Bốn cách để phát hiện rò rỉ chân không bằng heli Ngày 6 tháng 2 năm 2019

Các quy trình và ứng dụng chân không khác nhau đòi hỏi các yêu cầu về tỷ lệ rò rỉ khác nhau. Thực tế, những gì có thể chấp nhận ở chân không thấp hơn sẽ được coi là hoàn toàn không thể chấp nhận (và chắc chắn là rất nguy hiểm) ở mức chân không cao hơn. Phương pháp đáng tin cậy duy nhất để phát hiện rò rỉ nhỏ hơn 1x10-6 mbar*l/s là sử dụng máy dò rò rỉ heli. Đường kính rò rỉ cho 1x10-12 mbar*l/s (tương đương với 1Å) cũng là đường kính của phân tử heli và là tỷ lệ rò rỉ nhỏ nhất có thể phát hiện được.

Helium được sử dụng làm khí dò để phát hiện rò rỉ vì một số lý do. Điều này bao gồm thực tế là nó chỉ tạo thành ~ 5 ppm trong không khí nên mức nền rất thấp. Helium cũng có khối lượng tương đối thấp để nó "di động" và hoàn toàn trơ/không phản ứng. Helium cũng không dễ cháy và thường có sẵn rộng rãi và chi phí thấp.

Sự kết hợp này với heli là một trong những lý do tại sao một trong những phương pháp phát hiện rò rỉ chính xác và nhanh nhất sử dụng heli làm khí dò và một máy đo quang phổ khối để phân tích/đo. Hơn nữa, heli được chọn làm khí dò vì nó nhẹ, rất nhanh và hoàn toàn vô hại.

Phát hiện heli hoạt động theo cách sau: thiết bị đang được kiểm tra được điều áp từ bên trong hoặc được điều áp từ bên ngoài bằng heli. Khí từ bất kỳ rò rỉ tiềm ẩn nào được thu thập và bơm vào máy đo quang phổ khối để phân tích, và bất kỳ giá trị nào cao hơn dấu vết nền của heli là bằng chứng về rò rỉ. Bản thân máy đo quang phổ hoạt động theo cách sau: bất kỳ phân tử heli nào được hút vào máy đo quang phổ sẽ được ion hóa, và các ion heli này sau đó sẽ "chuyển" vào bẫy ion, nơi dòng ion được phân tích và ghi lại. Sau đó, tỷ lệ rò rỉ được tính toán dựa trên dòng điện ion hóa.

Thông số tham chiếu (hoặc thông tin nền) của heli là một phần quan trọng của quy trình. Chỉ số tham chiếu này cung cấp "nhiễu nền" cho heli, có thể được xem là mức heli xung quanh. Phần lớn heli nền này được chứa trong khoảng 100 đến 150 vi lớp phân tử khí và là khí vĩnh viễn (có trong không khí) nằm trong máy dò rò rỉ, bơm, bộ phận kiểm tra, v.v. Việc loại bỏ khí heli trên bề mặt này được gọi là "khử khí" và bắt đầu khi tất cả khí đã được bơm ra, một khi các phân tử đã "hủy hấp" từ bề mặt bên trong của kim loại. Sự khử hấp phụ này bắt đầu ở áp suất khoảng 10-1 mbar. Việc khử khí bằng cách giảm áp suất hoặc làm nóng bề mặt buồng không phải là điều bất thường, nhưng ngay cả sau đó cũng không loại bỏ hoàn toàn tất cả khí tại các bề mặt. Ngoài khí heli trên bề mặt, khí heli "chờ" cũng được chứa trong vòng chữ O hoạt động giống như miếng bọt biển, đồng thời cung cấp chỉ báo tốt về độ sạch của thiết bị. Máy dò rò rỉ heli hiện đại có thể liên tục đo và tính toán mức độ bên trong (nền) này và tự động trừ đi mức này khỏi phép đo tốc độ rò rỉ.

Để có thể tính toán tỷ lệ rò rỉ khí, áp suất đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước rò rỉ khí). Tỷ lệ rò rỉ là lượng khí chảy qua vật liệu/màng ở một chênh lệch áp suất nhất định mỗi lần. Cơ sở tính toán tỷ lệ rò rỉ là: đường kính của rò rỉ là hình tròn; và kênh rò rỉ tương đương với độ dày của vật liệu mà rò rỉ "đi qua". Tỷ lệ rò rỉ = lượng khí/thời gian = áp suất x thể tích/thời gian và được đo bằng mbar*l/giây hoặc đơn vị tương đương.

Có một số phương pháp phát hiện rò rỉ - một phương pháp để sử dụng - dựa trên áp suất/chân không đang được kiểm tra. Đơn giản nhất là kiểm tra bong bóng, minh họa tốt nhất bằng cách đặt bơm xe đạp bị đâm thủng dưới nước và đánh dấu nơi bong bóng xuất phát, hoặc đặt chất lỏng rửa xung quanh khớp của ống nước/khí hoạt động, và quan sát xem chất lỏng có hình thành bọt hay không. Cả hai đều là cách đáng tin cậy để phát hiện rò rỉ áp suất thấp. Kiểm tra bong bóng được sử dụng lên đến chân không 10-4 mbar.

Kiểm tra giảm áp suất chính xác là: buồng được điều áp, và giảm áp suất được quan sát và ghi lại. Kiểm tra giảm áp suất được sử dụng lên đến 10-3 mbar. Kiểm tra tăng áp suất hoạt động ngược lại. Áp suất trong khoang tăng lên và khả năng duy trì áp suất được quan sát so với chỉ số áp suất đầu vào. Kiểm tra tăng áp suất được sử dụng lên đến 10-6 mbar*l/giây.

Tuy nhiên, đó là chế độ heli "tích hợp" (độ chính xác lên đến 10-12 mbar*l/giây) và kiểm tra heli "sniffer" (độ chính xác lên đến 10-7 mbar*l/giây), là các quy trình phát hiện rò rỉ chính xác nhất ở dải chân không cao.

Có hai phương pháp phát hiện rò rỉ heli (HLD): kiểm tra tích hợp hoặc kiểm tra cục bộ. Việc lựa chọn phương pháp nào để sử dụng phụ thuộc vào tình huống, cũng như sản phẩm cuối cùng sẽ được sử dụng cho mục đích gì. Phương pháp "tích hợp" cho biết nếu có rò rỉ (nhưng không phải bao nhiêu rò rỉ khác nhau), phương pháp "cục bộ" cho biết nơi có rò rỉ (nhưng việc xác định chính xác tỷ lệ rò rỉ/kích thước rò rỉ là khó khăn). Cả hai phương pháp phát hiện này đều có thể được chia nhỏ thành hai phần khác: "mẫu dưới áp suất" và "mẫu dưới chân không".

Phương pháp đầu tiên trong hai quy trình kiểm tra tích hợp được gọi là "phương pháp tích hợp (mẫu dưới áp suất)", với buồng được kiểm tra được đặt trong một thùng chứa kín. Khoang được tăng áp bằng heli và bình chứa được kết nối với bộ phát hiện rò rỉ. Trong trường hợp rò rỉ, một mẫu khí từ bên trong bình chứa được lấy ra và đi qua máy đo quang phổ khối lượng, nơi bất kỳ sự gia tăng nào (trên chỉ số nền) trong mức heli được ghi lại.

1. Hộp chân không
2. Mẫu kiểm tra dưới áp suất 
3. Bộ phát hiện rò rỉ 
4. Khí kiểm tra (helium)
5. Giai đoạn bơm*

*chỉ cần thiết cho các khoang có thể tích lớn 

Trong phương pháp "kiểm tra tích hợp (mẫu dưới chân không)", buồng lại được đặt bên trong bình chứa nhưng trong trường hợp này bình chứa được điều áp bằng heli - và buồng kiểm tra được kết nối trực tiếp với máy dò rò rỉ. Mẫu khí trong buồng được lấy ra và đi qua máy đo quang phổ khối lượng, một lần nữa, bất kỳ sự gia tăng nào của khí heli từ chỉ số nền sẽ được ghi lại.

1. Hộp áp suất
2. Mẫu kiểm tra dưới áp suất 
3. Bộ phát hiện rò rỉ 
4. Khí kiểm tra (helium)
5. Giai đoạn bơm*

*chỉ cần thiết cho các khoang có thể tích lớn 

Cặp quy trình thứ hai đôi khi được gọi là kiểm tra "nhìn thấu" và "phun". Trong phương pháp "máy thăm dò cục bộ (mẫu dưới áp suất)", buồng được tăng áp bằng heli và một thiết bị thăm dò đi qua các điểm rò rỉ có thể xảy ra của buồng (đường hàn, mặt bích, cổng, ống dụng cụ, v.v.) để hút bất kỳ khí thoát ra nào. Khí "nhìn thấy" này được chuyển đến máy đo quang phổ khối lượng để ghi lại bất kỳ mức heli cao nào (tức là trên nền).

1. Máy thở dò
2. Mẫu kiểm tra dưới áp suất 
3. Bộ phát hiện rò rỉ 
4. Khí kiểm tra (helium)

Trong phương pháp "phun tại chỗ (mẫu dưới chân không)", buồng được bơm chân không và khí heli được phun/định hướng dào dặn về phía các điểm rò rỉ có khả năng, với ý định rằng một số khí heli tinh khiết này sẽ được hút vào buồng. Khí, từ bên trong buồng, được đưa vào máy đo quang phổ để ghi lại bất kỳ mức heli tăng lên nào.

1. Kiểm tra máy phun khí
2. Mẫu kiểm tra trong chân không 
3. Bộ phát hiện rò rỉ 
4. Khí kiểm tra (helium)
5. Giai đoạn bơm*

*chỉ cần thiết cho khối lượng mẫu kiểm tra lớn 

Để tóm tắt và đơn giản hóa sự khác biệt giữa hai loại quy trình HLD này: phương pháp tích hợp yêu cầu buồng được đặt bên trong một thiết bị chống khí (không phải lúc nào cũng có thể), trong khi trong phương pháp kiểm tra cục bộ, buồng được điều áp bên trong bằng heli hoặc hút chân không bên trong bằng heli phun rộng rãi lên bề mặt buồng tại các điểm dễ bị rò rỉ. Trong cả hai kiểm tra, heli đi vào máy dò rò rỉ thông qua các rò rỉ có thể xảy ra và đi qua máy đo quang phổ để phân tích.

Có một số tiêu chuẩn liên quan đến máy dò rò rỉ và phát hiện rò rỉ. Một trong số đó, DIN EN 1330-8, chỉ định 'tỷ lệ rò rỉ heli tiêu chuẩn' để sử dụng khi kiểm tra rò rỉ được thực hiện với heli ở chênh lệch áp suất từ 1 bar áp suất khí quyển bên ngoài đến < 1 mbar áp suất bên trong (trong thực tế là điều kiện phổ biến).

Đơn vị SI của tốc độ rò rỉ đo được là Pa.m3.s-1. Đơn vị SI của áp suất là Pascal (Pa) trong đó 100 Pa = 1 mbar = 1 hPa. Một đơn vị thường được sử dụng cho tỷ lệ rò rỉ là mbar.l.s-1.

Kiểm tra tỷ lệ rò rỉ được sử dụng để xác định tỷ lệ lượng khí rò rỉ vào buồng chân không. Tốc độ rò rỉ nào được chấp nhận được xác định bởi nhu cầu của chính ứng dụng.

Các tiêu chuẩn về môi trường và an toàn yêu cầu các nhà sản xuất đảm bảo tính kín của sản phẩm bằng cách thực hiện kiểm tra rò rỉ như một phần của quy trình phê duyệt sản xuất/chất lượng. Để cho biết tỷ lệ loại bỏ đối với một thử nghiệm sử dụng heli trong điều kiện heli tiêu chuẩn, cần phải chuyển đổi các điều kiện thử nghiệm thực tế được sử dụng sang điều kiện heli tiêu chuẩn; có các công thức tiêu chuẩn có sẵn cho các chuyển đổi này.

Khi hệ thống chân không được kết nối với bộ phát hiện rò rỉ, phải có các điều kiện heli tiêu chuẩn trong quá trình phát hiện rò rỉ heli. Sử dụng heli để thực hiện kiểm tra rò rỉ đảm bảo kết quả đáng tin cậy và có thể lặp lại, có thể được định lượng và theo dõi liên tục.

Cần hiểu rằng có những thách thức nhất định liên quan đến việc phát hiện rò rỉ nhỏ bằng heli. HLD đặc biệt nhạy cảm, và heli xung quanh hoặc bị kẹt có thể dễ dàng ảnh hưởng đến độ chính xác của việc phát hiện và đo rò rỉ. Bản thân bộ phát hiện rò rỉ không phải là một thiết bị chống rò rỉ, đó là lý do tại sao môi trường heli sạch là điều cần thiết để có được các chỉ số chính xác. Ngoài ra, đối với các rò rỉ rất nhỏ, điều quan trọng là phải kiểm soát các yếu tố bên ngoài vì chúng có thể dễ dàng làm thay đổi kết quả. Cuối cùng, heli xung quanh có thể đi vào hệ thống thông qua các cổng xả và thông khí, cũng như thấm qua vòng chữ O.