Apa itu kebocoran dan cara mengukur laju kebocoran dalam sistem vakum
Selain sistem vakum yang sebenarnya dan masing-masing komponennya (bejana vakum, saluran, katup, perangkat pengukuran, dll.) ada banyak sistem dan produk lain di bidang industri dan penelitian dengan persyaratan tinggi terkait kerapatan atau yang disebut "sealing kedap udara". Hal ini termasuk, khususnya, rakitan untuk industri otomotif dan pendinginan.
Pernyataan umum yang sering dibuat, seperti "tidak ada kebocoran yang dapat dideteksi" atau "tingkat kebocoran nol", tidak mewakili dasar yang memadai untuk pengujian penerimaan.
Setiap insinyur berpengalaman tahu bahwa spesifikasi penerimaan yang diformulasikan dengan benar akan menunjukkan tingkat kebocoran tertentu dalam kondisi yang ditentukan. Laju kebocoran yang dapat diterima juga ditentukan oleh aplikasi itu sendiri.
Jenis kebocoran
Definisi paling sederhana untuk istilah "kebocoran" adalah: Kebocoran adalah "bukaan" di dinding (pemisah) atau penghalang yang dapat dilewati oleh zat padat, cairan, atau gas yang tidak diinginkan untuk masuk atau keluar.
Jenis kebocoran berikut ini dibedakan tergantung pada jenis material atau kesalahan penggabungan:
- Kebocoran pada sambungan yang dapat dilepas: flensa, permukaan pembumi, penutup
- Kebocoran pada sambungan permanen: Lapisan solder dan pengelasan, sambungan lem
- Kebocoran akibat porositas: terutama setelah deformasi mekanis (tekuk!) atau pemrosesan termal materi polikristalin dan
komponen - Kebocoran termal: membuka pada beban suhu ekstrem (panas/dingin), terutama pada sambungan solder
- Kebocoran yang terlihat (virtual): kebocoran: jumlah gas akan dilepaskan dari lubang dan rongga di dalam komponen cor, lubang buta, dan sambungan (juga karena penguapan cairan).
- Kebocoran tidak langsung: saluran pasokan bocor pada sistem vakum atau tungku (air, udara terkompresi, air garam)
- "Kebocoran seri": ini adalah kebocoran di akhir beberapa "ruang yang dihubungkan secara seri", misalnya kebocoran di bagian wadah oli yang diisi oli pada pompa rotary vane
- "Kebocoran satu arah": ini akan memungkinkan gas melewati satu arah tetapi kencang di arah lain (sangat jarang)
Area yang tidak kedap gas tetapi tidak bocor dalam arti adanya kerusakan adalah:
- Permeasi: permeabilitas alami gas melalui bahan seperti selang karet, segel elastomer, dll. (kecuali komponen ini menjadi rapuh dan "bocor").
Laju kebocoran, ukuran kebocoran (gas) aliran massa
Tidak ada perangkat atau sistem vakum yang benar-benar kedap vakum dan tidak perlu benar-benar kedap vakum. Hal yang penting adalah bahwa laju kebocoran harus cukup rendah sehingga tekanan pengoperasian, keseimbangan gas, dan tekanan tertinggi yang diperlukan dalam wadah vakum tidak terpengaruh. Oleh karena itu, semakin rendah tingkat tekanan yang diperlukan, semakin ketat persyaratan terkait kebocoran gas pada peralatan.
Agar dapat mendeteksi kebocoran secara kuantitatif, konsep "tingkat kebocoran" dengan simbol qL dan satuan mbar·l/s diperkenalkan.
Laju kebocoran qL = 1 mbar·l/dtk terjadi ketika dalam bejana tertutup yang dikosongkan dengan volume 1 l, tekanan meningkat sebesar 1 mbar per detik atau, jika ada tekanan positif di dalam bejana, tekanan turun sebesar 1 mbar per detik.
Tingkat kebocoran bejana menunjukkan jumlah aliran gas yang keluar melalui dinding bejana. Namun, perlu dicatat bahwa tingkat kebocoran tergantung pada jenis gas.
Jika suhu gas T dan massa molar M gas G diketahui, aliran massa gas dapat dihitung dari laju kebocoran qL menggunakan persamaan keadaan untuk gas ideal melalui hubungan
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
Satuan: g/s
dengan:
- R = 83,14 (mbar·l) / (mol·K)
- T = Suhu gas dalam K
- M = Massa molar dalam g/mol
- Δm = Massa dalam g
- Δt = Rentang waktu dalam detik
Hubungan digunakan:
a) untuk menentukan aliran massa Δm/Δt pada laju kebocoran yang diketahui qL atau
b) untuk menentukan laju kebocoran qL pada aliran massa gas yang diketahui Δm/Δt
Untuk sistem vakum tinggi, aturan praktis berikut ini berlaku:
- qL (udara) < 10 -6 mbar·l/dtk = Sistem "sangat kencang"
- qL (udara) < 10 -5 mbar·l/dtk = Sistem "cukup kencang"
- qL (udara) > 10 -4 mbar·l/dtk = Sistem "bocor"
Kebocoran dapat dikompensasi oleh pompa vakum dengan kapasitas yang memadai karena hal berikut ini berlaku untuk tekanan tertinggi (operasi) P ult yang dapat dicapai:
P ult = qL /S eff
dengan:
- QL = Laju kebocoran dalam mbar·l/dtk
- S eff = Kecepatan pemompaan efektif pompa vakum pada bejana vakum dalam l/dtk
Jika S eff ditingkatkan secara memadai, maka selalu dimungkinkan untuk mencapai tekanan tertinggi (operasi) yang ditentukan terlepas dari laju kebocoran qL.
Namun, dalam praktiknya, peningkatan S eff yang diinginkan mungkin tidak dapat dicapai karena alasan ekonomis dan desain (biaya investasi tinggi, kebutuhan ruang yang tinggi).
Jika tekanan tertinggi yang diinginkan tidak tercapai dalam sistem vakum, biasanya ada dua penyebabnya:
1. adanya kebocoran dan/atau
2. pelepasan gas dari dinding bejana dan outgassing segel.
Untuk membedakan antara kedua penyebab, analisis tekanan parsial dengan spektrometer massa atau uji peningkatan tekanan terkait waktu dapat digunakan. Karena keberadaan kebocoran hanya dapat ditentukan dan bukan posisinya dalam sistem saat menggunakan uji peningkatan tekanan, disarankan untuk menggunakan detektor kebocoran helium yang juga dapat menentukan lokasi kebocoran secara signifikan lebih cepat.
Untuk mendapatkan gambaran umum tentang korelasi antara ukuran geometris lubang dan tingkat kebocoran terkait, dimungkinkan untuk beroperasi berdasarkan perkiraan kasar berikut:
Lubang melingkar dengan diameter D = 1 cm di dinding bejana vakum ditutup dengan katup. Tekanan atmosfer (p = 1013 mbar) berlaku di luar, vakum di dalam. Saat katup dibuka, udara mengalir dengan kecepatan suara (vs = 330 m/s) melalui penampang bukaan A = π·(D2 /4) ~ 0,79 cm2 ke dalam bejana. Jumlah udara yang mengalir ke dalam bejana adalah qL (udara) = p·vs ·A ~ 2,6·104 mbar·l/s.
Jika semua kondisi lain tetap sama dan helium dibiarkan mengalir ke dalam lubang dengan kecepatan suaranya 970 m/s, maka laju kebocoran helium qL (helium) adalah ~ 7,7·104 mbar·l/s, sehingga laju kebocoran jauh lebih tinggi.
"Sensitivitas" yang lebih besar untuk helium ini digunakan dalam deteksi kebocoran dan telah menghasilkan pengembangan dan produksi massal detektor kebocoran berbasis helium yang sangat sensitif.
Tunjukkan pada Gambar 1 adalah korelasi antara ukuran lubang dan laju kebocoran udara, dengan perkiraan nilai qL (udara) = 104 mbar·l/s untuk "lubang 1 cm".
Tabel menunjukkan bahwa ketika diameter lubang D dikurangi menjadi 1 µm = 0,001 mm (= pengurangan D dengan faktor 10000) laju kebocoran akan mencapai 1,0·10 -4 mbar·l/s, nilai yang dalam teknologi vakum sudah mewakili kebocoran besar (lihat aturan praktis di atas).
Laju kebocoran 1,0·10 -12 mbar·l/dtk sesuai dengan diameter lubang 1 angstrom (Å); ini adalah batas deteksi bawah untuk detektor kebocoran helium modern.
Karena konstanta kisi untuk banyak padatan adalah beberapa Å dan diameter molekul yang lebih kecil (H2, He) adalah sekitar 1 Å, permeasi inheren melalui padatan dapat didaftarkan secara metrologis menggunakan detektor kebocoran helium. Hal ini menyebabkan pengembangan kebocoran uji yang dikalibrasi dengan laju kebocoran yang sangat kecil. Ini adalah "kurangnya kekencangan" yang dapat diukur tetapi bukan "kebocoran" dalam arti cacat pada bahan atau sambungan.
Korelasi antara diameter lubang dan laju kebocoran, estimasi untuk udara
Gambar 1: Korelasi antara diameter lubang dan laju kebocoran, estimasi untuk udara
Korelasi antara kriteria kekencangan dan tingkat kebocoran
Perkiraan atau pengukuran ukuran atom, molekul, virus, bakteri, dll. sering kali menghasilkan istilah sehari-hari seperti "tahan air" atau "tahan bakteri".
| Konsep/kriteria | Cara | qL (mbar·l/dtk) | Ukuran partikel relevan |
|---|---|---|---|
| Tahan air* | Tetesan | < 10 -2 | |
| Kedap uap | "Keringat" | < 10 -3 | |
| Tahan bakteri* (kokok) (berbentuk batang) |
< 10 -4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| Tahan oli | < 10 -5 | ||
| Tahan virus* (vaksin, misalnya cacar) (virus terkecil, bakteriofag) (viroid, RNA) |
< 10 -6 < 10 -8 < 10 -10 |
||
| Kedap gas | < 10 -7 | ||
| "Sangat kencang" | Bidang Teknis | < 10 -10 |
* Berbeda dengan uap, penting untuk membedakan antara padatan hidrofilik dan hidrofobik. Hal ini juga berlaku untuk bakteri dan virus karena mereka terutama diangkut dalam larutan.
Sifat dan batas deteksi metode deteksi kebocoran yang sering digunakan:
Gambar 2: Sifat dan batas deteksi metode deteksi kebocoran yang sering digunakan.
Tingkat kebocoran standar helium
Diperlukan untuk definisi kebocoran yang jelas adalah tekanan yang berlaku di kedua sisi dinding (bejana) dan sifat media yang melewati dinding tersebut (viskositas, massa molar). Untuk kasus di mana pengujian dilakukan dengan helium pada perbedaan tekanan 1 bar dari tekanan atmosfer (eksternal) ke vakum (p < 1 mbar, internal) yang sering ditemukan dalam praktik, sebutan "tingkat kebocoran standar helium" telah diperkenalkan dalam standar DIN EN 1330-8.
Untuk menunjukkan tingkat penolakan untuk pengujian menggunakan helium dalam kondisi helium standar, perlu terlebih dahulu mengkonversi kondisi pengujian aktual penggunaan ke kondisi standar helium. Beberapa contoh konversi tersebut ditampilkan di sini:
Gambar 3: Contoh konversi laju kebocoran menjadi laju kebocoran standar helium
Rumus konversi
Mengenai konversi tekanan dan jenis gas (viskositas, massa mol), harus dicatat bahwa rumus yang berbeda berlaku untuk aliran kental dan molekuler laminar. Batas antara area ini sangat sulit ditentukan. Sebagai panduan, berikut ini dapat diasumsikan: pada laju kebocoran
qL > 10 -4 mbar·l/s aliran viskositas laminar
dan laju kebocoran
qL < 10 -6 mbar·l/s aliran molekuler
Pada kisaran menengah, produsen (yang bertanggung jawab berdasarkan ketentuan garansi) harus mengasumsikan nilai yang aman.
Di sini, indeks "I" dan "II" merujuk pada satu atau rasio tekanan lainnya dan indeks "1" dan "2" merujuk pada bagian dalam dan luar titik kebocoran, masing-masing. Untuk penggunaan rumus yang masuk akal, tekanan p1 harus selalu menjadi tekanan yang lebih tinggi ( p1 > p22 ).
Tabel 2: Rumus untuk konversi tekanan dan jenis gas
p = tekanan, q = aliran gas (tingkat kebocoran), η = viskositas, M = massa mol
| Aliran | Viskositas laminar | Molekuler |
| tekanan | qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| Jenis gas | q GasA · GasA = q GasB · GasB | q GasA·(M GasA) 1/2 = q GasB·(M GasB) 1/2 |
Istilah dan definisi
Saat mencari kebocoran, Anda biasanya harus membedakan antara dua tugas: (1) menemukan kebocoran dan (2) mengukur laju kebocoran.
Selain itu, kami membedakan, berdasarkan arah aliran cairan, antara:
a. metode vakum (terkadang dikenal sebagai "kebocoran di luar-dalam"), di mana arah aliran ke objek uji; tekanan di dalam objek uji kurang dari tekanan sekitar dan
b. metode tekanan positif (sering disebut sebagai "kebocoran dari dalam ke luar"), di mana aliran terjadi dari dalam benda uji ke luar; tekanan di dalam benda uji lebih tinggi dari tekanan sekitar.
Benda uji harus diperiksa bila memungkinkan dalam konfigurasi yang sesuai dengan aplikasi mereka nanti, yaitu komponen untuk aplikasi vakum menggunakan metode vakum dan menggunakan metode tekanan positif untuk komponen yang akan ditekan di dalamnya.
Saat mengukur laju kebocoran, kita membedakan antara pendaftaran:
a. kebocoran individu (pengukuran lokal), Gbr. 4b dan 4d di bawah,
dan mendaftarkan
b. total semua kebocoran pada objek uji (pengukuran integral), Gbr. 4a dan 4c di bawah.
Tingkat kebocoran terkecil yang tidak lagi dapat ditoleransi menurut spesifikasi penerimaan disebut dengan tingkat kebocoran penolakan. Perhitungan ini didasarkan pada kondisi bahwa benda uji tidak mungkin gagal selama periode penggunaan yang direncanakan karena kegagalan yang disebabkan oleh kebocoran, dan ini hingga tingkat kepastian tertentu.
Sering kali bukan laju kebocoran untuk objek uji dalam kondisi pengoperasian normal yang ditentukan, tetapi laju hasil gas uji dalam kondisi serupa. Nilai pengukuran yang dicapai harus dikonversi agar sesuai dengan situasi aplikasi aktual terkait tekanan di dalam dan di luar objek uji dan jenis gas (atau cairan) yang ditangani.
Di mana terdapat vakum di dalam objek uji (p < 1 mbar), tekanan atmosfer di luar, dan helium digunakan pada gas uji, salah satunya mengacu pada kondisi helium standar. Kondisi helium standar selalu ada selama deteksi kebocoran helium untuk sistem vakum ketika sistem tersambung ke detektor kebocoran, jika sistem dipompa ke p kurang dari 1 mbar dan jika disemprot dengan helium (teknik semprot) (lihat Gbr. 4b).
Jika objek pengujian dievakuasi hanya oleh detektor kebocoran, maka akan dikatakan bahwa detektor kebocoran beroperasi dalam mode aliran langsung detektor kebocoran (LD). Jika objek pengujian itu sendiri adalah sistem vakum lengkap dengan pompa vakumnya sendiri dan jika detektor kebocoran dioperasikan secara paralel dengan pompa sistem, maka satu mengacu pada mode aliran parsial detektor kebocoran. Satu juga mengacu pada mode aliran parsial ketika pompa tambahan terpisah digunakan secara paralel dengan detektor kebocoran.
Saat menggunakan metode tekanan positif, terkadang tidak praktis atau bahkan tidak mungkin untuk mengukur laju kebocoran secara langsung meskipun dapat dideteksi dalam amplop yang menutupi spesimen uji. Pengukuran dapat dilakukan dengan menghubungkan amplop ke detektor kebocoran atau dengan akumulasi (= peningkatan konsentrasi) gas uji di dalam amplop (lihat Gbr. 4c). Uji pemboman adalah versi khusus dari uji akumulasi.
Dalam teknik yang disebut sniffer, variasi lain dari teknik tekanan positif, gas (uji) yang keluar dari kebocoran dikumpulkan (diekstrak) oleh alat khusus dan dialirkan ke detektor kebocoran (lihat Gbr. 4d). Prosedur ini dapat dilakukan menggunakan helium, hidrogen, refrigeran, atau SF6 sebagai gas uji.
Opsi penggunaan untuk detektor kebocoran vakum berdasarkan metode vakum (a, b) dan berdasarkan metode tekanan positif (c, d)
Gambar 4: Opsi penggunaan untuk detektor kebocoran vakum berdasarkan metode vakum (a, b) dan berdasarkan metode tekanan positif (c, d)
| Metode vakum = Vakum di dalam spesimen | Metode tekanan positif = Gas uji bertekanan di dalam spesimen |
| a: Uji penutup (deteksi kebocoran integral) | c: Uji penutup (deteksi kebocoran integral) |
| b: Teknik penyemprotan (deteksi kebocoran lokal) | d: Teknik sniffer (deteksi kebocoran lokal) |
Dasar-dasar Deteksi Kebocoran
Unduh eBook "Dasar-Dasar Deteksi Kebocoran" kami untuk menemukan dasar-dasar dan teknik deteksi kebocoran.
- Produk terkait
- Blog terkait
- Pengetahuan terkait
Blog terkait
Pengetahuan terkait
