Bagaimana cara kerja detektor kebocoran aliran langsung dan aliran balik
Tergantung pada cara gas dari objek uji dipasok ke spektrometer massa, ada dua jenis detektor kebocoran helium:
- Detektor kebocoran aliran langsung
- Detektor kebocoran aliran balik
Gambar 14: Perbandingan antara detektor kebocoran aliran utama dan kebocoran aliran balik
Gambar di atas menunjukkan diagram vakum untuk kedua jenis detektor kebocoran. Dalam kedua kasus, spektrometer massa dievakuasi oleh sistem pompa vakum tinggi.
Detektor kebocoran aliran langsung
Dalam kasus detektor kebocoran aliran langsung, gas yang akan diperiksa disuplai ke spektrometer massa melalui perangkap dingin. Perangkap dingin didinginkan dengan nitrogen cair (LN2) dan pada dasarnya merupakan pompa kriogenik di mana semua uap dan kontaminan lainnya mengembun. Dalam kasus pompa difusi, yang biasanya digunakan di masa lalu, perangkap dingin berpendingin LN2 merupakan perlindungan efektif untuk spektrometer massa terhadap uap oli yang dikeluarkan dari pompa difusi.
Pompa tambahan berfungsi untuk evakuasi awal benda uji dan saluran sambungan yang diperlukan. Agar dapat menghubungkan sisi vakum tinggi pompa vakum tinggi yang sedang beroperasi dengan benda uji, pompa tambahan harus mengevakuasi benda uji ke tekanan di bawah 5·10 -2 mbar. Hanya setelah itu, katup antara pompa tambahan dan perangkap dingin dapat dibuka. Pompa vakum tinggi tidak boleh mengevakuasi objek uji, saluran sambungan yang diperlukan, dan spektrometer massa ke tekanan di bawah 2,10-4 mbar. Setelah itu, spektrometer massa dapat mulai beroperasi untuk mendeteksi kebocoran.
Tergantung pada ukuran kebocoran benda uji dan kinerja pemompaan pompa vakum yang digunakan, waktu pemompaan bisa sangat lama. Jika kebocoran sangat besar, nilai tekanan yang disebutkan di atas mungkin tidak tercapai sama sekali.
Detektor kebocoran aliran balik
Bagian kanan Gambar 14 menunjukkan diagram untuk detektor kebocoran aliran balik. Perbedaan substansial dengan diagram detektor kebocoran aliran langsung segera terlihat: Di sini, pompa vakum tinggi hanya mengevakuasi spektrometer massa (volume lebih kecil, laju kebocoran sangat kecil) dan bukan objek uji (volume besar, laju kebocoran besar secara umum).
Perlu dicatat bahwa, dalam kasus detektor kebocoran aliran balik, pasokan gas yang akan diperiksa dilakukan antara pompa kasar dan pompa vakum tinggi. Ini berarti bahwa pompa kasar dan pompa tambahan harus membawa benda uji ke tekanan di mana sisi kasar pompa vakum tinggi yang berjalan dapat disambungkan ke benda uji. Dalam kasus detektor kebocoran aliran balik saat ini, yang disebut tekanan awal ini berjumlah beberapa milibar. Jika tekanan awal pada saluran masuk detektor kebocoran tercapai, detektor akan segera beralih ke mode pengukuran.
Tekanan gas uji parsial p FV, TG antara pompa kasar dan pompa vakum tinggi ditingkatkan dengan gas uji TG (TG = helium atau hidrogen) yang mengalir ke detektor kebocoran.
Saat pompa vakum tinggi berjalan, tekanan gas uji parsial (p HV, TG ) di sisi vakum tinggi pompa secara signifikan lebih kecil daripada di sisi vakum awal pompa (p FV, TG ). Oleh karena itu, sejumlah tertentu gas uji mengalir - berlawanan dengan arah pengiriman pompa vakum tinggi - dari sisi vakum awal ke sisi vakum tinggi pompa vakum tinggi. Fenomena ini adalah alasan detektor kebocoran semacam ini disebut sebagai detektor kebocoran aliran balik".
Dalam keseimbangan, tekanan gas uji parsial berikut akan ada di sisi vakum tinggi, yaitu antara pompa vakum tinggi dan spektrometer massa:
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
Dalam hal ini, C 0, TG mengacu pada kompresi pompa vakum tinggi untuk gas uji TG pada aliran gas uji nol (aliran gas bersih gas uji melalui pompa vakum tinggi nol).
Saat ini, pompa vakum tinggi dalam detektor kebocoran aliran balik selalu merupakan pompa turbomolekuler dengan tahap senyawa. Jenis pompa vakum tinggi ini memiliki konsistensi vakum awal yang tinggi (beberapa milibar) dan oleh karena itu memungkinkan tekanan awal tinggi yang disebutkan di atas dalam kisaran milibar. Oleh karena itu, proses deteksi kebocoran dapat dilakukan jauh lebih cepat daripada dengan detektor kebocoran dengan pompa difusi oli (konsistensi pravakum pompa difusi oli ⋍ 5 ·10 -1 mbar).
Pompa turbomolekul memiliki kompresi yang sangat tinggi untuk gas berat (hidrokarbon, uap minyak). Oleh karena itu, berikut ini berlaku: Berbeda dengan gas pengujian ringan seperti helium dan hidrogen, partikel gas berat pada dasarnya tidak dapat mencapai spektrometer massa. Dengan demikian, pompa turbomolekuler merupakan perlindungan optimal untuk spektrometer massa dan membuat perangkap dingin berpendingin nitrogen cair menjadi obsolete.
Detektor kebocoran aliran balik dalam operasi aliran parsial
Jika pengosongan benda uji ke tekanan awal yang diperlukan tidak mungkin atau terlalu lama karena ukuran benda uji atau kebocoran, pompa tambahan (sistem pompa tambahan) harus digunakan selain detektor kebocoran.
Detektor kebocoran kemudian akan dioperasikan dalam apa yang disebut konfigurasi aliran parsial. Karena pompa tambahan biasanya memiliki kinerja yang lebih tinggi daripada pompa kasar yang terintegrasi ke dalam detektor kebocoran, sejumlah besar gas uji akan mengalir melalui pompa tambahan dan hanya sejumlah kecil gas uji akan mengalir melalui pompa kasar.
Namun, tekanan gas uji parsial pada inlet pompa kasar dan pada inlet pompa tambahan p FV, TG akan sama. Oleh karena itu, total aliran gas uji dari objek uji adalah
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
dengan
- S RP, TG = kecepatan pemompaan pompa kasar yang terintegrasi ke dalam detektor kebocoran untuk gas uji dalam l/dtk
- S AP, TG = kecepatan pompa pompa tambahan untuk gas uji dalam l/dtk
Ini adalah laju kebocoran sebenarnya yang seharusnya ditampilkan oleh detektor kebocoran. Namun, sistem elektronik detektor kebocoran menghasilkan tampilan berikut
q L, tampilan = p FV, TG · S RP, TG
Hasil berikut dari:
Laju kebocoran q L, tampilan yang ditampilkan oleh detektor kebocoran sama dengan produk dari laju kebocoran sebenarnya qL dan rasio aliran parsial γ:
q L, tampilan = qL · γ
γ = S RP, TG /(S RP, TG + S AP, TG ) (rasio aliran parsial)
Rasio aliran parsial dihitung menggunakan hubungan yang disebutkan di atas.
Dalam praktiknya, sering kali masuk akal untuk menentukan rasio aliran parsial secara eksperimental. Untuk melakukan ini, pasang kebocoran kalibrasi dengan laju kebocoran qL langsung pada detektor kebocoran (operasi tanpa pompa tambahan). Detektor kebocoran kemudian akan menunjukkan laju kebocoran sebenarnya qL dari detektor kebocoran pada layar. Nilai qL harus dicatat. Sekarang, instal kebocoran kalibrasi yang sama pada objek uji, aktifkan pompa tambahan, dan catat indikasi pada layar detektor kebocoran. Detektor kebocoran sekarang menampilkan qL, tampilan. Rasio aliran parsial γ yang dicari kemudian akan dihasilkan dari quotient q L, display dan qL:
γ = q L, tampilan / qL (rasio aliran parsial)
Gambar 15: Contoh penggunaan detektor kebocoran dengan prinsip aliran parsial
Sambungan ke sistem vakum
Sambungan detektor kebocoran ke sistem vakum dengan set pompa vakum multi-tahap biasanya dilakukan melalui metode aliran parsial. Saat mempertimbangkan tempat terbaik untuk membuat sambungan, harus diingat bahwa detektor kebocoran biasanya merupakan unit kecil dan portabel yang hanya memiliki kecepatan pemompaan rendah pada flensa sambungan (biasanya dengan S RP, TG ⋍ 2 m3 /jam). Hal ini menjadikan sangat penting untuk memperkirakan - berdasarkan rasio aliran parsial yang diharapkan vis vis vis pompa difusi dengan kecepatan pemompaan S AP, TG = 10.000 l/jam = 36.000 m3 /jam misalnya - laju kebocoran mana saja yang dapat terdeteksi.
Pada sistem dengan pompa vakum tinggi dan roots, pilihan yang paling pasti adalah menghubungkan detektor kebocoran antara pompa rotary vane dan pompa roots atau antara pompa roots dan pompa vakum tinggi. Jika tekanan di sana lebih besar dari tekanan masuk yang diizinkan untuk detektor kebocoran, maka detektor kebocoran harus disambungkan melalui katup pengukur (kebocoran variabel). Tentu saja, Anda harus memiliki flensa konektor yang sesuai.
Disarankan juga untuk memasang katup pada titik ini sejak awal sehingga, bila diperlukan, detektor kebocoran dapat disambungkan dengan cepat (dengan sistem berjalan) dan deteksi kebocoran dapat segera dimulai setelah membuka katup. Untuk mencegah katup ini terbuka secara tidak sengaja, katup ini harus disegel dengan flensa kosong selama pengoperasian sistem vakum normal.
Metode lain untuk menghubungkan detektor kebocoran ke sistem vakum yang lebih besar adalah dengan memasukkan sniffer ke dalam outlet sisi atmosfer sistem. Kemudian salah satu menghirup peningkatan konsentrasi gas uji di gas buang.
- SLD = SR, He
kecepatan pemompaan pompa kasar yang terintegrasi ke dalam detektor kebocoran untuk helium dalam l/dtk pada titik percabangan - SAP = SAP, He
kecepatan pemompaan pompa tambahan untuk helium dalam l/dtk pada titik percabangan
Konstanta waktu
Konstanta waktu untuk sistem vakum disediakan oleh:
t = Vch / S eff
- Vch = Volume bejana dalam l
- S eff = Kecepatan pemompaan efektif untuk gas uji pada bejana dalam l/dtk
Gambar 16: Respons sinyal dan kecepatan pemompaan
Gambar 16 di atas menunjukkan jalur sinyal setelah menyemprotkan kebocoran pada objek uji yang terpasang pada detektor kebocoran, untuk 2 konfigurasi berbeda:
- Benda uji (volume Vch ) tersambung langsung ke detektor kebocoran LD (kecepatan pemompaan efektif untuk gas uji = SLD ).
- Selain 1, pompa tambahan ( = pompa aliran parsial) dengan kecepatan pemompaan efektif yang sama SAP = SLD disambungkan ke objek uji.
Dua kurva sinyal yang sesuai ditampilkan pada gambar. 16:
Kurva 1: Setelah "waktu mati" t0, sinyal proporsional terhadap tekanan gas uji parsial pTG meningkat seiring waktu t sesuai dengan hubungan
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
Setelah jangka waktu tertentu, sinyal mencapai sebagian dari nilai akhirnya
- t − t0 = 1 τ 63,3% dari nilai akhir
- t − t0 = 3 τ 95,0 % dari nilai akhir
- t − t0 = 6 τ 99,8 % dari nilai akhir
Nilai akhir sinyal berbanding lurus dengan pTG = qL /S eff karena istilah eksponensial akan hilang selama t - t0 >> τ.
Rentang waktu t - t0 yang diperlukan untuk mencapai 95% dari nilai akhir disebut sebagai waktu respons. Ini diberikan oleh 3 τ.
Hal ini memberikan hasil berikut untuk kurva 1: Nilai akhir sinyal berbanding lurus dengan pTG = qL /S eff = qL /SLD = p1
Waktu respons = 3 τ = 3 Vch /S eff = 3 Vch /SLD = τ1
Berikut ini berlaku untuk kurva 2 ( = operasi aliran parsial): Nilai akhir sinyal berbanding lurus dengan pTG = qL /S eff = qL /(SLD + SAP ) = 0,5 · p1
Waktu respons = 3 τ = 3 Vch /S eff = 3 Vch /(SLD + SAP ) = 0,5 · τ1
Karena pemasangan pompa tambahan ( = pompa aliran parsial), waktu respons akan selalu dipersingkat dan nilai akhir sinyal akan selalu berkurang. Dalam contoh di atas, waktu respons dikurangi separuh, tetapi nilai akhir sinyal juga dikurangi separuhnya.
Waktu respons yang singkat berarti perubahan dan tampilan sinyal yang cepat. Hal ini memberikan keuntungan bahwa waktu yang dibutuhkan untuk mendeteksi kebocoran dapat dikurangi secara signifikan. Kelemahan akibat nilai akhir sinyal yang lebih kecil, dalam sebagian besar kasus, tidak mengakibatkan masalah serius karena sensitivitas detektor kebocoran yang sangat tinggi saat ini.
Kesimpulan: Pengoperasian aliran parsial mengurangi waktu yang dihabiskan untuk mendeteksi kebocoran!
Estimasi keseluruhan konstanta waktu untuk beberapa volume yang saling terhubung satu sama lain dan ke pompa terkait dapat dilakukan dalam perkiraan awal dengan menambahkan konstanta waktu individu.
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
Pengetahuan terkait
