbar · l/s. Si la velocidad de bombeo se reduce entonces a 1/s, la unidad es l/s (así, 1 l/s). Se obtendría el índice de fuga mínimo detectable de 1 · 1012 mbar · l/s. Debe tenerse en cuenta, no obstante, que con el incremento de sensibilidad la constante temporal para conseguir una presión estable del gas de prueba en el espécimen de prueba es, consiguientemente, también superior (véase la información que figura a continuación).
En la Figura 5.12, en el diagrama de la derecha se muestra el diagrama del detector de fugas de contraflujo. El espectrómetro de masas, el sistema de alto vacío y el sistema de bombeo de vacío primario auxiliar se corresponden exactamente con la configuración de la disposición de flujo directo. El suministro de gas que va a examinarse, no obstante, está conectado entre la bomba de vacío primario y la bomba turbomolecular. El helio que llega a este punto de ramificación después de la apertura de la válvula provoca un incremento de la presión del helio de la bomba turbomolecular y el espectrómetro de masas. La velocidad de bombeo Sef introducida en la Ecuación 5.4b es la velocidad de bombeo de la bomba de paletas rotativas en el punto de ramificación. La presión parcial del helio aquí establecida (reducida por el factor de compresión del helio de la bomba turbomolecular) se mide en el espectrómetro de masas. La velocidad de la bomba turbomolecular en los detectores de fugas de contraflujo se regula de forma que la compresión de la bomba también se mantenga constante. La Ecuación 5.5b se obtiene a partir de la Ecuación 5.5a:
(5.5b)
Sef = velocidad efectiva de bombeo de la bomba de paletas rotativas en el punto de ramificación
K = factor de compresión del helio de la bomba turbomolecular
El detector de fugas de contraflujo constituye una ventaja especial para las unidades de vacío automáticas, ya que hay una presión mensurable exactamente a la que es posible abrir la válvula: el valor de presión de vacío primario en la bomba turbomolecular. Puesto que la bomba turbomolecular cuenta con una capacidad de compresión muy elevada para masas altas, aquellas moléculas que resultan pesadas en comparación con el gas de prueba ligero (el helio [de M = 4]) en la práctica no son capaces de llegar al espectrómetro de masas. Por tanto, la bomba turbomolecular proporciona una protección idónea para el espectrómetro de masas, con lo que elimina la necesidad de contar con una trampa fría de LN2, lo que constituye sin duda la mayor ventaja para el usuario. Desde un punto de vista histórico, los detectores de fugas de contraflujo fueron desarrollados más tardíamente, una de cuyas causas era lo inadecuado de la estabilidad de la velocidad de bombeo, que durante mucho tiempo no resultaba suficiente con las bombas de paletas rotativas que se empleaban. En los detectores de fugas de los dos tipos, las unidades estacionarias hacían uso de una bomba auxiliar incorporada para facilitar la evacuación del puerto de prueba. Por su parte, con detectores de fugas portátiles puede ser necesario agregar una bomba externa independiente, a causa del peso.
Uso con caudal parcial
Fig. 5.13: El principio del caudal parcial
Si el tamaño del depósito de vacío o el tamaño de las fugas imposibilitan evacuar la muestra de prueba a la presión de admisión necesaria, o cuando sencillamente se tarde demasiado en hacerlo, deberán utilizarse bombas suplementarias. En tal caso, el detector de fugas de helio funciona conforme al concepto de "caudal parcial". Según este, habitualmente la mayor parte del gas extraído del objeto de medida se elimina mediante un sistema de bombeo adicional de la envergadura pertinente, de forma que solo una parte del caudal de gas llegue al detector de fugas de helio (véase la Fig. 5.13). La división del caudal de gas se lleva a cabo conforme a la velocidad de bombeo existente en el punto de ramificación. En este caso, debe tenerse en cuenta lo siguiente:
(5.6)
donde g γ (en lugar de g!) está caracterizada como la relación caudal de parcial, esto es, la fracción de la corriente de fuga total que se indica en el detector. Si se desconoce la relación de caudal parcial, es posible calcular g γ (en lugar de g!) mediante una fuga de referencia fijada al depósito de vacío:
(5.7)
Conexión con sistemas de vacío
El concepto de caudal parcial se suele utilizar para conectar un detector de fugas de helio a sistemas de vacío con juegos de bombas de vacío de varias etapas. Al plantearse dónde resulta más adecuado efectuar la conexión, se debe tener en cuenta que normalmente se trata de unidades pequeñas y portátiles que solo tienen una velocidad de bombeo baja en la brida de conexión (a menudo inferior al 1 l/s). Esto hace que resulte aún más importante calcular de forma estimada (y en función de la relación de caudal parcial previsible con respecto a una bomba de difusión de 12 000 l/s de velocidad de bombeo, por ejemplo) qué índices de fuga son capaces de detectarse. En sistemas que incorporen bombas de alto vacío y bombas de lóbulos, la opción más segura consiste en conectar el detector de fugas entre la bomba de paletas rotativas y la bomba de lóbulos, o entre esta última y la bomba de alto vacío. Si la presión en este punto supera el valor de admisión permisible del detector de fugas, deberá conectarse este mediante una válvula dosificadora (de fuga variable). Como cabe esperar, deberá disponerse de una brida de conexión apta para la tarea. También es recomendable colocar una válvula en este punto desde un primer momento, para que, cuando sea preciso, el detector de fugas pueda conectarse rápidamente (con el sistema en marcha) y la detección de fugas pueda empezar inmediatamente después de abrir la válvula. Para evitar que esta válvula se abra sin que el usuario sea consciente, debe sellarse mediante una brida de obturación durante el funcionamiento normal del sistema de vacío.
Un segundo método para la conexión a sistemas de mayor envergadura (por ejemplo, los usados para extraer el aire de las turbinas en los aerogeneradores) consiste en efectuarla en el punto de descarga. Se coloca una unidad "sniffer" en el sistema, desde donde se produce la descarga a la atmósfera. Seguidamente se "olisquea" (se detecta) el incremento en la concentración de helio en la zona de escape. Sin embargo, si la fijación al escape no es firme, el límite de detección de aplicaciones de este tipo queda limitado a 5 ppm, esto es, la concentración natural de helio en el aire. Muchos detectores de fugas cuentan con función de cero, mediante la que es posible eliminar la producción natural de fondo y, por consiguiente, obtener menores índices de fuga. En las plantas de generación de energía basta con introducir el extremo de la punta de pruebas en la línea de descarga de la bomba (de anillo líquido) desde arriba a un ángulo aproximado de 45° (normalmente apuntando hacia arriba).
Constantes temporales
La constante temporal de un sistema de vacío se determina mediante lo siguiente:
(5.8)
τ = constante temporal
V = volumen del recipiente
Sef = velocidad de bombeo efectiva en el objeto de prueba
Fig. 5.14: Respuestas de señal y velocidad de bombeo
En la Figura 5.14 se muestra el transcurso de la señal después de haber pulverizado sobre una fuga en una muestra de prueba conectada a un detector de fugas, con tres configuraciones distintas:
- Parte central: la muestra con un volumen V se conecta directamente al detector de fugas LD (con una velocidad de bombeo efectiva de S).
- A la izquierda: además de lo indicado 1, se conecta una bomba de caudal parcial con la misma velocidad de bombeo efectiva, S l = S, a la muestra de prueba.
- A la derecha: igual que lo indicado en 1, pero S se reduce a 0,5◊S.
Las señales se pueden interpretar de la siguiente manera:
1: Después de un "periodo muerto" (o "tiempo de retardo") y hasta un valor de señal discernible, la señal (que es proporcional a la presión parcial del helio) aumenta hasta su valor total de pHe= Q/Sef de acuerdo con la Ecuación 5.9:
(5.9)
El periodo necesario para alcanzar el 95 % del valor final se denomina normalmente "tiempo de respuesta".
2: Con el montaje de la bomba de caudal parcial, tanto la constante temporal como la amplitud de señal se reducen en un factor de 2, lo que conlleva un aumento más rápido, pero una señal cuya envergadura es tan solo la mitad. Una constante temporal baja implica cambios rápidos y, por tanto, una indicación visual rápida, lo que a su vez acorta los tiempos de detección de fugas.
3: La limitación de la velocidad de bombeo a 0,5 S provoca un aumento tanto de la constante temporal como de la amplitud de señal en un factor de 2. Si el de t es un valor elevado, se prolonga el tiempo necesario como proceda. Una buena sensibilidad (lograda por reducción de la velocidad de bombeo) siempre prolonga el tiempo necesario, por lo que no constituye ventaja alguna.
Es posible calcular de forma estimada las constantes temporales totales de varios volúmenes conectados uno detrás de otro y a las bombas pertinentes en una aproximación inicial sumando las distintas constantes temporales.
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Referencias
- Símbolos de vacío
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Símbolos de vacío
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Un glosario de símbolos comúnmente utilizados en diagramas de tecnología de vacío como representación visual de tipos y piezas de bombas en sistemas de bombeo
Glosario de unidades
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Una descripción general de las unidades de medida utilizadas en la tecnología de vacío y el significado de los símbolos, así como los equivalentes actuales de las unidades históricas
Referencias y fuentes
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Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
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Glosario de unidades
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Referencias y fuentes
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