Empat cara untuk mengesan kebocoran vakum menggunakan helium 6 Februari 2019

Proses dan aplikasi vakum yang berbeza memerlukan kadar kebocoran yang berbeza. Sebenarnya, apa yang boleh diterima pada vakum yang lebih rendah akan dianggap sama sekali tidak boleh diterima (dan pastinya sangat berbahaya) pada tahap vakum yang lebih tinggi. Satu-satunya kaedah yang boleh dipercayai untuk mengesan kebocoran yang lebih kecil daripada 1x10-6 mbar*l/s adalah dengan menggunakan pengesan kebocoran helium. Diameter kebocoran untuk 1x10-12 mbar*l/s (yang bersamaan dengan 1Å) juga merupakan diameter molekul helium, dan merupakan kadar kebocoran terkecil yang dapat dikesan.

Helium digunakan sebagai gas penjejak untuk mengesan kebocoran atas beberapa sebab. Ini termasuk fakta bahawa ia hanya terdiri daripada ~ 5 ppm dalam udara sehingga tahap latar belakang adalah sangat rendah. Helium juga mempunyai jisim yang agak rendah sehingga ia ‘mudah alih’ dan sepenuhnya tidak reaktif. Helium juga tidak mudah terbakar dan umumnya tersedia secara meluas serta berharga rendah.

Hubungan ini dengan helium adalah salah satu sebab mengapa salah satu kaedah pengesanan kebocoran yang paling tepat dan cepat menggunakan helium sebagai gas penjejak, dan spektrometer jisim untuk menganalisis/mengukur. Selain itu, helium dipilih sebagai gas penjejak kerana ia ringan, sangat cepat dan benar-benar tidak berbahaya.

Pengesanan helium berfungsi dengan cara berikut: unit yang diperiksa sama ada ditekan dari dalam atau ditekan dari luar dengan helium. Gas dari sebarang kebocoran yang berpotensi dikumpulkan dan dipam ke dalam spektrometer jisim untuk dianalisis, dan sebarang nilai yang melebihi jejak latar belakang helium adalah bukti adanya kebocoran. Spektrometer itu berfungsi dengan cara berikut: mana-mana molekul helium yang disedut ke dalam spektrometer akan diionkan, dan ion helium ini kemudiannya akan "terbang" ke dalam perangkap ion di mana arus ion dianalisis dan direkodkan. Berdasarkan arus ionisasi, kadar kebocoran kemudian dikira.

Bacaan rujukan (atau latar belakang) untuk helium adalah bahagian penting dalam proses tersebut. Bacaan rujukan ini memberikan "bunyi latar" untuk helium, yang boleh dianggap sebagai tahap ambient helium. Kebanyakan helium latar belakang ini terkandung di antara 100 dan 150 mikro-lapisan molekul gas dan merupakan gas tetap (terkandung dalam udara) yang terdapat dalam pengesan kebocoran, pam, bahagian ujian dan lain-lain. Pengeluaran helium permukaan ini dipanggil "degassing" dan bermula apabila semua gas telah dipam keluar, setelah molekul-molekul telah "desorbing" dari permukaan dalam logam. Desorpsi ini bermula pada tekanan sekitar 10-1 mbar. Proses pengurangan gas dengan menurunkan tekanan atau memanaskan permukaan ruang tidaklah luar biasa, tetapi walaupun begitu ia tidak menghapuskan semua gas di permukaan sepenuhnya. Selain daripada helium permukaan, helium "siap sedia" juga terkandung dalam O-ring yang berfungsi seperti span, sambil memberikan petunjuk yang baik tentang seberapa bersih unit tersebut. Pengesan kebocoran helium moden mampu mengukur dan mengira tahap dalaman (latar belakang) ini secara berterusan dan secara automatik menolak ini daripada pengukuran kadar kebocoran.

Untuk dapat mengira kadar kebocoran bagi gas, tekanan memainkan peranan penting dalam menentukan saiz kebocoran gas. Kadar kebocoran adalah jumlah gas yang mengalir melalui bahan/membran pada perbezaan tekanan tertentu dalam satu tempoh masa. Asas pengiraan kadar kebocoran adalah: diameter kebocoran adalah bulat; dan saluran kebocoran adalah setara dengan ketebalan bahan yang "dilalui" oleh kebocoran. Kadar kebocoran = jumlah gas/masa = tekanan x isipadu/masa, dan diukur dalam mbar*l/s atau unit setara.

Terdapat beberapa kaedah pengesanan kebocoran--yang mana untuk digunakan--adalah berdasarkan tekanan/vakum yang sedang diperiksa. Yang paling mudah adalah ujian gelembung, yang paling baik digambarkan dengan meletakkan pam basikal yang bocor di bawah air dan menandakan dari mana gelembung berasal, atau meletakkan sabun pencuci di sekitar sambungan paip air/gas yang aktif, dan memerhatikan sama ada cecair itu membentuk buih. Kedua-duanya adalah cara yang boleh dipercayai untuk mengesan kebocoran tekanan rendah. Ujian gelembung digunakan sehingga vakum 10-4 mbar.

Ujian penurunan tekanan adalah seperti itu: ruang tersebut ditekan, dan penurunan tekanan diperhatikan dan direkodkan. Ujian penurunan tekanan digunakan sehingga 10-3 mbar. Ujian peningkatan tekanan berfungsi secara terbalik. Tekanan dalam ruang meningkat dan keupayaan untuk mengekalkan tekanan diperhatikan berbanding bacaan tekanan masuk. Ujian peningkatan tekanan digunakan sehingga 10-6 mbar*l/s.

Walau bagaimanapun, ia adalah mod "integral" helium (tepat sehingga 10-12 mbar*l/s) dan ujian "sniffer" helium (tepat sehingga 10-7 mbar*l/s) yang merupakan prosedur pengesanan kebocoran yang paling ketat dalam julat vakum tinggi.

Terdapat dua kaedah pengesanan kebocoran helium (HLD): ujian integral atau ujian tempatan. Pemilihan kaedah yang digunakan bergantung kepada situasi, serta apa yang akan digunakan untuk produk akhir. Kaedah "integral" menunjukkan jika terdapat kebocoran (tetapi tidak berapa banyak kebocoran yang berbeza), kaedah "tempatan" menunjukkan di mana terdapat kebocoran (tetapi penentuan tepat kadar kebocoran / saiz kebocoran adalah sukar). Kedua-dua kaedah pengesanan ini boleh dibahagikan kepada dua bahagian lagi: "sampel di bawah tekanan", dan "sampel di bawah vakum".

Prosedur ujian integral yang pertama daripada dua adalah dipanggil kaedah "integral (sampel di bawah tekanan)", di mana ruang yang sedang disiasat diletakkan dalam bekas yang tertutup. Ruang tersebut dipenuhi dengan helium dan bekas itu disambungkan ke pengesan kebocoran. Sekiranya berlaku kebocoran, sampel gas dari dalam bekas diambil dan melalui spektrometer jisim di mana sebarang peningkatan (berbanding bacaan latar belakang) dalam tahap helium direkodkan.

1. Ruang vakum
2. Uji sampel di bawah tekanan 
3. Pengesan kebocoran 
4. Uji gas (helium)
5. Peringkat pam*

hanya diperlukan untuk isipadu bilik yang besar 

Dalam kaedah "ujian integral (contoh di bawah vakum)", ruang ujian sekali lagi diletakkan dalam sebuah bekas tetapi dalam kes ini bekas tersebut dipressur dengan helium – dan ruang ujian disambungkan terus kepada pengesan kebocoran. Sampel gas dalam ruang diambil dan melalui spektrometer jisim di mana sekali lagi, sebarang peningkatan helium dari bacaan latar belakang dicatat.

1. Ruang tekanan
2. Uji sampel di bawah tekanan 
3. Pengesan kebocoran 
4. Uji gas (helium)
5. Peringkat pam*

hanya diperlukan untuk isipadu bilik yang besar 

Pasangan prosedur kedua kadangkala dirujuk sebagai ujian "sniffer" dan "spraying". Dalam kaedah "local-sniffer (contoh di bawah tekanan)", ruang tersebut ditekan dengan helium dan alat pengesan dibawa di sekitar titik kebocoran yang mungkin ada di ruang tersebut (las, flens, portal, saluran instrumen, dan lain-lain) untuk menyedut sebarang gas yang melarikan diri. Gas yang "dihidu" ini dihantar ke spektrometer jisim untuk merekod sebarang tahap helium yang tinggi (iaitu, di atas latar belakang).

1. Penyedut
2. Uji sampel di bawah tekanan 
3. Pengesan kebocoran 
4. Uji gas (helium)

Dalam kaedah "penyemburan tempatan (contoh di bawah vakum)", ruang tersebut dipam vakum dan gas helium disembur/dihala ke arah titik kebocoran yang mungkin, dengan niat agar sebahagian daripada helium tulen ini akan disedut ke dalam ruang. Gas dari dalam ruang tersebut dihantar ke dalam spektrometer untuk merekod sebarang tahap helium yang tinggi.

1. Uji penyembur gas
2. Uji sampel di bawah vakum 
3. Pengesan kebocoran 
4. Uji gas (helium)
5. Peringkat pam*

hanya diperlukan untuk jumlah sampel ujian besar 

Untuk merumuskan dan menyederhanakan perbezaan antara dua jenis prosedur HLD ini: kaedah integral memerlukan ruang untuk diletakkan di dalam unit yang kalis gas (tidak selalu mungkin), manakala dalam kaedah ujian tempatan, ruang sama ada dikenakan tekanan dalaman dengan helium atau dihisap vakum dalaman dengan helium yang disembur dengan banyak pada permukaan ruang di titik-titik yang berkemungkinan bocor. Dalam kedua-dua ujian, helium memasuki pengesan kebocoran melalui kebocoran yang mungkin dan melalui spektrometer untuk dianalisis.

There are several standards relating to leak detectors and leak detection. One of these, DIN EN 1330-8, designates the ‘helium standard leak-rate’ for use where a leak-test is carried out with helium at a pressure differential of 1 bar external atmospheric pressure to < 1 mbar internal pressure (which in practice is common conditions).

Unit SI untuk kadar kebocoran yang diukur adalah Pa.m3.s-1. Unit SI untuk tekanan adalah Pascal (Pa) di mana 100 Pa = 1 mbar = 1 hPa. Unit yang biasa digunakan untuk kadar kebocoran adalah mbar.l.s-1.

Ujian kadar kebocoran digunakan untuk menentukan kadar jumlah udara yang bocor ke dalam ruang vakum. Kadar kebocoran yang boleh diterima ditentukan oleh keperluan aplikasi itu sendiri.

Standard persekitaran dan keselamatan memerlukan pengeluar untuk menjamin ketahanan kebocoran produk mereka dengan menjalankan ujian kebocoran sebagai sebahagian daripada proses kelulusan pengeluaran/kualiti. Untuk menunjukkan kadar penolakan bagi ujian menggunakan helium di bawah keadaan helium standard, adalah perlu untuk menukarkan keadaan ujian sebenar yang digunakan kepada keadaan standard helium; terdapat formula standard yang tersedia untuk penukaran ini.

Apabila sistem vakum disambungkan kepada pengesan kebocoran, keadaan helium standard mesti ada semasa pengesanan kebocoran helium. Menggunakan helium untuk menjalankan ujian kebocoran menjamin hasil yang boleh dipercayai dan boleh diulang yang boleh diukur dan dipantau secara berterusan.

Perlu dihargai bahawa terdapat cabaran tertentu yang berkaitan dengan pengesanan kebocoran kecil menggunakan helium. HLD sangat sensitif, dan helium yang mengelilingi atau terperangkap boleh dengan mudah mempengaruhi ketepatan pengesanan kebocoran dan pengukuran kebocoran. Pengesan kebocoran itu sendiri bukan unit yang kalis kebocoran, sebab itulah persekitaran bersih helium adalah penting jika bacaan yang tepat ingin diperoleh. Selain itu, untuk kebocoran yang sangat kecil, adalah penting untuk mengawal faktor luaran kerana ini boleh dengan mudah mengubah keputusan. Akhirnya, helium ambien boleh memasuki sistem melalui port ekzos dan pengudaraan, serta meresap melalui O-ring.