เครื่องตรวจจับการรั่วไหลแบบไหลตรงและไหลย้อนกลับทํางานอย่างไร
สามารถแยกความแตกต่างระหว่างเครื่องตรวจจับการรั่วไหลของฮีเลียมสองประเภทได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวิธีที่ก๊าซจากวัตถุทดสอบถูกส่งไปยังแมสสเปกโตรมิเตอร์:
- เครื่องตรวจจับการรั่วไหลโดยตรง
- เครื่องตรวจจับการรั่วไหลย้อนกลับ
รูปภาพ 14: การเปรียบเทียบระหว่างการรั่วไหลหลักและเครื่องตรวจจับการรั่วไหลย้อนกลับ
ภาพด้านบนแสดงแผนผังสุญญากาศสําหรับเครื่องตรวจจับการรั่วไหลสองประเภท ในทั้งสองกรณี เครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลจะถูกดูดออกโดยระบบปั๊มสุญญากาศสูง
เครื่องตรวจจับการรั่วไหลโดยตรง
ในกรณีของเครื่องตรวจจับการรั่วไหลโดยตรง ก๊าซที่จะตรวจสอบจะถูกส่งไปยังแมสสเปกโตรมิเตอร์ผ่านตัวดักน้ําเย็น ตัวดักน้ําเย็นถูกทําให้เย็นลงด้วยไนโตรเจนเหลว (LN2 ) และเป็นปั๊มแช่เย็นที่ไอระเหยและสิ่งปนเปื้อนอื่น ๆ ทั้งหมดควบแน่น ในกรณีของปั๊มแพร่กระจายซึ่งมักใช้ในอดีต ตัวดักความเย็นที่ระบายความร้อนด้วย LN2 จึงเป็นการป้องกันที่มีประสิทธิภาพสําหรับเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลจากไอน้ํามันที่ปล่อยออกมาจากปั๊มแพร่กระจาย
ปั๊มเสริมทําหน้าที่ในการไล่อากาศออกจากวัตถุทดสอบและสายเชื่อมต่อที่จําเป็นก่อน เพื่อให้สามารถเชื่อมต่อด้านสุญญากาศสูงของปั๊มสุญญากาศสูงที่กําลังทํางานกับวัตถุทดสอบได้ ปั๊มเสริมต้องปล่อยลมออกจากวัตถุทดสอบให้มีแรงดันต่ํากว่า 5·10 -2 mbar จากนั้นเท่านั้นที่สามารถเปิดวาล์วระหว่างปั๊มเสริมและตัวดักน้ําเย็นได้ ปั๊มสุญญากาศสูงต้องไม่ระบายวัตถุทดสอบ สายเชื่อมต่อที่จําเป็น และแมสสเปกโตรมิเตอร์ให้มีแรงดันต่ํากว่า 2·10 -4 mbar หลังจากนั้น เครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลอาจเริ่มทํางานเพื่อตรวจจับการรั่วไหล
ขึ้นอยู่กับขนาดของการรั่วไหลในวัตถุทดสอบและประสิทธิภาพการปั๊มของปั๊มสุญญากาศที่ใช้ เวลาในการปั๊มอาจนานมาก ในกรณีที่มีการรั่วมาก อาจไม่สามารถบรรลุค่าความดันที่ระบุไว้ข้างต้นได้เลย
เครื่องตรวจจับการรั่วไหลย้อนกลับ
ด้านขวาของภาพประกอบ 14 แสดงแผนภาพสําหรับเครื่องตรวจจับการรั่วไหลย้อนกลับ ผู้ปฏิบัติงานจะรู้ได้ทันทีถึงความแตกต่างอย่างมากจากแผนภาพของเครื่องตรวจจับการรั่วไหลแบบไหลตรง: ในกรณีนี้ ปั๊มสุญญากาศสูงจะดูดอากาศออกจากแมสสเปกโตรมิเตอร์เท่านั้น (ปริมาตรน้อยกว่า อัตราการรั่วไหลน้อยมาก) และไม่ใช่วัตถุทดสอบ (ปริมาตรมากกว่า อัตราการรั่วไหลสูงโดยทั่วไป)
โปรดทราบว่าในกรณีของเครื่องตรวจจับการรั่วไหลย้อนกลับ การจ่ายก๊าซที่จะตรวจสอบจะดําเนินการระหว่างปั๊มหยาบและปั๊มสุญญากาศสูง ซึ่งหมายความว่าปั๊มหยาบและปั๊มเสริมต้องนําวัตถุทดสอบไปยังความดันที่ด้านหยาบของปั๊มสุญญากาศสูงที่ทํางานสามารถเชื่อมต่อกับวัตถุทดสอบได้ ในกรณีของเครื่องตรวจจับการรั่วไหลย้อนกลับในปัจจุบัน สิ่งที่เรียกว่าความดันเริ่มต้นนี้มีมูลค่าหลายมิลลิบาร์ หากถึงแรงดันเริ่มต้นที่ทางเข้าของเครื่องตรวจจับการรั่วไหล เครื่องจะสลับไปที่โหมดการวัดทันที
แรงดันก๊าซทดสอบบางส่วน p FV, TG ระหว่างปั๊มหยาบและปั๊มสุญญากาศสูงจะเพิ่มขึ้นโดยก๊าซทดสอบ TG (TG = ฮีเลียมหรือไฮโดรเจน) ที่ไหลเข้าสู่เครื่องตรวจจับการรั่วไหล
เมื่อปั๊มสุญญากาศระดับสูงทํางาน แรงดันก๊าซทดสอบบางส่วน (p HV, TG ) ที่ด้านสุญญากาศระดับสูงของปั๊มจะน้อยกว่าที่ด้านสุญญากาศขั้นต้นของปั๊ม (p FV, TG ) อย่างมีนัยสําคัญ ดังนั้นก๊าซทดสอบจํานวนหนึ่งจะไหลจากด้านสุญญากาศขั้นต้นไปยังด้านสุญญากาศระดับสูงของปั๊มสุญญากาศระดับสูงโดยตรงกันข้ามกับทิศทางการส่งของปั๊มสุญญากาศระดับสูง ปรากฏการณ์นี้เป็นเหตุผลที่เครื่องตรวจจับการรั่วไหลประเภทนี้เรียกว่าเครื่องตรวจจับการรั่วไหลย้อนกลับ
ในสภาวะสมดุล แรงดันก๊าซทดสอบบางส่วนต่อไปนี้จะมีอยู่ที่ด้านสุญญากาศสูง เช่น ระหว่างปั๊มสุญญากาศสูงและแมสสเปกโตรมิเตอร์:
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
ในกรณีนี้ C 0, TG หมายถึงการบีบอัดของปั๊มสุญญากาศสูงสําหรับก๊าซทดสอบ TG ที่อัตราการไหลของก๊าซทดสอบเท่ากับศูนย์ (การไหลสุทธิของก๊าซทดสอบผ่านปั๊มสุญญากาศสูงเท่ากับศูนย์)
ปัจจุบัน ปั๊มสุญญากาศสูงในเครื่องตรวจจับการรั่วไหลย้อนกลับมักจะเป็นปั๊มเทอร์โบโมเลกุลที่มีขั้นตอนการผสม ปั๊มสุญญากาศสูงประเภทนี้มีคุณสมบัติความสม่ําเสมอของสุญญากาศเบื้องต้นสูง (ไม่กี่มิลลิบาร์) และดังนั้นจึงช่วยให้แรงดันเริ่มต้นสูงในช่วงมิลลิบาร์ที่กล่าวถึงข้างต้น ดังนั้นกระบวนการตรวจหารอยรั่วจึงสามารถดําเนินการได้เร็วกว่าเครื่องตรวจหารอยรั่วที่มีปั๊มกระจายน้ํามันมาก (ความสม่ําเสมอของสุญญากาศขั้นต้นของปั๊มกระจายน้ํามัน ⋍ 5 ·10 -1 mbar)
ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลมีการบีบอัดสูงมากสําหรับก๊าซหนัก (ไฮโดรคาร์บอน ไอน้ํามัน) ดังนั้น สิ่งต่อไปนี้จึงมีผลบังคับใช้: ซึ่งแตกต่างจากก๊าซทดสอบที่มีน้ําหนักเบา เช่น ฮีเลียมและไฮโดรเจน โดยทั่วไปแล้วอนุภาคก๊าซหนักจะไม่สามารถเข้าถึงเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลได้ ดังนั้น ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลจึงเป็นการป้องกันที่เหมาะสมที่สุดสําหรับเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวล และทําให้ตัวดักความเย็นที่ระบายความร้อนด้วยก๊าซไนโตรเจนเหลวล้าสมัย
เครื่องตรวจจับการรั่วไหลย้อนกลับในโหมดการไหลบางส่วน
หากการไล่อากาศออกจากวัตถุทดสอบไปยังแรงดันเริ่มต้นที่ต้องการเป็นไปไม่ได้หรือใช้เวลานานเกินไปเนื่องจากขนาดของวัตถุทดสอบหรือการรั่วไหล จะต้องใช้ปั๊มเสริม (ระบบปั๊มเสริม) นอกเหนือจากเครื่องตรวจจับการรั่วไหล
จากนั้นเครื่องตรวจจับการรั่วไหลจะทํางานในรูปแบบที่เรียกว่าการไหลบางส่วน เนื่องจากปั๊มเสริมมักมีประสิทธิภาพสูงกว่าปั๊มหยาบที่รวมอยู่ในเครื่องตรวจจับการรั่วไหล ก๊าซทดสอบปริมาณมากจะไหลผ่านปั๊มเสริม และก๊าซทดสอบปริมาณเล็กน้อยจะไหลผ่านปั๊มหยาบ
อย่างไรก็ตาม แรงดันก๊าซทดสอบบางส่วนที่ทางเข้าของปั๊มหยาบและที่ทางเข้าของปั๊มเสริม p FV, TG จะเหมือนกัน ดังนั้น การไหลของก๊าซทดสอบทั้งหมดจากวัตถุทดสอบจึงเท่ากับ
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
ด้วย
- S RP, TG = ความเร็วในการปั๊มของปั๊มขั้นต้นที่รวมอยู่ในเครื่องตรวจจับการรั่วไหลสําหรับก๊าซทดสอบเป็นลิตร/วินาที
- S AP, TG = ความเร็วในการปั๊มของปั๊มเสริมสําหรับก๊าซทดสอบเป็นลิตร/วินาที
นี่คืออัตราการรั่วที่แท้จริงที่เครื่องตรวจจับการรั่วไหลควรจะแสดง อย่างไรก็ตาม ระบบอิเล็กทรอนิกส์ของเครื่องตรวจจับการรั่วไหลจะสร้างการแสดงผลต่อไปนี้
q L, การแสดงผล = p FV, TG · S RP, TG
ผลลัพธ์ต่อไปนี้เกิดจาก:
อัตราการรั่วไหล qL ซึ่งแสดงโดยเครื่องตรวจจับการรั่วไหลเท่ากับผลิตภัณฑ์ของอัตราการรั่วไหลที่แท้จริง qL และอัตราส่วนการไหล γ:
q L, การแสดงผล = qL · γ
γ = S RP, TG /(S RP, TG + S AP, TG ) (อัตราส่วนการไหลบางส่วน)
อัตราส่วนการไหลบางส่วนถูกคํานวณโดยใช้ความสัมพันธ์ที่ระบุข้างต้น
ในทางปฏิบัติ การหาอัตราส่วนการไหลบางส่วนด้วยการทดลองมักจะมีประโยชน์ ในการดําเนินการนี้ ให้ติดตั้งการรั่วไหลของการสอบเทียบที่มีอัตราการรั่วไหล qL โดยตรงที่เครื่องตรวจจับการรั่วไหล (การทํางานโดยไม่มีปั๊มเสริม) จากนั้นเครื่องตรวจจับการรั่วไหลจะแสดงอัตราการรั่วไหลจริง qL ของเครื่องตรวจจับการรั่วไหลบนหน้าจอ ต้องบันทึกค่า qL ไว้ ตอนนี้ ให้ติดตั้งการรั่วไหลของการสอบเทียบเดียวกันที่วัตถุทดสอบ เปิดใช้งานปั๊มเสริม และบันทึกการแสดงผลบนจอแสดงผลของเครื่องตรวจจับการรั่วไหล ตอนนี้เครื่องตรวจจับการรั่วไหลจะแสดง qL บนจอแสดงผล จากนั้นอัตราส่วนการไหลบางส่วน γ ที่ต้องการจะเป็นผลมาจากอัตราส่วนของ q L, การแสดงผล และ qL:
γ = q L, แสดงผล / qL (อัตราส่วนการไหลบางส่วน)
รูปภาพ 15: ตัวอย่างการใช้เครื่องตรวจจับการรั่วไหลที่มีหลักการการไหลบางส่วน
การเชื่อมต่อกับระบบสุญญากาศ
การเชื่อมต่อเครื่องตรวจจับการรั่วไหลเข้ากับระบบสุญญากาศที่มีชุดปั๊มสุญญากาศหลายจังหวะมักจะดําเนินการโดยใช้วิธีการไหลบางส่วน เมื่อพิจารณาว่าจะทําการเชื่อมต่อที่ไหนดีที่สุด ต้องคํานึงถึงว่าเครื่องตรวจจับการรั่วไหลมักเป็นเครื่องขนาดเล็กแบบพกพาที่มีความเร็วในการปั๊มต่ําที่หน้าแปลนเชื่อมต่อเท่านั้น (โดยทั่วไปจะใช้ S RP, TG ⋍ 2 m3 /h) สิ่งนี้ทําให้การประเมินอัตราการรั่วไหลที่คาดการณ์ได้จากอัตราส่วนการไหลบางส่วนเมื่อเทียบกับปั๊มแพร่กระจายที่มีความเร็วในการปั๊ม S AP, TG = 10,000 l/s = 36,000 m3 /h เป็นสิ่งสําคัญยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น อัตราการรั่วไหลที่สามารถตรวจจับได้ทั้งหมด
ในระบบที่มีปั๊มสุญญากาศระดับสูงและปั๊ม Roots ตัวเลือกที่แน่นอนที่สุดคือการเชื่อมต่อเครื่องตรวจจับการรั่วไหลระหว่างปั๊มใบพัดโรตารี่และปั๊ม Roots หรือระหว่างปั๊ม Roots และปั๊มสุญญากาศระดับสูง หากมีแรงดันสูงกว่าแรงดันขาเข้าที่อนุญาตสําหรับเครื่องตรวจจับการรั่วไหล จะต้องเชื่อมต่อเครื่องตรวจจับการรั่วไหลผ่านทางวาล์ววัดปริมาณ (การรั่วไหลแบบแปรผัน) แน่นอนว่าจะต้องมีหน้าแปลนขั้วต่อที่เหมาะสม
นอกจากนี้ยังแนะนําให้ติดตั้งวาล์วที่จุดนี้ตั้งแต่เริ่มต้น เพื่อให้สามารถเชื่อมต่อเครื่องตรวจจับการรั่วไหลได้อย่างรวดเร็วเมื่อจําเป็น (ขณะที่ระบบทํางานอยู่) และสามารถเริ่มตรวจจับการรั่วไหลได้ทันทีหลังจากเปิดวาล์ว เพื่อหลีกเลี่ยงการเปิดวาล์วนี้โดยไม่ได้ตั้งใจ ควรปิดผนึกวาล์วด้วยหน้าแปลนเปลือยในระหว่างการทํางานปกติของระบบสุญญากาศ
อีกวิธีหนึ่งในการเชื่อมต่อเครื่องตรวจจับการรั่วไหลเข้ากับระบบสุญญากาศขนาดใหญ่คือการใส่เครื่องดมยาสลบเข้าไปในช่องทางออกด้านบรรยากาศของระบบ จากนั้นจะได้กลิ่นความเข้มข้นของก๊าซทดสอบที่เพิ่มขึ้นในไอเสีย
- SLD = SR, He
ความเร็วในการปั๊มของปั๊มหยาบที่ติดตั้งในเครื่องตรวจจับการรั่วไหลสําหรับฮีเลียมเป็นลิตร/วินาทีที่จุดแยก - SAP = SAP, He
ความเร็วในการปั๊มของปั๊มเสริมสําหรับฮีเลียมเป็นลิตร/วินาทีที่จุดแยก
ค่าคงที่เวลา
ค่าคงที่เวลาสําหรับระบบสุญญากาศมีให้โดย:
t = Vch / S eff
- Vch = ปริมาตรของหลอดเลือดเป็นลิตร
- S eff = ความเร็วในการปั๊มที่มีประสิทธิภาพสําหรับก๊าซทดสอบที่ภาชนะในหน่วย l/s
รูปภาพ 16: การตอบสนองของสัญญาณและความเร็วในการปั๊ม
รูปภาพ 16 ด้านบนแสดงเส้นทางของสัญญาณหลังจากฉีดพ่นรอยรั่วในวัตถุทดสอบที่ติดอยู่กับเครื่องตรวจจับรอยรั่ว สําหรับ 2 การกําหนดค่าที่แตกต่างกัน:
- วัตถุทดสอบ (ปริมาตร Vch ) เชื่อมต่อโดยตรงกับเครื่องตรวจจับการรั่วไหล LD (ความเร็วปั๊มที่มีประสิทธิภาพสําหรับก๊าซทดสอบ = SLD)
- นอกจาก 1 ปั๊มเสริม ( = ปั๊มไหลบางส่วน) ที่มีความเร็วปั๊มที่มีประสิทธิภาพเท่ากัน SAP = SLD จะเชื่อมต่อกับวัตถุทดสอบ
เส้นกราฟสัญญาณที่สอดคล้องกันสองเส้นแสดงไว้ในรูป 16:
กราฟที่ 1: หลังจาก "เวลาที่ไม่ได้ใช้งาน" t0 สัญญาณจะมีสัดส่วนกับความดันก๊าซทดสอบบางส่วน pTG เพิ่มขึ้นตลอดเวลา t ตามความสัมพันธ์
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
หลังจากระยะเวลาหนึ่ง สัญญาณจะถึงค่าสุดท้ายบางส่วน
- t − t0 = 1 τ 63.3 % ของค่าสูงสุด
- t − t0 = 3 τ 95.0 % ของค่าสูงสุด
- t − t0 = 6 τ 99.8 % ของค่าสุดท้าย
ค่าขั้นสุดท้ายของสัญญาณจะเป็นสัดส่วนกับ pTG = qL /S eff เนื่องจากคําศัพท์แบบชี้วัดจะหายไปสําหรับ t - t0 >> τ
ช่วงเวลา t - t0 ที่จําเป็นเพื่อให้ถึง 95% ของค่าสุดท้ายเรียกว่าเวลาตอบสนอง ค่านี้ได้มาจาก 3 τ
ซึ่งให้ผลลัพธ์ต่อไปนี้สําหรับกราฟ 1: ค่าสูงสุดของสัญญาณเป็นสัดส่วนกับ pTG = qL /S eff = qL /SLD = p1
เวลาตอบสนอง = 3 τ = 3 Vch /S eff = 3 Vch /SLD = τ1
สิ่งต่อไปนี้ใช้กับกราฟ 2 ( = การทํางานแบบการไหลบางส่วน): ค่าสูงสุดของสัญญาณเป็นสัดส่วนกับ pTG = qL /S eff = qL /(SLD + SAP ) = 0.5 · p1
เวลาตอบสนอง = 3 τ = 3 Vch /S eff = 3 Vch /(SLD + SAP ) = 0.5 · τ1
เนื่องจากการติดตั้งปั๊มเสริม ( = ปั๊มไหลบางส่วน) เวลาตอบสนองจะสั้นลงเสมอและค่าสูงสุดของสัญญาณจะลดลงเสมอ ในตัวอย่างข้างต้น เวลาตอบสนองจะลดลงครึ่งหนึ่ง แต่ค่าสูงสุดของสัญญาณจะลดลงครึ่งหนึ่งเช่นกัน
เวลาตอบสนองที่สั้นหมายถึงการเปลี่ยนแปลงและการแสดงผลสัญญาณอย่างรวดเร็ว ข้อได้เปรียบดังกล่าวคือ สามารถลดเวลาที่ใช้ในการตรวจหารอยรั่วลงได้อย่างมาก ข้อเสียที่ตามมาคือ ค่าสูงสุดของสัญญาณจะน้อยกว่า ซึ่งในกรณีส่วนใหญ่จะไม่ส่งผลให้เกิดปัญหาร้ายแรงใดๆ เนื่องจากความไวสูงมากของเครื่องตรวจจับการรั่วไหลในปัจจุบัน
ข้อสรุป: การทํางานแบบ Partial-Flow ช่วยลดเวลาที่ใช้ในการตรวจหารอยรั่ว!
ค่าประมาณของค่าคงที่เวลาโดยรวมสําหรับปริมาตรหลายตัวที่เชื่อมต่อกันตามลําดับและกับปั๊มที่เกี่ยวข้องสามารถทําได้โดยประมาณเบื้องต้นโดยการเพิ่มค่าคงที่เวลาแต่ละตัว
พื้นฐานการตรวจจับการรั่วไหล
ดาวน์โหลด eBook "พื้นฐานของการตรวจจับการรั่วไหล" เพื่อค้นหาข้อมูลสําคัญและเทคนิคการตรวจจับการรั่วไหล
- ผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้อง
- บล็อกที่เกี่ยวข้อง
- เกี่ยวข้อง
เกี่ยวข้อง
