¿Cómo funciona un detector de fugas de espectrómetro de masas?
La mayoría de las comprobaciones de fugas actuales se efectúan con dispositivos de detección de fugas especiales. Estos son capaces de detectar índices de fuga mucho más reducidos que de usarse técnicas sin equipos especiales. Todos estos métodos conllevan el uso de gases específicos para realizar las pertinentes comprobaciones. Las diferencias entre las propiedades físicas de estos gases de prueba y los empleados en aplicaciones reales o los presentes en las inmediaciones de la disposición de equipos de prueba se mensuran mediante detectores de fugas (por ejemplo, la distinta conductividad térmica del gas de prueba y el aire atmosférico). Sin embargo, el método más usado hoy en día es la detección con helio como gas de prueba.
La funcionalidad de la mayoría de detectores de fugas se basa en el uso de un gas de prueba especial, esto es, un medio distinto del empleado durante el funcionamiento normal del equipo. Por ejemplo, es posible llevar a cabo una prueba de fugas con helio, que se detecta mediante un espectrómetro de masas, aun cuando el componente pudiera tratarse (a modo de ejemplo) de un marcapasos cuyos componentes internos deban protegerse de la entrada de fluidos corporales durante su funcionamiento habitual. Basta con esta muestra para constatar que deben tenerse en cuenta tanto las distintas propiedades de circulación de la prueba como la sustancia de trabajo.
Detectores de fugas halógenos (HLD 4000, D-Tek)
Los compuestos químicos gaseosos cuyas moléculas contienen cloro o flúor, como los refrigerantes R12, R22 y R134a, influyen en las emisiones de iones básicos de una superficie impregnada con una mezcla de KOH e hidróxido de hierro(III) y mantenida a una temperatura de 800 °C a 900 °C (1472 °F a 1652 °F) mediante un calentador de Pt externo. Los iones liberados circulan a un cátodo, donde se mide la corriente iónica y luego se amplifica (principio de diodo halógeno). Este efecto tiene una envergadura tal que las presiones parciales de los halógenos se pueden medir hasta los 10-7 mbar.
Mientras que estos dispositivos anteriormente se utilizaban para llevar a cabo comprobaciones de fugas según el método de vacío, hoy en día (debido a los problemas que conllevan los clorofluocarbonos [CFC]) se producen más unidades "sniffer". El límite de detección que permiten alcanzar es de unos 1 · 10-6 mbar · l/s en todos los dispositivos. Los equipos que funcionan según el principio del diodo halógeno también pueden detectar el SF6. En consecuencia, estas unidades sniffer se utilizan para averiguar si se produce escape de gases de una unidad de refrigeración o de una aparamenta de tipo SF 6 (rellena de gas que evitan la aparición de arcos eléctricos).
Detectores de fugas con espectrómetros de masas (MSLD)
La detección de gases de prueba mediante espectrómetros de masas es, de largo, el método de detección de fugas más sensible y el más ampliamente usado en el sector industrial. Los detectores de fugas de tipo MS desarrollados a tal fin permiten medir de forma cuantitativa índices de fugas en un rango que supera las varias (muchas) potencias de diez (véase el apartado Tipos e índices de fugas) con un límite inferior ≈ 10-12 mbar · l/s; de este modo, es posible demostrar la inherente permeabilidad a gases de los sólidos con helio a modo de gas de prueba. En principio, es posible detectar cualquier gas mediante espectrometría de masas. De todas las opciones disponibles, el helio se ha mostrado especialmente práctico como gas de seguimiento. La detección de helio con un espectrómetro de masas es total y sorprendentemente inequívoca. El helio es químicamente inerte, no es explosivo ni tóxico, se encuentra en el aire normal a concentraciones de tan solo 5 ppm y es notablemente económico. En los MSLD disponibles en el mercado se emplean dos tipos de espectrómetros de masas:
a) El espectrómetro de masas cuadrupolar, aunque se utiliza con menos frecuencia como consecuencia de su diseño, más complejo y elaborado (sobre todo debido al suministro eléctrico del sensor); o
b) el espectrómetro de masas de campo magnético de 180°, gracias principalmente a la sencillez con la que está diseñado.
Independientemente del principio de funcionamiento empleado, cada espectrómetro de masas consta de tres subsistemas de relevancia física: la fuente de iones, el sistema de separación y la trampa iónica. Los iones deben poder desplazarse por la ruta que comienza en la fuente de iones y por el sistema de separación hasta alcanzar la trampa de iones, en la medida de lo posible sin colisionar con las moléculas de gas. Esta trayectoria asciende hasta aproximadamente los 15 cm en los espectrómetros de todo tipo y, por lo tanto, requiere una longitud de trayectoria libre media de al menos 60 cm, lo que corresponde a una presión de unos 1 · 10-4 mbar; en otras palabras, los espectrómetros de masas solo funcionan en el vacío. Dado que el límite mínimo de vacío es de 1 · 10-4 mbar, se necesitará un alto vacío. En los detectores de fugas actuales se usan bombas turbomoleculares y bombas de vacío primario adecuadas. Además de los distintos grupos de componentes, están los correspondientes sistemas de suministro eléctrico y electrónico y el software, el cual, por medio de un microprocesador, permite disfrutar del máximo grado de automatización posible en la secuencia de funcionamiento, incluidas todas las rutinas de ajuste y calibración y la indicación visual de valores obtenidos en mediciones.
Fig. 5.6: Principio de funcionamiento básico de un detector de fugas
El principio de funcionamiento de un MSLD
La función básica de un detector de fugas y la diferencia entre un detector de fugas y un espectrómetro de masas se pueden explicar con la Figura 5.6. Este esquema muestra la configuración más común para la detección de fugas mediante el método de pulverización de helio (véase el apartado Detección local de fugas) en un componente de vacío. Cuando el helio pulverizado se introduce en el componente por un punto de fuga, se bombea a través del interior del detector de fugas hasta el escape, donde sale de nuevo del detector. Suponiendo que el detector en sí no presente fugas, la cantidad de gas que circula por cada sección de tubería (en cualquier punto deseado) por unidad de tiempo se mantiene constante con independencia de la sección transversal y la disposición de los elementos de conducción. Se produce lo siguiente en lo que respecta a la admisión en el puerto de bombeo de la bomba de vacío:
(5.4)
En todos los demás puntos
(5.4a)
es lo que debe aplicarse, teniendo en cuenta las pérdidas de la línea.
La ecuación se aplica a todos los gases que se bombean por los tubos y, por consiguiente, también al helio.
(5.4b)
En este caso, la cantidad de gas por unidad de tiempo es el índice de fugas que se busca; no cabe utilizar la presión total, sino tan solo la cuota de helio o la presión parcial del helio. Esta señal es enviada por el espectrómetro de masas si está configurado para el número atómico 4 (el del helio). El valor de Sef es constante en todas las series de detectores de fugas, lo que permite usar un microprocesador para multiplicar la señal procedente del espectrómetro de masas por una constante numérica y obtener directamente el índice de fugas, que también se muestra.
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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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Referencias y fuentes
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