Comment fonctionne un détecteur de fuites à spectromètre de masse ?

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Aujourd'hui, la plupart des tests de fuites sont effectués à l'aide de dispositifs de détection de fuites spéciaux. Ceux-ci peuvent détecter des taux de fuite bien plus faibles que les techniques qui n'utilisent pas d'équipement spécial. Ces méthodes reposent toutes sur l'utilisation de gaz spécifiques à des fins de test. Les différences entre les propriétés physiques de ces gaz de test et les gaz utilisés dans les applications réelles ou autour de la configuration de test seront mesurées par les détecteurs de fuites. Il peut s'agir, par exemple, de la différence de conductivité thermique entre le gaz de test et l'air environnant. Cependant, la méthode la plus couramment utilisée aujourd'hui est la détection à l'hélium, qui est utilisé en tant que gaz de test.

La fonction de la plupart des détecteurs de fuites est basée sur le fait que les tests sont effectués avec un gaz de test spécial, c'est-à-dire avec un autre fluide que celui utilisé dans le cadre du fonctionnement normal. Le test de fuites peut, par exemple, être effectué avec de l'hélium, qui est détecté à l'aide d'un spectromètre de masse, même si le composant testé peut, par exemple, être un stimulateur cardiaque dont les composants internes doivent être protégés contre la pénétration de fluides corporels pendant le fonctionnement normal. Ce seul exemple montre clairement qu'il faut tenir compte des différentes propriétés d'écoulement du fluide de test et du fluide de fonctionnement.

Détecteurs de fuites halogènes (HLD 4000, D-Tek)

Les composés chimiques gazeux dont les molécules contiennent du chlore et/ou du fluor, par exemple les réfrigérants R12, R22 et R134a, influencent les émissions d'ions alcalins à partir d'une surface imprégnée d'un mélange de KOH et d'hydroxyde de fer(III) et maintenue à une température comprise entre 800 °C et 900 °C (1472 °F et 1652 °F) par un réchauffeur Pt externe. Les ions libérés circulent vers une cathode où le courant ionique est mesuré puis amplifié (principe de la diode halogène). Cet effet est si important que les pressions partielles des halogènes peuvent être mesurées jusqu'à 10^-7 mbar.

Alors que, par le passé, ces dispositifs étaient utilisés pour les tests de fuites conformément à la méthode du vide, on construit aujourd'hui davantage de renifleurs en raison des problèmes liés aux CFC. La limite de détection pouvant être atteinte est d'environ 1 · 10^-6 mbar · l/s pour tous les dispositifs. Les équipements qui fonctionnent selon le principe de la diode halogène peuvent également détecter le SF₆. Par conséquent, ces renifleurs sont utilisés pour déterminer si des réfrigérants s'échappent d'une unité de réfrigération ou d'un boîtier de commutation de type SF₆ (rempli de gaz d'extinction d'arc).

Détecteurs de fuites avec spectromètres de masse (MSLD)

La détection d'un gaz de test à l'aide de spectromètres de masse est de loin la méthode de détection de fuites la plus sensible et la plus utilisée dans l'industrie. Les détecteurs de fuite avec spectromètres de masse développés à cet effet permettent de mesurer quantitativement les taux de fuite dans une plage s'étendant sur plusieurs puissances de dix (consultez la section Types et taux de fuites), la limite inférieure étant ≈ 10^-12 mbar · l/s, ce qui permet de démontrer la perméabilité inhérente aux gaz des solides lorsque l'hélium est utilisé en tant que gaz de test. En principe, il est possible de détecter tous les gaz à l'aide de la spectrométrie de masse. Parmi toutes les options disponibles, l'utilisation de l'hélium en tant que gaz traceur s'est avérée particulièrement pratique. La détection de l'hélium à l'aide du spectromètre de masse est absolument (!) sans équivoque. L'hélium est chimiquement inerte, non explosif, non toxique, présent dans l'air normal à une concentration de seulement 5 ppm et relativement économique. Deux types de spectromètres de masse sont utilisés dans les systèmes MSLD disponibles dans le commerce :

a) le spectromètre de masse quadripolaire, bien qu'il soit moins fréquemment utilisé en raison de sa conception plus élaborée et plus complexe (surtout en raison de l'alimentation électrique du capteur), ou
b) le spectromètre de masse à secteur magnétique de 180°, principalement en raison de sa conception relativement simple.

Quel que soit le principe de fonctionnement utilisé, tout spectromètre de masse comprend trois sous-systèmes physiquement importants : la source d'ions, le système de séparation et le piège à ions. Les ions doivent pouvoir se déplacer le long de la trajectoire partant de la source d'ions et traversant le système de séparation jusqu'au piège à ions, dans la mesure du possible, sans entrer en collision avec les molécules de gaz. Cette trajectoire représente environ 15 cm pour tous les types de spectromètres et nécessite donc une longueur de libre parcours moyen d'au moins 60 cm, ce qui correspond à une pression d'environ 1 · 10^-4 mbar. En d'autres termes, un spectromètre de masse ne fonctionne que sous vide. En raison du niveau de vide minimal de 1 · 10^-4 mbar, un vide poussé est nécessaire. Les détecteurs de fuites modernes utilisent des pompes turbomoléculaires et des pompes primaires adaptées. Les différents groupes de composants sont associés aux systèmes d'alimentation électriques et électroniques nécessaires et aux logiciels qui, par l'intermédiaire d'un microprocesseur, permettent d'automatiser au maximum la séquence de fonctionnement, y compris toutes les procédures de réglage et d'étalonnage ainsi que l'affichage des valeurs mesurées.

Fig. 5.6 Principe de fonctionnement de base d'un détecteur de fuites

Principe de fonctionnement d'un MSLD

La fonction de base d'un détecteur de fuites et la différence entre un détecteur de fuites et un spectromètre de masse peuvent être expliquées à l'aide de la figure 5.6. Ce schéma représente la configuration la plus courante pour la détection de fuites à l'aide de la méthode de pulvérisation d'hélium (consultez la section Détection de fuites locale) au niveau d'un composant sous vide. Lorsque l'hélium pulvérisé est aspiré dans le composant par une fuite, il est pompé à l'intérieur du détecteur de fuites jusqu'à l'échappement, où il quitte à nouveau le détecteur. En supposant que le détecteur lui-même ne présente aucune fuite, la quantité de gaz circulant dans chaque section de tuyau (à n'importe quel point souhaité) par unité de temps reste constante, indépendamment de la section transversale et de l'acheminement de la tuyauterie. Les points suivants s'appliquent à l'entrée dans l'orifice de pompage de la pompe à vide :

(5.4)

A tous les autres points

(5.4a)

s'applique, en tenant compte des pertes en ligne.

L'équation s'applique à tous les gaz qui sont pompés dans la tuyauterie et donc également à l'hélium.

(5.4b)

Dans ce cas, la quantité de gaz par unité de temps correspond au taux de fuite recherché ; la pression totale ne peut pas être utilisée, mais seulement la part d'hélium ou la pression partielle d'hélium. Ce signal est fourni par le spectromètre de masse lorsqu'il est réglé sur le numéro atomique 4 (hélium). La valeur de S_eff est une constante pour chaque série de détecteurs de fuites, ce qui permet d'utiliser un microprocesseur pour multiplier le signal provenant du spectromètre de masse par une constante numérique et d'afficher directement le taux de fuite.

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