Kiến thức cơ bản về phát hiện rò rỉ chân không

Giống như hầu hết mọi khía cạnh của hệ thống chân không, không có phương pháp duy nhất đáp ứng mọi tình huống và tiêu chí. Điều này chắc chắn là trường hợp với phát hiện rò rỉ, với bốn phương pháp chính được sử dụng: kiểm tra bong bóng; kiểm tra suy giảm áp suất; kiểm tra tăng áp suất; và kiểm tra chế độ hít khí heli/chế độ chân không heli. Bốn kiểm tra này tương ứng xấp xỉ với kiểm tra bong bóng "đơn giản" (đối với áp suất chân không thấp), cho đến kiểm tra heli "công nghệ cao" (đối với áp suất chân không cao).

Kiểm tra bong bóng được minh họa tốt nhất bằng cách đặt một ống 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 đến chân không 10 ^-4 mbar.

Kiểm tra bơm xả được thực hiện bằng cách hút chân không khỏi bình chân không đóng cho đến khi đạt được áp suất nhất định, sau đó đóng van nạp của bơm. Sau một khoảng thời gian xác định trước, van nạp lại được mở và thời gian được ghi lại để bơm đưa chân không trở lại mức hút chân không ban đầu. Quy trình này được lặp lại nhiều lần. Nếu thời gian để chân không trở lại mức ban đầu vẫn không đổi, thì có rò rỉ. Nếu khoảng thời gian này giảm, điều này cho thấy sự giải phóng khí (thoát khí) giảm bên trong hệ thống (tức là rò rỉ "hầu như"), tuy nhiên, điều này không loại trừ rò rỉ cũng có mặt.

Ngoài ra, kiểm tra tăng áp suất được thực hiện bằng cách vẽ mức chân không theo thời gian sau khi đạt được mức chân không, và sau khi cách ly hệ thống, đường cong sẽ là một đường thẳng nếu có rò rỉ. Tuy nhiên, nếu tăng áp suất là do khí thoát ra khỏi các thành hệ thống, mức tăng sẽ dần dần giảm dần để đạt được giá trị cuối cùng, ổn định.

Trong hầu hết các trường hợp, cả hai hiện tượng xảy ra đồng thời, khiến việc tách biệt với nhau gần như không thể. Nếu thể tích của khoang hoặc vật được kiểm tra đã biết, thì tỷ lệ rò rỉ có thể được tính toán (tức là thể tích x (tăng áp suất đo được)/thời gian mất).

Kiểm tra giảm áp suất không khác với kiểm tra tăng áp suất. Nó hiếm khi được sử dụng để kiểm tra rò rỉ trong hệ thống chân không, và chỉ khi áp suất đo (dương) không vượt quá 1 bar, vì các kết nối mặt bích được sử dụng trong công nghệ chân không sẽ không chịu được áp suất cao hơn.

Tuy nhiên, kiểm tra giảm áp suất thường được sử dụng trong kỹ thuật bồn chứa. Kiểm tra giảm áp suất cho phép đo tốc độ rò rỉ đến 10 ^-4 mbar*l/s nhưng kết quả có thể bị méo nếu ngưng tụ xảy ra. Như có thể thấy, thử nghiệm giảm áp suất vi sai có nhiều hạn chế, nhưng nếu được sử dụng trong điều kiện phòng thí nghiệm, nó là một công cụ tốt để xác định cả rò rỉ và tỷ lệ rò rỉ.

Cần lưu ý rằng phương pháp đáng tin cậy duy nhất để phát hiện rò rỉ nhỏ hơn 1x10 ^-6 mbar*l/s là bằng 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, là tốc độ rò rỉ nhỏ nhất có thể phát hiện được.

Lưu ý: Tốc độ rò rỉ 1 mbar*l/giây có nghĩa là tăng 1 mbar từ bình 1 lít trong một giây. Thông tin cơ bản

• tỷ lệ rò rỉ < 1x 10 ^-2 mbar*l/s sẽ được phân loại là "không thấm nước"; 
• < 1x 10 ^-3 mbar*l/s "kín hơi"; 
• < 1x 10 ^-5 mbar*l/s "kín dầu"; 
• < 1x 10 ^-6 mbar*l/s "không nhiễm vi rút"; 
• < 1x 10 ^-7 mbar*l/s "kín khí"; 
• trong khi < 1x 10 ^-10 mbar*l/s sẽ được phân loại là "kín tuyệt đối".

Ngoài đường kính, còn có những lý do khác tại sao heli được sử dụng trong phát hiện rò rỉ:

• nó chỉ tạo thành khoảng 5 ppm trong không khí, do đó mức nền rất thấp
• khối lượng tương đối thấp có nghĩa là nó rất "di động" (tức là trộn lẫn rất nhanh với các khí khác)
• nó hoàn toàn trơ/không phản ứng, không dễ cháy và vô hại
• và có sẵn rộng rãi với chi phí tương đối thấp.

Có một số cách để kiểm tra rò rỉ bình chân không và các bộ phận bằng heli, nhưng tất cả đều sử dụng nguyên tắc giống nhau. Thiết bị đang được kiểm tra có áp suất heli từ bên trong hoặc không có áp suất heli. Khí từ bất kỳ rò rỉ tiềm ẩn nào được thu thập và 'bơm' vào máy đo quang phổ khối lượng để phân tích, và bất kỳ giá trị nào cao hơn mức nền đều là bằng chứng về rò rỉ.

Bản thân máy đo quang phổ hoạt động theo cách sau: bất kỳ phân tử heli nào chảy vào máy đo quang phổ sẽ được ion hóa, và các ion heli này sau đó sẽ "bay" vào máy dò ion, nơi dòng ion được phân tích và ghi lại. Trước khi đến được máy dò, các ion phải đi qua một từ trường làm lệch hướng tất cả các ion trừ heli. Sau đó, có thể tính toán tỷ lệ rò rỉ dựa trên dòng điện ion hóa.

Những kiểm tra heli này, được gọi là kiểm tra "chân không" và "khử khí", có thể phát hiện rò rỉ với độ chính xác và chắc chắn. Ở đây, thuật ngữ "độ chắc chắn" có nghĩa là không có phương pháp nào khác mà bạn có thể, với độ tin cậy cao hơn và độ ổn định tốt hơn, xác định vị trí rò rỉ (ngay cả những rò rỉ nhỏ) và đo lường định lượng chúng. Vì lý do này, máy dò rò rỉ heli, mặc dù tương đối tốn kém, thường tiết kiệm hơn nhiều trong thời gian dài vì cần ít thời gian hơn đáng kể để hoàn thành quy trình phát hiện rò rỉ thực tế.

Lựa chọn phương pháp nào để sử dụng phụ thuộc vào ứng dụng, 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 hoặc kích thước rò rỉ là khó khăn). Cả hai phương pháp phát hiện này đều có thể được chia thành hai phần khác: "mẫu dưới áp suất" và "mẫu dưới chân không".

(i) Kiểm tra tích hợp, xảy ra khi mẫu đang ở áp suất hoặc chân không và được chứa trong bình. Hai phương pháp "tích hợp" này thường được gọi là "kiểm tra chân không heli" vì mẫu được hút chân không hoặc đặt trong chân không, với khí heli rò rỉ vào hoặc ra khỏi mẫu, sau đó được phát hiện khi nó chảy qua máy đo quang phổ khối lượng. Nhược điểm chính - mặc dù không phải là nhược điểm duy nhất - là thiết bị cần được đặt trong một bình có kích thước phù hợp. Hơn nữa, kiểm tra "chân không" heli thường chỉ được sử dụng trên các thiết bị chịu chân không cao hoặc siêu cao

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 bơm vào buồng. Khí, từ bên trong buồng, sau đó được đưa vào máy đo quang phổ để ghi lại bất kỳ mức heli tăng lên nào.

Ưu điểm của kiểm tra ngòi thở là nó cho thấy nơi thực sự xảy ra rò rỉ. Tuy nhiên, nồng độ heli trong không khí là 5 ppm, giới hạn tỷ lệ rò rỉ tối thiểu có thể phát hiện được, và các tín hiệu nền xung quanh cũng có thể ảnh hưởng đến khả năng phát hiện rò rỉ nhỏ.

Tuy nhiên, trước khi một chỉ số heli được chấp nhận là "thực tế", các chỉ số tham chiếu (hoặc nền tảng) cho heli - là một phần quan trọng của quy trình - phải được thực hiện và ghi nhận. Các chỉ số tham chiếu như vậy cung cấp "nhiễu nền" cho heli, có thể được xem là mức heli xung quanh.

Phần lớn heli nền được chứa trong khoảng 100 đến 150 lớp đơn của các phân tử khí bề mặt và được chứa vĩnh viễn trong không khí có trong máy dò rò rỉ, bơm, van, mặt bích, đường ống, 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, khiến các phân tử "hấp thụ" khỏi 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 điều này cũng không loại bỏ hoàn toàn tất cả khí tại các bề mặt. Ngoài khí heli trên bề mặt, khí heli "bể chứa" cũng được chứa trong vòng chữ O (giống như miếng bọt biển đối với các loại khí này). Lưu ý: Mức chân không sau khi khử khí cũng cung cấp một chỉ báo tốt về mức độ sạch của các bộ phận của thiết bị. Máy dò rò rỉ heli hiện đại có thể liên tục đo và tính toán mức bên trong (nền) này và tự động trừ đi mức này khỏi phép đo tốc độ rò rỉ.

Để tóm tắt và đơn giản hóa sự khác biệt giữa hai loại quy trình phát hiện rò rỉ heli này; phương pháp "tích hợp" yêu cầu buồng được đặt bên trong một thiết bị chống khí (mặc dù điều này không phải lúc nào cũng khả thi). Trong phương pháp kiểm tra "cục bộ", khoang được điều áp bên trong bằng heli, hoặc được hút chân không bên trong bằng heli sau đó được phun nhẹ lên bề mặt khoang tại các điểm dễ bị rò rỉ. Trong cả hai thử nghiệm, heli đi vào máy dò rò rỉ thông qua các rò rỉ có thể xảy ra và đi qua máy đo quang phổ khối để phân tích.

Trước khi chuyển sang phát hiện rò rỉ heli, cần phải thảo luận về chủ đề máy phân tích khí dư (RGA), đây là máy đo quang phổ trường nhỏ và chắc chắn sử dụng công nghệ bốn cực. RGA sử dụng nguồn ion mở hoặc nguồn ion kín. RGA thường được sử dụng trong các ứng dụng chân không cao trong buồng nghiên cứu, máy tăng tốc, kính hiển vi quét, v.v. nơi chúng giám sát chất lượng chân không bằng cách phát hiện các vết tạp chất nhỏ trong môi trường khí áp suất thấp.

RGA cũng được sử dụng làm máy dò rò rỉ tại chỗ nhạy cảm thường sử dụng heli hoặc các phân tử vết khác. Với các hệ thống chân không (đặc biệt là trong phạm vi XHV và UHV), việc kiểm tra tính toàn vẹn của chân không ở mức thấp có thể quan trọng (và an toàn hơn), trước khi bắt đầu quy trình phát hiện rò rỉ nghiêm trọng hơn.

Vì khí có thể nén được, áp suất (hoặc chân không) ảnh hưởng đến mức độ rò rỉ, do đó tỷ lệ rò rỉ được biểu thị bằng mbar*l/giây, với "tỷ lệ rò rỉ" là lượng khí chảy qua một rò rỉ 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".

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).

Các tiêu chuẩn 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 như vậy.

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 định lượng và liên tục theo dõi.

Chân không là một phần thiết yếu của cuộc sống hiện đại ngày nay. Kể từ khi khởi đầu khiêm tốn vài thế kỷ trước, hiện nay có rất ít bộ phận của sự tồn tại và hạnh phúc được thúc đẩy bởi công nghệ của chúng ta không bị ảnh hưởng, cải thiện, hoàn thiện hoặc tạo ra bởi chân không.

Từ thực phẩm đông khô và đóng gói chân không, tủ lạnh và điều hòa không khí, việc phủ vi lớp lên dụng cụ phẫu thuật đến việc khám phá những bí mật ẩn của vật lý và không gian bên ngoài, những ứng dụng này và hàng trăm ứng dụng khác chỉ có thể thực hiện được thông qua chân không rất không được đánh giá cao nhưng rất quan trọng. Và khi con người đẩy ranh giới của khả năng áp dụng, công nghệ và khám phá khoa học, sự chuyển đổi sang chân không áp suất thấp hơn, tức là vào lĩnh vực chân không siêu cao và cực cao, đã nhân lên các ứng dụng hiện tại và thực sự trong tương lai - thậm chí còn hơn thế nữa.

Đó là một trong những sự thật phi logic của cuộc sống rằng mỗi hệ thống chân không đi kèm với sự biến đổi riêng về "kín", không có hệ thống nào "thực sự" không bị rò rỉ. 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 có khả năng nguy hiểm) ở mức chân không cao hơn. Việc phát hiện, xác định vị trí, đánh giá và đo lường rò rỉ đều là một phần của thế giới chân không đa dạng và hấp dẫn.