Wie funktionieren Hauptstrom- und Gegenstrom-Lecksucher?
Je nachdem, wie das aus dem Prüfobjekt stammende Gas dem Massenspektrometer zugeführt wird, können zwei Arten von Helium-Lecksuchern unterschieden werden:
- Der Hauptstrom-Lecksucher
- Der Gegenstrom-Lecksucher
Abb. 14: Vergleich zwischen dem Hauptstrom- und dem Gegenstrom-Lecksucher
Die Abbildung oben zeigt die Vakuumdiagramme der beiden Lecksuchertypen. In beiden Fällen wird das Massenspektrometer über ein Hochvakuumpumpensystem evakuiert.
Hauptstrom-Lecksucher
Beim Hauptstrom-Lecksucher wird das zu untersuchende Gas über eine Kühlfalle dem Massenspektrometer zugeführt. Die Kühlfalle wird mit flüssigem Stickstoff (LN2) gekühlt und ist im Grunde eine Kryopumpe, in der alle Dämpfe und andere Verunreinigungen kondensieren. Im Falle der in der Vergangenheit üblicherweise verwendeten Diffusionspumpe war die LN2-gekühlte Kühlfalle daher ein wirksamer Schutz des Massenspektrometers gegen die aus der Diffusionspumpe austretenden Öldämpfe.
Die Hilfspumpe dient zur Vorevakuierung des Prüfobjekts und der erforderlichen Anschlussleitungen. Um die Hochvakuumseite der laufenden Hochvakuumpumpe an das Prüfobjekt anschließen zu können, muss die Hilfspumpe das Prüfobjekt auf einen Druck unter 5·10–2 mbar evakuieren. Erst dann ist es möglich, das Ventil zwischen Hilfspumpe und Kühlfalle zu öffnen. Die Hochvakuumpumpe darf das Prüfobjekt, die erforderlichen Anschlussleitungen und das Massenspektrometer nicht auf einen Druck unter 2·10–4 mbar evakuieren. Danach kann das Massenspektrometer in Betrieb genommen werden, um Lecks zu suchen.
Abhängig von der Größe des Lecks im Prüfobjekt und der Pumpleistung der verwendeten Vakuumpumpen können die Pumpzeiten sehr lang sein. Bei einem sehr großen Leck werden die oben genannten Druckwerte möglicherweise gar nicht erreicht.
Gegenstrom-Lecksucher
Der rechte Teil von Abb. 14 zeigt das Diagramm für den Gegenstrom-Lecksucher. Man erkennt sofort den wesentlichen Unterschied zum Diagramm des Hauptstrom-Lecksuchers: Hier evakuiert die Hochvakuumpumpe nur das Massenspektrometer (kleineres Volumen, sehr niedrige Leckrate) und nicht das Prüfobjekt (großes Volumen, hohe Leckrate im Allgemeinen).
Es ist zu beachten, dass bei Gegenstrom-Lecksuchern die Versorgung des zu prüfenden Gases zwischen der Grobpumpe und der Hochvakuumpumpe erfolgt. Das bedeutet, dass die Grobpumpe und die Hilfspumpe das Prüfobjekt auf einen Druck bringen müssen, bei dem die Grobseite der laufenden Hochvakuumpumpe an das Prüfobjekt angeschlossen werden kann. Bei heutigen Gegenstrom-Lecksuchern beträgt dieser sogenannte Startdruck mehrere Millibar. Wird der Startdruck am Einlass des Lecksuchers erreicht, schaltet dieser sofort in den Messbetrieb um.
Der Prüfgas-Partialdruck pVV, PG zwischen Grobpumpe und Hochvakuumpumpe wird durch das in den Lecksucher strömende Prüfgas PG (PG = Helium oder Wasserstoff) erhöht.
Bei laufender Hochvakuumpumpe ist der Prüfgas-Partialdruck (pHV, PG) auf der Hochvakuumseite der Pumpe deutlich kleiner als auf der Vorvakuumseite (pVV, PG). Daher strömt eine bestimmte Menge des Prüfgases – entgegen der Förderrichtung der Hochvakuumpumpe – von der Vorvakuumseite zur Hochvakuumseite der Hochvakuumpumpe. Dieses Phänomen ist der Grund, warum diese Art von Lecksucher als Gegenstrom-Lecksucher bezeichnet wird.
Im Gleichgewicht herrscht auf der Hochvakuumseite folgender partieller Prüfgasdruck, d. h. zwischen Hochvakuumpumpe und Massenspektrometer:
pHV, PG = pVV, PG / V0, PG
In diesem Fall bezieht sich V0, PG auf die Verdichtung der Hochvakuumpumpe für das Prüfgas PG bei einem Prüfgasstrom von Null (der Nettogasstrom des Prüfgases durch die Hochvakuumpumpe ist Null).
Heutzutage ist die Hochvakuumpumpe in Gegenstrom-Lecksuchern immer eine Turbomolekularpumpe mit Verbundstufe. Diese Hochvakuumpumpe zeichnet sich durch eine hohe Vorvakuumkonsistenz (wenige Millibar) aus und ermöglicht somit die oben genannten hohen Startdrücke im Millibar-Bereich. Daher kann die Dichtheitsprüfung wesentlich schneller durchgeführt werden als mit einem Lecksucher mit Öldiffusionspumpe (Vorvakuumkonsistenz einer Öldiffusionspumpe ⋍ 5· 10–1 mbar).
Turbomolekularpumpen können schwere Gase (Kohlenwasserstoff, Öldämpfe) sehr stark verdichten. Daher können Partikel schwerer Gase im Gegensatz zu leichten Prüfgasen wie Helium und Wasserstoff das Massenspektrometer grundsätzlich nicht erreichen. Turbomolekularpumpen sind somit ein optimaler Schutz für das Massenspektrometer und machen eine mit Flüssigstickstoff gekühlte Kühlfalle überflüssig.
Gegenstrom-Lecksucher im Teilstrombetrieb
Ist die Evakuierung des Prüfobjekts auf den erforderlichen Startdruck nicht möglich oder dauert es aufgrund der Größe des Prüfobjekts oder des Lecks zu lange, muss zusätzlich zum Lecksucher eine Hilfspumpe (Hilfspumpensystem) verwendet werden.
Der Lecksucher wird dann in einer sogenannten Teilstromkonfiguration betrieben. Da die Zusatzpumpe in der Regel eine höhere Leistung aufweist als die in den Lecksucher integrierte Vorvakuumpumpe, fließt die größere Menge des Prüfgases durch die Zusatzpumpe, und nur eine geringe Menge des Prüfgases fließt durch die Vorvakuumpumpe.
Der Prüfgas-Partialdruck pVV, PG ist am Einlass der Grobpumpe und am Einlass der Hilfspumpe jedoch identisch. Daher beträgt der Gesamtstrom des Prüfgases aus dem Prüfobjekt
qL = pVV, PG · (SGP, PG + SHP, PG)
wobei
- SGP, PG = Saugvermögen der im Lecksucher integrierten Grobpumpe für das Prüfgas in l/s
- SAP, PG = Saugvermögen der Hilfspumpe für das Prüfgas in l/s
Dies ist die tatsächliche Leckrate, die der Lecksucher anzeigen soll. Das elektronische System des Lecksuchers erzeugt jedoch die folgende Anzeige:
qL, Display = pVV, PG · SGP, PG
Folgendes ergibt sich aus:
Die Leckrate qL, Display, die vom Lecksucher angezeigt wird, entspricht dem Produkt aus der tatsächlichen Leckrate qL und dem Teilstromverhältnis γ:
qL, Display = qL γ
γ = SGP, PG/(SGP, PG + SAP, PG) (Teilstromverhältnis)
Das Teilstromverhältnis wird anhand des oben genannten Verhältnisses berechnet.
In der Praxis ist es oft sinnvoll, das Teilstromverhältnis experimentell zu bestimmen. Dazu wird ein Kalibrierungsleck mit der Leckrate qL direkt am Lecksucher montiert (Betrieb ohne Hilfspumpe). Der Lecksucher zeigt dann die tatsächliche Leckrate qL des Lecksuchers auf dem Display an. Der Wert qL muss aufgezeichnet werden. Jetzt wird das gleiche Kalibrierungsleck am Prüfobjekt angebracht, die Hilfspumpe in Betrieb genommen und die Anzeige auf dem Display des Lecksuchers aufgezeichnet. Der Lecksucher zeigt nun qL, Display an. Das gesuchte Teilstromverhältnis γ ergibt sich dann aus dem Quotienten von qL, Display und qL:
γ = qL, Display / qL(Teilstromverhältnis)
Abb. 15: Beispiel für die Verwendung eines Lecksuchers mit Teilstromprinzip
Anschluss an Vakuumsysteme
Der Anschluss eines Lecksuchers an Vakuumsysteme mit mehrstufigen Vakuumpumpsätzen erfolgt in der Regel im Teilstromverfahren. Bei der Überlegung, wo man den Anschluss am besten vornimmt, ist zu bedenken, dass Lecksucher in der Regel kleine mobile Einheiten sind, die am Anschlussflansch nur ein geringes Saugvermögen haben (typischerweise SGP, PG ⋍ 2 m3/h). Umso wichtiger ist es, anhand des zu erwartenden Teilstromverhältnisses gegenüber einer Diffusionspumpe mit einem Saugvermögen von z. B. SHP, PG = 10.000 l/s = 36.000 m3/h abzuschätzen, welche Leckraten überhaupt erkannt werden können.
In Systemen mit Hochvakuum- und Rootspumpen ist es am sichersten, den Lecksucher zwischen der Drehschieberpumpe und der Rootspumpe oder zwischen der Rootspumpe und der Hochvakuumpumpe anzuschließen. Wenn der Druck dort höher ist als der zulässige Einlassdruck für den Lecksucher, muss dieser über ein Dosierventil (variables Leck) angeschlossen werden. Natürlich muss ein geeigneter Anschlussflansch vorhanden sein.
Es ist auch ratsam, an dieser Stelle von vornherein ein Ventil zu installieren, damit der Lecksucher bei Bedarf schnell (bei laufendem System) angeschlossen werden und die Dichtheitsprüfung unmittelbar nach dem Öffnen des Ventils beginnen kann. Um zu verhindern, dass dieses Ventil versehentlich geöffnet wird, sollte es während des normalen Betriebs des Vakuumsystems mit einem Blindflansch verschlossen werden.
Eine weitere Methode zum Anschließen eines Lecksuchers an größere Vakuumsysteme besteht darin, ein Schnüffelgerät in den Auslass des Systems in die Atmosphäre einzusetzen. Dann wird der Anstieg der Prüfgaskonzentration im Abgas erschnüffelt.
- SLS = SR, He
Saugvermögen der Grobpumpe, die im Lecksucher für Helium eingebaut ist, in l/s am Verzweigungspunkt - SAP = SAP, He
Saugvermögen der Hilfspumpe für Helium in l/s am Verzweigungspunkt
Zeitkonstanten
Die Zeitkonstante für ein Vakuumsystem ist gegeben durch:
t = Vch / Seff
- Vch = Volumen der Behälter in l
- Seff = effektive Pumpgeschwindigkeit für das Prüfgas am Behälter in l/s
Abb. 16: Signalreaktionen und Saugvermögen
Abb. 16 oben zeigt den Signalverlauf nach dem Besprühen eines Lecks in einem an einem Lecksucher angeschlossenen Prüfobjekt für zwei unterschiedliche Konfigurationen:
- Das Prüfobjekt (Volumen Vch) ist direkt mit dem Lecksucher LS verbunden (effektive Pumpgeschwindigkeit für das Testgas = SLS).
- Zusätzlich zu 1 wird eine Zusatzpumpe (= Teilstrompumpe) mit der gleichen effektiven Pumpendrehzahl SAP = SLS an das Prüfobjekt angeschlossen.
Die beiden entsprechenden Signalkurven sind in Abb. 16 dargestellt:
Kurve 1: Nach einer Totzeit t0 steigt das Signal proportional zum Prüfgas-Partialdruck pPG über die Zeit t entsprechend der folgenden Beziehung an:
pPG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
Nach einer bestimmten Zeit erreicht das Signal einen Teil seines Endwerts:
- t − t0 = 1 τ 63,3 % des Endwerts
- t − t0 = 3 τ 95,0 % des Endwerts
- t − t0 = 6 τ 99,8 % des Endwerts
Der Endwert des Signals ist proportional zu pPG = qL/Seff, da der Exponential-Term für t - t0 >> τ verschwindet.
Die Zeitspanne t–t0, die erforderlich ist, um 95 % des Endwerts zu erreichen, wird als Ansprechzeit bezeichnet. Dieser Wert wird als 3 τ angegeben.
Daraus ergibt sich das folgende Ergebnis für Kurve 1: Der Endwert des Signals ist proportional zu pPG = qL/Seff = qL / SLS = p1
Reaktionszeit = 3 τ = 3 Vch / Seff = 3 Vch / SLS = τ1
Für Kurve 2 (= Teilstrombetrieb) gilt: Der Endwert des Signals ist proportional zu pPG = qL / Seff = qL / (SLS + SHP) = 0,5 · p1
Reaktionszeit = 3 τ = 3 Vch / Seff = 3 Vch / (SLS + SAP) = 0,5 · τ1
Durch den Einbau einer Hilfspumpe (= Teilstrompumpe) wird die Ansprechzeit immer verkürzt und der Endwert des Signals immer verkleinert. Im obigen Beispiel wird die Reaktionszeit halbiert, aber der Endwert des Signals wird ebenfalls halbiert.
Eine kurze Ansprechzeit bedeutet eine schnelle Änderung und Anzeige des Signals. Dies bietet den Vorteil, dass der Zeitaufwand für die Lecksuche erheblich reduziert werden kann. Der daraus resultierende Nachteil, dass der Endwert des Signals kleiner ist, führt in den meisten Fällen aufgrund der sehr hohen Empfindlichkeit der heutigen Lecksuchern nicht zu schwerwiegenden Problemen.
Schlussfolgerung: Teilstrombetrieb reduziert den Zeitaufwand für die Dichtheitsprüfung!
Eine Abschätzung der Gesamtzeitkonstanten für mehrere hintereinander und mit den zugehörigen Pumpen verbundene Volumina kann in einer ersten Näherung durch Addition der individuellen Zeitkonstanten vorgenommen werden.
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