Como funcionam os detectores de vazamento de fluxo direto e de contrafluxo?
Fig. 5.12 Detector de vazamento de fluxo total e de contrafluxo
A Figura 5.12 mostra o esquema de vácuo para os dois tipos de detector de vazamento. Em ambos os casos, o espetrômetro de massa é evacuado pelo sistema de bombeamento de alto vácuo, que compreende uma bomba turbomolecular e uma bomba de palheta rotativa. O diagrama à esquerda mostra um detector de vazamento de fluxo direto. O gás da porta de entrada é admitido no espectrômetro por meio de uma armadilha a frio. Na verdade, é equivalente a uma bomba criogênica na qual todos os vapores e outros contaminantes se condensam. (A armadilha a frio no passado também proporcionou proteção eficaz contra os vapores de óleo das bombas de difusão usadas naquele momento). O sistema da bomba parcial auxiliar serve para pré-evacuar os componentes a serem testados ou a linha do conector entre o detector de vazamento e o sistema a ser testado. Uma vez que a pressão de entrada relativamente baixa (tempo de bombeamento!) for atingida, a válvula entre o sistema de bombeamento auxiliar e a armadilha a frio será aberta para a medição. O Seff usado na equação 5.4b é a velocidade de bombeamento da bomba turbomolecular no local da fonte de íons:
(5.5a)
No caso de detectores de vazamento de fluxo direto, um aumento na sensibilidade pode ser alcançado reduzindo a velocidade de bombeamento, por exemplo, instalando um acelerador entre a bomba turbomolecular e a armadilha a frio. Isso também é empregado para atingir a máxima sensibilidade.
Exemplo
A menor pressão parcial detectável para hélio é:
pmin,He = 1 · 10-12 mbar. A velocidade de bombeamento do hélio seria de
SHe = 10 l/s. Então, a menor taxa de vazamento detectável é
Qmin = 1 · 10-12 mbar · 10 l/s = 1 · 10-11 mbar · l/s. Se a velocidade de bombeamento agora for reduzida para 1/s, a unidade é l/s, portanto, 1 l/s, em seguida, uma delas atingirá a menor taxa de vazamento detectável de 1 · 1012 mbar · l/s. No entanto, deve-se ter em mente que, com o aumento da sensibilidade, a constante de tempo para atingir uma pressão estável do gás de teste na amostra de teste será correspondentemente maior (veja abaixo).
Na Figura 5.12, o diagrama do lado direito mostra o diagrama do detector de vazamento de contrafluxo. O espectrômetro de massa, o sistema de alto vácuo e o sistema da bomba parcial auxiliar correspondem exatamente à configuração para o arranjo de fluxo direto. A alimentação do gás a ser examinado é, no entanto, conectada entre a bomba parcial e a bomba turbomolecular. O hélio que atinge esse ponto de ramificação após a válvula ser aberta causará um aumento na pressão do hélio na bomba turbomolecular e no espectrômetro de massa. A velocidade de bombeamento Seff inserida na equação 5.4b é a velocidade de bombeamento para a bomba de palheta rotativa no ponto de ramificação. A pressão parcial de hélio estabelecida lá, reduzida pelo fator de compressão de hélio para a bomba turbomolecular, é medida no espectrômetro de massa. A velocidade da bomba turbomolecular nos detectores de vazamento contrafluxo é regulada de modo que a compressão da bomba também permaneça constante. A equação 5.5b é derivada da equação 5.5a:
(5.5b)
Seff= velocidade efetiva de bombeamento na bomba de palheta rotativa no ponto de ramificação
K = Fator de compressão de hélio na bomba turbomolecular
O detector de vazamento de contrafluxo é um benefício particular para unidades de vácuo automáticas, pois há uma pressão claramente mensurável na qual a válvula pode ser aberta, ou seja, a pressão de vácuo parcial na bomba turbomolecular. Como a bomba turbomolecular tem uma capacidade muito grande de compressão para massas elevadas, moléculas pesadas em comparação com o gás de teste leve, hélio (M = 4), podem, na prática, não alcançar o espectrômetro de massa. A bomba turbomolecular, portanto, fornece proteção ideal para o espectrômetro de massa e, assim, elimina a necessidade de uma armadilha a frio LN 2, que é certamente a maior vantagem para o usuário. Historicamente, os detectores de vazamento de contrafluxo foram desenvolvidos posteriormente. Isso se deve, em parte, à estabilidade da velocidade de bombeamento inadequada, que por muito tempo não foi suficiente com as bombas de palheta rotativa usadas aqui. Para ambos os tipos de detector de vazamento, as unidades estacionárias usam uma bomba auxiliar integrada para auxiliar na evacuação da porta de teste. Com detectores de vazamento portáteis, pode ser necessário fornecer uma bomba externa separada, por razões de peso.
Operação de fluxo parcial
Fig. 5.13 Princípio de fluxo parcial
Quando o tamanho do reservatório de vácuo ou o vazamento impossibilita a evacuação da amostra de teste para a pressão de entrada necessária, ou quando isso levaria muito tempo, então bombas suplementares deverão ser usadas. Nesse caso, o detector de vazamento de hélio é operado de acordo com o chamado conceito de "fluxo parcial". Isso significa que, geralmente, a maior parte do gás extraído do objeto de teste será removida por um sistema de bomba adicional adequadamente dimensionado, de modo que apenas uma parte do fluxo de gás atinja o detector de vazamento de hélio (consulte a Fig. 5.13). A divisão do fluxo de gás é efetuada de acordo com a velocidade de bombeamento predominante no ponto de ramificação. Aplica-se então o seguinte:
(5.6)
onde g γ (em vez de g!) é caracterizado como a vazão parcial, ou seja, a fração da corrente de vazamento geral que é exibida no detector. Onde a vazão parcial é desconhecida, g γ (em vez de g!) pode ser determinada com um vazamento de referência conectado ao reservatório de vácuo:
(5.7)
Conexão a sistemas de vácuo
O conceito de fluxo parcial é geralmente usado para fazer a conexão de um detector de vazamento de hélio a sistemas de vácuo com conjuntos de bombas de vácuo de vários estágios. Ao considerar onde fazer melhor a conexão, deve-se ter em mente que, geralmente, são unidades pequenas e portáteis, que têm apenas uma baixa velocidade de bombeamento no flange de conexão (geralmente menos de 1 l/s). Isso torna ainda mais importante estimar – com base na vazão parcial a ser esperada em relação à uma bomba de difusão com velocidade de bombeamento de 12.000 l/s, por exemplo – quais taxas de vazamento podem ser detectadas. Em sistemas com bombas de alto vácuo e bombas tipo roots, a opção mais segura é conectar o detector de vazamentos entre a bomba de palheta rotativa e as bombas tipo roots ou entre a bomba tipo roots e a bomba de alto vácuo. Se a pressão for superior à pressão de entrada permitida para o detector de vazamento, o detector de vazamento deverá ser conectado através de uma válvula de medição (vazamento variável). Naturalmente, um deles terá que ter um flange de conector adequado disponível. Também é aconselhável instalar uma válvula nesse ponto desde o início para que, quando necessário, o detector de vazamento possa ser acoplado rapidamente (com o sistema em funcionamento) e a detecção de vazamento possa começar imediatamente após a abertura da válvula. Para evitar que essa válvula seja aberta inadvertidamente, ela deve ser vedada com um flange cego durante a operação normal do sistema de vácuo.
Um segundo método de acoplamento a sistemas maiores, por exemplo, aqueles usados para remover o ar das turbinas em usinas geradoras de energia, é acoplar na descarga. Uma unidade de detecção é inserida no sistema onde descarrega para a atmosfera. Em seguida, detecta-se um aumento da concentração de hélio no escape. Sem um acoplamento rígido ao escape, no entanto, o limite de detecção para esta aplicação será limitado a 5 ppm do teor de hélio natural no ar. Muitos detectores de vazamento têm funções Zero, onde o fundo natural pode ser subtraído e, portanto, podem ser encontradas taxas de vazamento mais baixas. Em usinas de energia elétrica, é suficiente inserir a ponta da sonda a um ângulo de cerca de 45 ° do topo para a linha de descarga (geralmente apontando para cima) da bomba (de água do tipo anel).
Constantes de tempo
A constante de tempo para um sistema de vácuo é definida por
(5.8)
τ = constante de tempo
V = Volume do recipiente
Seff = velocidade efetiva de bombeamento, no objeto de teste
Fig. 5.14 Respostas de sinal e velocidade de bombeamento
A Figura 5.14 mostra o curso do sinal após a pulverização de um vazamento em uma amostra de teste conectada a um detector de vazamento, para três configurações diferentes:
- Centro: a amostra com volume de V é unida diretamente ao detector de vazamento LD (velocidade efetiva de bombeamento de S).
- Esquerda: além de 1, uma bomba de fluxo parcial com a mesma velocidade efetiva de bombeamento, Sl = S, é acoplada à amostra de teste.
- Direita: como em 1, mas S é reduzido a 0,5◊S.
Os sinais podem ser interpretados da seguinte forma:
1: Após um "período morto" (ou "tempo de atraso") até um nível de sinal discernível, o sinal, que é proporcional à pressão parcial do hélio, aumentará até seu valor total de pHe = Q/Seff de acordo com a equação 5.9:
(5.9)
O período necessário para atingir 95% do valor máximo é normalmente chamado de tempo de resposta.
2: Com a instalação da bomba de fluxo parcial, tanto a constante de tempo como a amplitude do sinal serão reduzidas por um fator de 2; isso significa um aumento mais rápido, mas um sinal que é apenas metade do máximo. Uma constante de tempo pequena significa mudanças rápidas e, portanto, exibição rápida e, por sua vez, tempos de detecção de vazamento curtos.
3: A aceleração da velocidade de bombeamento para 0,5 S aumenta tanto a constante de tempo quanto a amplitude do sinal por um fator de 2. Um valor grande para t aumenta o tempo necessário adequadamente. Sensibilidade grande, obtida pela redução da velocidade de bombeamento, está sempre associada a maiores requisitos de tempo e, portanto, nem sempre é vantajosa.
Uma estimativa das constantes de tempo gerais para vários volumes conectados um aos outros e às bombas associadas pode ser feita em uma aproximação inicial adicionando as constantes de tempo individuais.
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
