Hoe werken lekdetectoren met directe en tegenstroom?
Afhankelijk van de manier waarop het gas van het testobject naar de massaspectrometer wordt gevoerd, kan men onderscheid maken tussen twee soorten heliumlekdetectoren:
- De direct-flow lekdetector
- De lekdetector voor tegenstroom
Afbeelding 14: Vergelijking hoofdstroomlek en tegenstroomlekdetector
Bovenstaande afbeelding toont de vacuümschema's voor de twee lekdetectortypes. In beide gevallen wordt de massaspectrometer geëvacueerd door een hoogvacuümpompsysteem.
Directe flow lekdetector
Bij de direct flow lektester wordt het te inspecteren gas via een koudeval aan de massaspectrometer toegevoerd. De koudeval wordt gekoeld met vloeibare stikstof (LN2) en is in principe een cryopomp waarin alle dampen en andere verontreinigingen condenseren. In het geval van de diffusiepomp, die in het verleden gewoonlijk werd gebruikt, was de LN2-gekoelde koudeval daarom een effectieve bescherming voor de massaspectrometer tegen de oliedampen die uit de diffusiepomp werden afgevoerd.
De hulppomp dient voor de voorevacuatie van het testobject en de benodigde aansluitleidingen. Om de hoogvacuümzijde van de draaiende hoogvacuümpomp met het testobject te kunnen verbinden, moet de hulppomp het testobject evacueren tot een druk onder 5·10 -2 mbar. Alleen dan kan de klep tussen de hulppomp en de koudevanger worden geopend. De hoogvacuümpomp mag het testobject, de benodigde aansluitleidingen en de massaspectrometer niet tot een druk van minder dan 2·10 -4 mbar evacueren. Daarna kan de massaspectrometer in bedrijf worden gesteld om lekkages te detecteren.
Afhankelijk van de grootte van het lek in het testobject en de pompprestaties van de gebruikte vacuümpompen kunnen de pomptijden zeer lang zijn. Bij een zeer grote lekkage kunnen de bovengenoemde drukwaarden zelfs helemaal niet worden bereikt.
Lekdetector tegenstroom
Het rechterdeel van Fig. 14 toont het schema voor de tegenstroomlekdetector. Het grote verschil met het diagram van de direct-flow lektester is direct herkenbaar: hier evacueert de hoogvacuümpomp alleen de massaspectrometer (kleiner volume, zeer kleine leksnelheid) en niet het testobject (groot volume, grote leksnelheid in het algemeen).
Er dient te worden opgemerkt dat bij de tegenstroomlekdetector de toevoer van het te inspecteren gas plaatsvindt tussen de voorpomp en de hoogvacuümpomp. Dit betekent dat de ruwpomp en de hulppomp het testobject tot een druk moeten brengen waarbij de ruwzijde van de draaiende hoogvacuümpomp op het testobject kan worden aangesloten. Bij de huidige tegenstroomlekdetectoren bedraagt deze zogenaamde startdruk meerdere millibar. Als de startdruk bij de ingang van de lekdetector wordt bereikt, schakelt deze onmiddellijk over naar de meetmodus.
De deeldruk van het testgas p FV, TG tussen de opvoerpomp en de hoogvacuümpomp wordt verhoogd door het testgas TG (TG = helium of waterstof) dat in de lekdetector stroomt.
Wanneer de hoogvacuümpomp draait, is de partiële testgasdruk (p HV, TG ) aan de hoogvacuümzijde van de pomp aanzienlijk lager dan aan de voorvacuümzijde van de pomp (p FV, TG ). Daarom stroomt een bepaalde hoeveelheid van het testgas - tegen de toevoerrichting van de hoogvacuümpomp in – van de voorvacuümzijde naar de hoogvacuümzijde van de hoogvacuümpomp. Dit fenomeen is de reden waarom dit soort lekdetector tegenstroomlekdetector wordt genoemd.
In evenwicht zal de volgende deeldruk van het testgas aanwezig zijn aan de hoogvacuümzijde, d.w.z. tussen de hoogvacuümpomp en de massaspectrometer:
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
In dit geval verwijst C 0, TG naar de compressie van de hoogvacuümpomp voor het testgas TG bij een testgasdebiet van nul (het nettogasdebiet van het testgas door de hoogvacuümpomp is nul).
Tegenwoordig is de hoogvacuümpomp in tegenstroomlekdetectoren altijd een turbomoleculaire pomp met compoundtrap. Dit type hoogvacuümpomp heeft een hoge voorvacuümconsistentie (enkele millibar) en maakt daarom de bovengenoemde hoge startdrukken in het millibarbereik mogelijk. Daarom kan het lekdetectieproces veel sneller worden uitgevoerd dan met een lekdetector met oliediffusiepomp (voorvacuümconsistentie van een oliediffusiepomp ⋍ 5 ·10 -1 mbar).
Turbomoleculaire pompen hebben een zeer hoge compressie voor zware gassen (koolwaterstoffen, oliedampen). Daarom geldt het volgende: In tegenstelling tot lichte testgassen zoals helium en waterstof kunnen zware gasdeeltjes de massaspectrometer in principe niet bereiken. De turbomoleculaire pomp is dus een optimale bescherming voor de massaspectrometer en maakt een vloeibare stikstofgekoelde koudeval overbodig.
Tegenstroomlekdetector in deelstroombedrijf
Als het evacueren van het testobject tot de vereiste startdruk onmogelijk is of te lang duurt vanwege de grootte van het testobject of het lek, moet naast de lekdetector een hulppomp (hulppompsysteem) worden gebruikt.
De lekdetector werkt dan in een zogenaamde deelstroomconfiguratie. Aangezien de hulppomp doorgaans een hogere prestatie heeft dan de in de lekdetector geïntegreerde opvoerpomp, zal de grotere hoeveelheid testgas door de hulppomp stromen en zal slechts een kleine hoeveelheid testgas door de opvoerpomp stromen.
De gedeeltelijke testgasdruk bij de inlaat van de voorpomp en bij de inlaat van de hulppomp p FV, TG is echter identiek. Daarom bedraagt de totale testgasstroom van het testobject
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
met
- S RP, TG = pompsnelheid van de in de lekdetector geïntegreerde voorpomp voor het testgas in l/s
- S AP, TG = pompsnelheid van de hulppomp voor het testgas in l/s
Dit is de werkelijke leksnelheid die de lekdetector moet weergeven. De elektronica van de lekdetector genereert echter de volgende weergave
q L, weergave = p FV, TG · S RP, TG
Het resultaat is:
De leksnelheid q L, die door de lekdetector wordt weergegeven, is gelijk aan het product van de werkelijke leksnelheid qL en de deelstroomverhouding γ:
q L, weergave = qL · γ
γ = S RP, TG /(S RP, TG + S AP, TG ) (verhouding gedeeltelijk debiet)
De deelstroomverhouding wordt berekend aan de hand van de hierboven vermelde relatie.
In de praktijk is het vaak zinvol om de deelstroomverhouding experimenteel te bepalen. Hiervoor wordt een kalibratielek met de leksnelheid qL direct bij de lekdetector geïnstalleerd (bedrijf zonder hulppomp). De lekdetector geeft dan de werkelijke leksnelheid qL van de lekdetector op het display aan. De waarde qL moet worden geregistreerd. Nu installeert men hetzelfde kalibratielek op het testobject, zet men de hulppomp in bedrijf en registreert men de indicatie op het display van de lekdetector. De lekdetector geeft nu qL, display weer. De gezochte deelstroomverhouding γ is dan het resultaat van het quotiënt van q L, weergave en qL:
γ = q L, weergave / qL (deeldebietverhouding)
Afbeelding 15: Voorbeeld voor het gebruik van een lekdetector met gedeeltelijke-stroomprincipe
Aansluiting op vacuümsystemen
De aansluiting van een lekdetector op vacuümsystemen met meertraps vacuümpompsets wordt meestal uitgevoerd met behulp van de partiële stroommethode. Bij het overwegen waar de aansluiting het beste kan worden uitgevoerd, moet er rekening mee worden gehouden dat de lekdetector meestal een kleine, draagbare eenheid is die slechts een lage pompsnelheid heeft bij de aansluitflens (doorgaans bij S RP, TG ⋍ 2 m3 /h). Daarom is het des te belangrijker om – op basis van de te verwachten partiële stroomverhouding ten opzichte van een diffusiepomp met een pompsnelheid van S AP, TG = 10.000 l/s = 36.000 m3 /h – in te schatten welke leksnelheid over het algemeen kan worden gedetecteerd.
In systemen met hoogvacuüm- en stuwpompen is de veiligste optie om de lekdetector aan te sluiten tussen de draaischuifpomp en de stuwpomp of tussen de stuwpomp en de hoogvacuümpomp. Als de aanwezige druk hoger is dan de toegestane inlaatdruk voor de lekdetector, moet de lekdetector via een doseerklep worden aangesloten (variabel lek). Uiteraard moet men een geschikte aansluitflens ter beschikking hebben.
Het is ook raadzaam om op dit punt vanaf het begin een klep te installeren, zodat de lektester indien nodig snel kan worden aangesloten (met het systeem in bedrijf) en de lekdetectie onmiddellijk na het openen van de klep kan beginnen. Om te voorkomen dat deze klep per ongeluk wordt geopend, moet deze tijdens de normale werking van het vacuümsysteem worden afgedicht met een blinde flens.
Een andere manier om een lekdetector aan te sluiten op grotere vacuümsystemen is door een sniffer in de uitlaat aan de atmosfeerzijde van het systeem te steken. Vervolgens wordt de toename van de testgasconcentratie in de uitlaatgassen onderzocht.
- SLD = SR, He
pompsnelheid van de in de lekdetector ingebouwde opvoerpomp voor helium in l/s bij het aftakpunt - SAP = SAP, He
pompsnelheid van de hulppomp voor helium in l/s op het aftakpunt
Tijdconstanten
De tijdconstante voor een vacuümsysteem wordt bepaald door:
t = Vch / S eff
- Vch = volume van de vaten in l
- S eff = Effectieve pompsnelheid van het testgas bij het vat in l/s
Afbeelding 16: Signaalresponsen en pompsnelheid
Afbeelding 16 hierboven toont het signaalverloop na het spuiten van een lek in een testobject dat is bevestigd aan een lekdetector, voor 2 verschillende configuraties:
- Het testobject (volume Vch ) wordt rechtstreeks aangesloten op de lekdetector LD (effectieve pompsnelheid van het testgas = SLD ).
- Naast 1 wordt een hulppomp ( = deelstroompomp) met dezelfde effectieve pompsnelheid SAP = SLD aangesloten op het testobject.
De twee overeenkomstige signaalcurven worden weergegeven in fig. 16:
Curve 1: Na een 'dode tijd' t0 neemt het signaal proportioneel aan de partiële testgasdruk pTG toe in de tijd t volgens de relatie
pTG = (qL /S eff ) · { 1 − exp[ − (t − t0 )/τ
Na een bepaalde tijd bereikt het signaal een deel van zijn eindwaarde
- t − t0 = 1 τ 63,3 % van eindwaarde
- t − t0 = 3 τ 95,0 % van eindwaarde
- t − t0 = 6 τ 99,8 % van eindwaarde
De eindwaarde van het signaal is evenredig aan pTG = qL /S eff aangezien de exponentiële term verdwijnt voor t – t0 >> τ.
De tijdspanne t – t0 die nodig is om 95% van de eindwaarde te bereiken, wordt de responstijd genoemd. Dit wordt gegeven door 3 τ.
Dit levert het volgende resultaat op voor curve 1: de eindwaarde van het signaal is evenredig aan pTG = qL /S eff = qL /SLD = p1
Responstijd = 3 τ = 3 Vch /S eff = 3 Vch /SLD = τ1
Voor curve 2 ( = deelstroombedrijf) geldt: de eindwaarde van het signaal is evenredig aan pTG = qL /S eff = qL /(SLD + SAP ) = 0,5 · p1
Responstijd = 3 τ = 3 Vch /S eff = 3 Vch /(SLD + SAP ) = 0,5 · τ1
Door de installatie van een hulppomp ( = deelstroompomp) wordt de reactietijd altijd verkort en wordt de eindwaarde van het signaal altijd verlaagd. In het bovenstaande voorbeeld wordt de responstijd gehalveerd, maar wordt ook de eindwaarde van het signaal gehalveerd.
Een korte reactietijd betekent een snelle wijziging en weergave van het signaal. Dit biedt het voordeel dat de benodigde tijd voor het opsporen van lekkages aanzienlijk kan worden verminderd. Het daaruit voortvloeiende nadeel dat de eindwaarde van het signaal kleiner is, leidt in de meeste gevallen niet tot ernstige problemen vanwege de zeer hoge gevoeligheid van de huidige lektesters.
Conclusie: de deelstroommodus vermindert de tijd die nodig is voor het opsporen van lekkage!
Een schatting van de totale tijdconstanten voor meerdere volumes die achter elkaar zijn aangesloten en voor de bijbehorende pompen kan in eerste instantie worden benaderd door de afzonderlijke tijdconstanten bij elkaar op te tellen.
Basisbeginselen van lekdetectie
Download ons eBook 'Grondbeginselen van lekdetectie' en ontdek de basisprincipes en technieken voor lekdetectie.
- Verwante producten
- Gerelateerde blogs
- Gerelateerde informatie
