Comment étalonner les détecteurs de fuites

Partager via

L'étalonnage d'un détecteur de fuites consiste à faire correspondre l'affichage d'une unité de détection de fuites, à laquelle est associée une fuite de test, avec la valeur indiquée sur l'« étiquette » ou le certificat d'étalonnage. La condition préalable à cela est un réglage correct. Les unités ou configurations de reniflage doivent, en règle générale, être étalonnées avec des fuites de test externes spéciales, dans lesquelles il est garanti que, d'une part, tout le gaz de test provenant de la fuite de test atteint l'extrémité de la sonde et, d'autre part, que le débit de gaz dans l'unité de reniflage n'est pas entravé par l'étalonnage. Dans le cas particulier où l'on mesure la concentration d'hélium, l'étalonnage peut être effectué en utilisant la teneur en hélium de l'air, qui est uniformément de 5 ppm dans le monde entier. L'« étalonnage » avec la teneur en hélium de l'air est très inexact. Il est toujours recommandé d'effectuer un étalonnage à l'aide d'une fuite. Il existe également l'ajustement de la trajectoire des ions dans le spectromètre. Souvent, la distinction n'est pas faite avec autant de soin et les deux procédures sont appelées étalonnage.

Lors du procédé d'étalonnage correct, la courbe rectiligne représentant la corrélation linéaire numériquement correcte entre le débit de gaz par unité de temps et le taux de fuite est définie par deux points : le point zéro (aucun affichage lorsqu'aucune émission n'est détectée) et la valeur indiquée avec le test de fuites (affichage correct pour une fuite connue).

Dans le cadre des opérations de vide (technique de pulvérisation, consultez la page dédiée à la détection de fuites locale), il faut différencier deux types d'étalonnage : avec une fuite de test interne ou externe. En cas d'utilisation d'une fuite de test intégrée au détecteur de fuites, l'appareil peut être étalonné, mais seulement de lui-même. En cas d'utilisation d'une fuite de test externe, il est possible d'inclure non seulement l'appareil, mais également une configuration complète, telle qu'une disposition de débit partiel. Les fuites de test internes sont installées de manière permanente et ne peuvent pas être égarées.

Les fuites de test (également appelées fuites standard ou fuites de référence) comprennent normalement une alimentation en gaz, un étrangleur présentant une valeur de conductance définie et une vanne. La configuration sera conforme au taux de fuite de test requis. La figure 5.9 représente différentes fuites de test. Les fuites par perméation sont généralement utilisées pour les taux de fuite de 10^‑10 < Q_L < 10^‑7, les capillaires entre 10^‑8 et 10^‑4 et, pour les taux de fuite très élevés dans une plage de 10 à 1000 mbar · l/s, les sections de tuyau ou les plaques à orifice présentant des valeurs de conductance (dimensions) définies avec précision.

Fig. 5.9 Examples for the construction of test leaks

Fig. 5.9 Exemples de construction de fuites de test.

a Fuite de référence sans alimentation en gaz, TL4, TL6
b Fuite de référence pour les applications de renifleur et de vide, TL4-6
c Fuite de test capillaire (interne), TL7
d Fuite de référence par perméation (diffusion), TL8
e Fuite étalonnée de réfrigérant

Les fuites de test utilisées avec une charge de réfrigérant représentent une situation particulière puisque les réfrigérants sont liquides à température ambiante. Ces fuites de test disposent d'un espace d'alimentation en liquide à partir duquel, par le biais d'une vanne d'arrêt, l'espace rempli uniquement de vapeur de réfrigérant (pression de vapeur de saturation) peut être atteint, en amont de la fuite capillaire. Un problème technologique difficile à résoudre est dû au fait que tous les réfrigérants sont également de très bons solvants pour l'huile et la graisse et sont donc souvent gravement contaminés, de sorte qu'il est difficile de remplir les fuites de test avec du réfrigérant pur. Dans ce cas, les éléments déterminants sont non seulement la composition chimique, mais surtout les particules dissoutes qui peuvent obstruer à répétition les capillaires fins.

Détecteurs de fuites avec spectromètre de masse quadripolaire (ECOTEC II)

Les détecteurs de fuites peuvent être construits avec des spectromètres de masse quadripolaires pour enregistrer des masses supérieures à l'hélium. Sauf cas particulier, il s'agit de réfrigérants. Ces dispositifs servent donc à examiner l'étanchéité des unités de réfrigération, notamment celle des réfrigérateurs et des équipements de climatisation.

La figure 4.2 présente le schéma fonctionnel d'un spectromètre de masse quadripolaire. Sur les quatre tiges du système de séparation, les deux paires de tiges opposées ont un potentiel identique et excitent les ions qui passent le long de la ligne centrale de manière à ce qu'ils oscillent transversalement. Ce n'est que lorsque l'amplitude de ces oscillations reste inférieure à la distance entre les tiges que l'ion concerné peut traverser le système de tiges et atteindre le piège à ions, où il se décharge et est ainsi compté. Le flux d'électrons ainsi créé dans la ligne constitue le signal de mesure proprement dit. Les autres ions entrent en contact avec l'une des tiges et y sont neutralisés.

Fig. 4.2 Schéma d'un spectromètre de masse quadripolaire

La figure 5.10 présente le schéma de vide d'un ECOTEC II. Le spectromètre de masse (4) ne fonctionne que dans des conditions de vide poussé, c'est-à-dire que la pression doit toujours rester inférieure à 10^-4 mbar. Ce vide est généré par la pompe turbomoléculaire (3) avec le soutien de la pompe à membrane (1). La pression PV entre les deux pompes est mesurée à l'aide d'un système de mesure piézorésistif (2) et cette pression est comprise entre 1 et 4 mbar en mode de mesure. Cette pression ne doit pas dépasser une valeur de 10 mbar, faute de quoi la pompe turbomoléculaire ne sera pas en mesure de maintenir le vide dans le spectromètre de masse. Le tableau de commande permet de passer facilement de l'hélium à l'un des différents réfrigérants, dont certains peuvent être sélectionnés selon les besoins. Naturellement, l'unité doit être étalonnée séparément pour chacune de ces masses. Une fois réglées, les valeurs restent toutefois disponibles en mémoire, de sorte qu'après avoir effectué l'étalonnage de tous les gaz (une fuite de référence distincte est nécessaire pour chaque gaz !), il est possible de passer directement d'un gaz à l'autre.

Fig. 5.10 Schéma de vide pour l'ECOTEC II.

Pompe à membrane
Capteur de pression piézorésistif
Pompe turbomoléculaire
Spectromètre de masse quadripolaire
Ligne de renifleur
Limiteur de débit de gaz
Limiteur de débit de gaz
Débitmètre de gaz

Détecteurs de fuites à l'hélium avec spectromètre de masse à secteur de 180° (Phoenix Quadro, Phoenix L300i, UL 200, UL 500)

Ces appareils sont les plus sensibles et offrent également le plus haut degré de certitude. Ici, le terme « certain » signifie qu'il n'existe aucune autre méthode permettant de localiser les fuites et de les mesurer quantitativement avec une plus grande fiabilité et une meilleure stabilité. C'est pourquoi les détecteurs de fuites à l'hélium, même si leur prix d'achat est relativement élevé, sont souvent beaucoup plus économiques à long terme ; en effet, la procédure de détection de fuites elle-même nécessite beaucoup moins de temps.

Un détecteur de fuites à l'hélium se compose essentiellement de deux sous-systèmes dans les unités portables et de trois sous-systèmes dans les unités fixes. Il s'agit des éléments suivants :

Le spectromètre de masse
La pompe à vide poussé et
Le système de pompe primaire auxiliaire dans les unités fixes.

Le spectromètre de masse (voir Fig. 5.11) comprend la source d'ions (1-4) et le système de déflexion (5-9). Le faisceau d'ions est extrait par la plaque à orifice (5) et entre dans le champ magnétique (8) à un certain niveau d'énergie. A l'intérieur du champ magnétique, les ions se déplacent le long de trajectoires circulaires où le rayon d'une masse faible est inférieur à celui des masses plus élevées. En réglant correctement la tension d'accélération pendant l'ajustement, il est possible d'obtenir une situation dans laquelle les ions décrivent un arc de cercle avec un rayon de courbure défini. Lorsque la masse 4 (hélium) est impliquée, ils traversent l'ouverture (9) vers le piège à ions (13). Sur certains appareils, le courant de décharge des ions qui frappent les électrodes de pression totale est mesuré et évalué comme un signal de pression totale. Les ions dont la masse est trop petite ou trop grande ne doivent pas atteindre le piège à ions (13), mais certains d'entre eux y parviennent malgré tout, soit parce qu'ils sont déviés par des collisions avec des particules de gaz neutres, soit parce que leur énergie initiale s'écarte trop du niveau d'énergie requis. Ces ions sont ensuite triés par le suppresseur (11) de sorte que seuls les ions présentant une masse de 4 (hélium) puissent atteindre le détecteur d'ions (13). L'énergie des électrons au niveau de la source d'ions est de 80 eV. Elle est maintenue à un niveau aussi bas afin d'éviter la création de composants ayant une masse spécifique de 4 et plus, tels que le carbone multi-ionisé ou l'oxygène quadruplement ionisé.

Les sources d'ions du spectromètre de masse sont simples, robustes et faciles à remplacer. Elles sont chauffées en permanence pendant le fonctionnement et sont donc sensibles à la contamination. Les deux cathodes d'iridium recouvertes d'oxyde d'yttrium sélectionnables présentent une longue durée de vie. Ces cathodes sont largement insensibles à la pénétration d'air, c'est-à-dire que le coupe-circuit de sécurité à action rapide les empêche de brûler même si de l'air pénètre. Toutefois, une utilisation prolongée de la source d'ions peut éventuellement entraîner une fragilisation de la cathode et peut provoquer l'éclatement de la cathode si elle est exposée à des vibrations ou à des chocs.

Selon la manière dont l'entrée est connectée au spectromètre de masse, on peut différencier deux types de MSLD. Il s'agit des détecteurs de fuites à débit direct et à contre-courant.

Fig. 5.11 Configuration du spectromètre de masse à secteur de 180°

Bride de la source d'ions
Cathode (2 cathodes, Ir + Y₂O₃)
Anode
Protection de la source d'ions avec orifice de décharge
Extracteur
Traces d'ions pour M > 4
Electrode de pression totale
Traces d'ions pour M = 4
Plaque à orifice intermédiaire
Champ magnétique
Suppresseur
Protection du piège à ions
Piège à ions
Bride pour piège à ions avec préamplificateur

Blog et Wiki Détecteurs de fuites et fonctionnement Détection de fuites Fondamentaux du vide

Principes fondamentaux de la technologie du vide 

Téléchargez notre e-book « Principes fondamentaux de la technologie du vide » pour découvrir les principes et procédés essentiels des pompes à vide. 

Afficher les e-books

Références

Symboles du vide
Glossaire des unités
Références et sources

Symboles du vide

Glossaire des symboles couramment utilisés dans les schémas en technologie du vide pour représenter visuellement les différents systèmes de pompage, leurs types de pompes et les pièces qui les composent

Glossaire des unités

Aperçu des unités de mesure et des symboles utilisés en technologie du vide, ainsi que des équivalents modernes des unités historiques

Références et sources

Références, sources et autres ouvrages à consulter concernant les connaissances fondamentales sur la technologie du vide