Comment fonctionnent les détecteurs de fuites à débit direct et à contre-courant ?

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Fig. 5.12 Détecteur de fuites à débit direct et à contre-courant

La figure 5.12 présente le schéma de vide des deux types de détecteurs de fuites. Dans les deux cas, le spectromètre de masse est évacué par le système de pompe à vide poussé comprenant une pompe turbomoléculaire et une pompe à palettes rotatives. Le schéma de gauche montre un détecteur de fuites à débit direct. Le gaz provenant de l'orifice d'entrée est admis dans le spectromètre via un piège à froid. Il s'agit en fait de l'équivalent d'une pompe cryogénique dans laquelle toutes les vapeurs et autres contaminants se condensent. (Par le passé, le piège à froid offrait également une protection efficace contre les vapeurs d'huile des pompes à diffusion utilisées à l'époque). Le système de pompe primaire auxiliaire sert à pré-évacuer les composants à tester ou la ligne de raccordement entre le détecteur de fuites et le système à tester. Une fois la pression d'entrée relativement faible (temps de pompage !) atteinte, la vanne entre le système de pompe auxiliaire et le piège à froid s'ouvre en vue de la mesure. La valeur S_eff utilisée dans l'équation 5.4b correspond à la vitesse de pompage de la pompe turbomoléculaire à l'emplacement de la source d'ions :

(5.5a)

Dans le cas des détecteurs de fuites à débit direct, une augmentation de la sensibilité peut être obtenue en réduisant la vitesse de pompage, par exemple en installant un dispositif d'étranglement entre la pompe turbomoléculaire et le piège à froid. Cette méthode est également utilisée pour obtenir une sensibilité maximale.

Exemple

La plus petite pression partielle détectable pour l'hélium est :
p_min,He = 1 · 10^-12 mbar. La vitesse de pompage de l'hélium serait de
S_He = 10 l/s. Le plus petit taux de fuite détectable est alors de
Q_min = 1 · 10^-12 mbar · 10 l/s = 1 · 10^-11 mbar · l/s. Si la vitesse de pompage est maintenant réduite à 1/s, l'unité est le l/s, donc 1 l/s, on obtiendra alors le plus petit taux de fuite détectable de 1 · 10^12 mbar · l/s. Il convient toutefois de garder à l'esprit que, avec l'augmentation de la sensibilité, la constante de temps permettant d'atteindre une pression de gaz de test stable dans l'échantillon testé sera proportionnellement plus grande (voir ci-dessous).

Sur la figure 5.12, le schéma de droite représente le détecteur de fuites à contre-courant. Le spectromètre de masse, le système de vide poussé et le système de pompe primaire auxiliaire correspondent exactement à la configuration de la disposition à débit direct. L'alimentation en gaz à examiner est cependant raccordée entre la pompe primaire et la pompe turbomoléculaire. L'hélium qui atteint ce point de branchement après l'ouverture de la vanne entraîne une augmentation de la pression d'hélium dans la pompe turbomoléculaire et dans le spectromètre de masse. La vitesse de pompage S_eff mentionnée dans l'équation 5.4b correspond à la vitesse de pompage de la pompe à palettes rotatives au point de branchement. La pression partielle d'hélium qui y est établie, réduite par le facteur de compression d'hélium pour la pompe turbomoléculaire, est mesurée au niveau du spectromètre de masse. La vitesse de la pompe turbomoléculaire dans les détecteurs de fuites à contre-courant est régulée de manière à ce que la compression de la pompe reste également constante. L'équation 5.5b est dérivée de l'équation 5.5a :

(5.5b)

S_eff = vitesse de pompage effective de la pompe à palettes rotatives au point de branchement
K = facteur de compression d'hélium au niveau de la pompe turbomoléculaire

Le détecteur de fuites à contre-courant est particulièrement utile pour les unités de vide automatiques, car il existe une pression clairement mesurable à laquelle la vanne peut être ouverte, à savoir la pression de vide primaire de la pompe turbomoléculaire. La pompe turbomoléculaire présentant une très grande capacité de compression pour les masses élevées, les molécules lourdes par rapport au gaz de test léger, l'hélium (M = 4), ne peuvent en pratique pas atteindre le spectromètre de masse. La pompe turbomoléculaire fournit donc une protection idéale pour le spectromètre de masse et élimine ainsi le besoin d'un piège à froid LN₂, ce qui constitue certainement le principal avantage pour l'utilisateur. Historiquement, les détecteurs de fuites à contre-courant ont été développés plus tard. Cela est dû en partie à une stabilité inadéquate de la vitesse de pompage qui, pendant longtemps, n'était pas suffisante pour les pompes à palettes rotatives utilisées ici. Pour les deux types de détecteurs de fuites, les unités fixes utilisent une pompe auxiliaire intégrée pour faciliter l'évacuation de l'orifice de test. Pour les détecteurs de fuites portables, il peut s'avérer nécessaire de fournir une pompe externe séparée, et ce pour des raisons de poids.

Fonctionnement à débit partiel

Fig. 5.13 Principe du débit partiel

Lorsque la taille du réservoir de vide ou la fuite ne permet pas d'évacuer l'échantillon à la pression d'entrée nécessaire, ou lorsque cela prend trop de temps, des pompes supplémentaires doivent être utilisées. Dans ce cas, le détecteur de fuites à l'hélium fonctionne conformément au concept de « débit partiel ». Cela signifie qu'en règle générale, la plus grande partie du gaz extrait de l'objet testé est éliminée par un système de pompe supplémentaire de taille appropriée, de sorte que seule une partie du flux de gaz atteint le détecteur de fuites à l'hélium (voir Fig. 5.13). La répartition du débit de gaz est effectuée en fonction de la vitesse de pompage qui prévaut au point de branchement. L'équation suivante s'applique alors :

(5.6)

où g γ (au lieu de g !) se caractérise par le rapport de débit partiel, c'est-à-dire la fraction du courant de fuite global qui est affichée au niveau du détecteur. Lorsque le rapport de débit partiel est inconnu, g γ (au lieu de g !) peut être déterminé avec une fuite de référence fixée au niveau du réservoir de vide :

(5.7)

Raccordement aux systèmes de vide

Le concept de débit partiel est généralement utilisé pour raccorder un détecteur de fuites à l'hélium à des systèmes de vide équipés de pompes à vide à plusieurs étages. Lors de l'étude de l'endroit le plus approprié pour le raccordement, il faut tenir compte du fait qu'il s'agit généralement de petits appareils portables dont la vitesse de pompage au niveau de la bride de raccordement est faible (souvent moins de 1 l/s). Il est donc plus important d'estimer, en fonction du rapport de débit partiel attendu par rapport à une pompe à diffusion présentant une vitesse de pompage de 12000 l/s, par exemple, quels taux de fuite peuvent être détectés. Dans les systèmes dotés de pompes à vide poussé et de pompes Roots, l'option la plus sûre consiste à raccorder le détecteur de fuites entre la pompe à palettes rotatives et la pompe Roots ou entre la pompe Roots et la pompe à vide poussé. Si la pression est supérieure à la pression d'entrée autorisée pour le détecteur de fuites, ce dernier doit être raccordé au moyen d'une vanne de dosage (fuites variables). Il va de soi que l'on doit disposer d'une bride de raccordement appropriée. Il est également conseillé d'installer dès le départ une vanne à cet endroit afin de pouvoir, si nécessaire, coupler rapidement le détecteur de fuites (avec le système en marche) et commencer la détection de fuites immédiatement après l'ouverture de la vanne. Afin d'éviter que cette vanne ne s'ouvre par inadvertance, il convient de la fermer avec une bride d'obturation pendant le fonctionnement normal du système de vide.

Une deuxième méthode de couplage à des systèmes plus grands, par exemple ceux utilisés pour évacuer l'air des turbines dans les centrales électriques, est le couplage au niveau du refoulement. Un renifleur est inséré dans le système, à l'endroit où celui-ci se décharge dans l'atmosphère. On renifle alors l'augmentation de la concentration d'hélium dans l'échappement. Cependant, en l'absence de couplage étanche au niveau de l'échappement, la limite de détection pour cette application sera limitée à 5 ppm de la teneur en hélium naturel dans l'air. De nombreux détecteurs de fuites disposent d'une fonction zéro, qui permet de soustraire le bruit de fond naturel et donc de détecter des taux de fuite plus faibles. Dans les centrales électriques, il suffit d'insérer l'extrémité de la sonde à un angle d'environ 45° par rapport au sommet dans la conduite de refoulement (généralement orientée vers le haut) de la pompe (à anneau liquide).

Constantes de temps

La constante de temps d'un système de vide est définie par

(5.8)

τ = Constante de temps
V = Volume du conteneur
S_eff = Vitesse de pompage effective au niveau de l'objet testé

Fig. 5.14 Réponses de signal et vitesse de pompage

La figure 5.14 représente l'évolution du signal suite à la pulvérisation d'une fuite dans un échantillon testé fixé à un détecteur de fuites, pour trois configurations différentes :

Centre : l'échantillon présentant un volume V est relié directement au détecteur de fuites LD (vitesse de pompage effective de S).
Gauche : en plus de 1, une pompe à débit partiel présentant la même vitesse de pompage effective, S^l = S, est fixée à l'échantillon testé.
Droite : comme en 1, mais S est réduite à 0,5◊S.

Les signaux peuvent être interprétés comme suit :

1 : Après une « période morte » (ou un « délai ») jusqu'à un niveau de signal perceptible, le signal, qui est proportionnel à la pression partielle pour l'hélium, augmente jusqu'à sa valeur complète de p_he = Q/_Seff conformément à l'équation 5.9 :

(5.9)

La période requise pour atteindre 95 % de la valeur limite est normalement appelée temps de réponse.

2 : Avec l'installation de la pompe à débit partiel, la constante de temps et l'amplitude du signal seront réduites d'un facteur de 2, ce qui implique une augmentation plus rapide mais un signal deux fois moins important. Une petite constante de temps implique des changements rapides et donc un affichage rapide et, par conséquent, des temps de détection de fuites courts.

3 : La régulation de la vitesse de pompage à 0,5 S augmente à la fois la constante de temps et l'amplitude du signal d'un facteur de 2. Une valeur élevée pour t augmente ainsi le temps nécessaire de manière appropriée. Une grande sensibilité, obtenue en réduisant la vitesse de pompage, est toujours associée à un temps plus long et n'est donc pas toujours avantageuse.

Il est possible d'effectuer une estimation des constantes de temps globales pour plusieurs volumes reliés entre eux et aux pompes associées dans une approximation initiale en additionnant les constantes de temps individuelles.

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