Cos'è una perdita e come si misura il tasso di perdita nei sistemi per vuoto
Oltre ai sistemi per vuoto effettivi e ai loro singoli componenti (serbatoio per vuoto, tubazioni, valvole, dispositivi di misurazione, ecc.) esistono numerosi altri sistemi e prodotti nei settori industriale e della ricerca con requisiti elevati in materia di tenuta o la cosiddetta "tenuta ermetica". Questi includono, in particolare, assemblaggi per il settore automotive e della refrigerazione.
Le dichiarazioni generalizzate, come "assenza di perdite rilevabili" o "tasso di perdita zero", non rappresentano una base adeguata per i test di accettazione.
Ogni tecnico esperto sa che le specifiche di accettazione formulate correttamente indicheranno un determinato tasso di perdita in condizioni definite. Il tasso di perdita accettabile è determinato anche dall'applicazione stessa.
Tipi di perdite
La definizione più semplice per il termine "perdita" è: una perdita è un'"apertura" in una parete o barriera (di separazione) attraverso la quale solidi, liquidi o gas possono entrare o uscire in modo indesiderato.
A seconda del tipo di materiale o del difetto della giunzione, si distinguono i seguenti tipi di perdite:
- Perdite in collegamenti smontabili: flange, superfici di accoppiamento a terra, coperchi
- Perdite in collegamenti permanenti: cordoni di saldatura, giunti incollati
- Perdite dovute alla porosità: in particolare in seguito a deformazione meccanica (piegatura) o lavorazione termica di materiali policristallini e componenti
stampati - Perdite termiche: apertura a temperature estreme (caldo/freddo), soprattutto in corrispondenza dei giunti di saldatura
- Perdite apparenti (virtuali): le quantità di gas vengono liberate da fori e cavità all'interno di parti stampate, fori ciechi e giunti (anche a causa dell'evaporazione di liquidi).
- Perdite indirette: perdite nelle tubazioni di alimentazione dei forni o dei sistemi per vuoto (acqua, aria compressa, nebbia salina)
- "Perdite seriali": si tratta della perdita alla fine di più "spazi collegati in serie", ad esempio una perdita nella sezione riempita di olio della coppa dell'olio in una pompa rotativa a palette
- "Perdite unidirezionali": queste consentono il passaggio del gas in una direzione, ma sono serrate nell'altra direzione (molto raramente)
Un'area che non è a tenuta di gas ma che non presenta perdite nel senso che è presente un difetto è la:
- Permeazione: permeabilità naturale del gas attraverso materiali quali tubi flessibili in gomma, guarnizioni in elastomero, ecc. (a meno che queste parti non siano diventate fragili e quindi "perdano").
Tasso di perdita, flusso di massa della dimensione della perdita (gas)
Nessun dispositivo o sistema per vuoto può mai essere completamente a tenuta di vuoto e non deve esserlo necessariamente. Il semplice fattore essenziale è che il tasso di perdita deve essere sufficientemente basso da non influenzare la pressione di esercizio, il bilanciamento del gas e la pressione finale richiesti nel contenitore del vuoto. Ne consegue che i requisiti relativi alla tenuta di gas di un apparato sono più severi quanto più basso è il livello di pressione richiesto.
Per poter registrare le perdite quantitativamente, è stato introdotto il concetto di "tasso di perdita" con il simbolo qL e l'unità mbar·l/s.
Una velocità di perdita di qL = 1 mbar·l/s è presente quando in un serbatoio chiuso e sottovuoto con un volume di 1 l la pressione aumenta di 1 mbar al secondo o, in presenza di pressione positiva nel serbatoio, la pressione scende di 1 mbar al secondo.
Il tasso di perdita di un serbatoio indica la quantità di flusso di gas che fuoriesce attraverso le pareti del serbatoio. Tuttavia, è necessario notare che il tasso di perdita dipende dal tipo di gas.
Se si conoscono la temperatura del gas T e la massa molare M di un gas G, il flusso di massa del gas può essere calcolato dal tasso di perdita qL utilizzando l'equazione dello stato per i gas ideali tramite la relazione
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
Unità: g/s
con:
- R = 83,14 (mbar·l) / (mol·K)
- T = temperatura del gas in K
- M = massa molare in g/mol
- Δm = massa in g
- Δt = intervallo di tempo in s
La relazione viene utilizzata:
a) per determinare il flusso di massa Δm/Δt a un tasso di perdita noto di qL o
b) per determinare il tasso di perdita qL a un flusso di massa del gas noto Δm/Δt
Per i sistemi per vuoto alto, si applica la seguente regola:
- qL(aria) < 10-6 mbar·l/s = il sistema ha una "tenuta molto elevata"
- qL(aria) < 10-5 mbar·l/s = il sistema ha una "tenuta sufficiente"
- qL(aria) > 10-4 mbar·l/s = il sistema "perde"
Una perdita può infatti essere compensata da una pompa per vuoto di capacità sufficiente poiché quanto segue si applica alla pressione finale (operativa) raggiungibile Pult:
Pult = qL/Seff
con:
- QL = tasso di perdita in mbar·l/s
- Seff = velocità di pompaggio effettiva della pompa per vuoto nel serbatoio del vuoto in l/s
Se Seff aumenta sufficientemente, è quindi sempre possibile raggiungere una determinata pressione finale (operativa) indipendentemente dal tasso di perdita qL.
In pratica, tuttavia, un aumento auspicato di Seff potrebbe non essere realizzabile a causa di motivi economici e di progettazione (costi di investimento elevati, requisiti di spazio elevati).
Se la pressione finale desiderata non viene raggiunta in un sistema per vuoto, le cause sono solitamente due:
1. la presenza di perdite e/o
2. il rilascio di gas dalle pareti del serbatoio e la fuoriuscita di gas.
Per distinguere le due cause, è possibile utilizzare un'analisi della pressione parziale con uno spettrometro di massa o il test di aumento della pressione correlato al tempo. Poiché è possibile determinare la presenza di una perdita e non la sua posizione nel sistema solo quando si utilizza il test di aumento della pressione, si consiglia di utilizzare un rilevatore di perdite di elio con cui le perdite possono essere localizzate in modo significativamente più rapido.
Per ottenere una panoramica della correlazione tra le dimensioni geometriche del foro e il tasso di perdita associato, è possibile operare sulla base di quanto segue, stima approssimativa:
Un foro circolare con diametro D = 1 cm nella parete di un serbatoio per vuoto viene chiuso con una valvola. La pressione atmosferica (p = 1013 mbar) prevale all'esterno, con vuoto all'interno. Quando la valvola è aperta, l'aria fluisce alla velocità del suono (vs = 330 m/s) attraverso la sezione trasversale di apertura di A = π·(D2/4) ~ 0,79 cm2 nel serbatoio. La quantità di aria che fluisce nel serbatoio è pari a qL(aria) = p·vs·A ~ 2,6·104 mbar·l/s.
Se tutte le altre condizioni vengono mantenute identiche e l'elio viene lasciato fluire nel foro alla velocità del suono di 970 m/s, il tasso di perdita dell'elio qL (elio) è ~ 7,7·104 mbar·l/s, quindi il tasso di perdita è significativamente più elevato.
Questa maggiore "sensibilità" per l'elio viene utilizzata nel rilevamento delle perdite e ha portato allo sviluppo e alla produzione di massa di rilevatori di perdite a base di elio altamente sensibili.
Nella Fig. 1 viene mostrata la correlazione tra la dimensione del foro e il tasso di perdita per l'aria, con il valore approssimativo di qL (aria) = 104 mbar·l/s per il "foro da 1 cm".
La tabella mostra che quando il diametro del foro D viene ridotto a 1 µm = 0,001 mm (= riduzione di D del fattore 10000), il tasso di perdita sarà pari a 1,0·10-4 mbar·l/s, un valore che nella tecnologia del vuoto rappresenta già una grave perdita (vedere la regola sopra).
Un tasso di perdita di 1,0·10-12 mbar·l/s corrisponde al diametro del foro di 1 angstrom (Å); questo è il limite di rilevamento inferiore per i moderni rilevatori di perdite di elio.
Poiché le costanti della griglia per molti solidi corrispondono a diverse Å e il diametro delle molecole più piccole (H2, He) è di circa 1 Å, la permeazione intrinseca attraverso i solidi può essere registrata metrologicamente utilizzando rilevatori di perdite di elio. Ciò ha portato allo sviluppo di perdite di prova calibrate con tassi di perdita molto ridotti, una "mancanza di tenuta" misurabile ma non una "perdita" nel senso di un difetto nel materiale o nel giunto.
Correlazione tra diametro del foro e tasso di perdita, stima dell'aria
Fig. 1: Correlazione tra diametro del foro e tasso di perdita, stima dell'aria
Correlazione tra criteri di tenuta e tassi di perdita
Le stime o le misurazioni delle dimensioni di atomi, molecole, virus, batteri, ecc. hanno spesso dato origine a termini di uso quotidiano come "a tenuta stagna" o "a tenuta di batteri".
| Concetto/criterio | Commento | qL (mbar·l/s) | Dimensione delle particelle rilevanti |
|---|---|---|---|
| A tenuta stagna* | Gocce | < 10–2 | |
| A tenuta di vapore | "Essudazione" | < 10–3 | |
| A tenuta di batteri* (cocchi) (a barra) |
< 10–4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| A tenuta di olio | < 10–5 | ||
| A prova di virus* (vaccini, ad es. pox) (virus più piccoli, batteriofagi) (viroidi, RNA) |
< 10–6 < 10–8 < 10–10 |
||
| A tenuta di gas | < 10–7 | ||
| "A tenuta assoluta" | Informazioni tecniche | < 10–10 |
* Rispetto al vapore, è necessario distinguere tra solidi idrofili e idrofobici. Ciò vale anche per batteri e virus, essendo questi trasportati principalmente in soluzioni.
Natura e limiti di rilevamento dei metodi di rilevamento delle perdite di uso frequente:
Fig. 2: Natura e limiti dei metodi di rilevamento delle perdite di uso frequente.
Tasso di perdita standard dell'elio
Per una definizione inequivocabile di una perdita sono necessarie le pressioni prevalenti su entrambi i lati della parete (vaso) e la natura del mezzo che passa attraverso tale parete (viscosità, massa molare). Nel caso in cui il test venga eseguito con elio a una differenza di pressione di 1 bar dalla pressione atmosferica (esterna) al vuoto (p < 1 mbar, interno) che si trova di frequente nella pratica, la designazione "tasso di perdita standard dell'elio" è stata introdotta nella norma DIN EN 1330-8.
Per indicare il tasso di scarto di un test con elio in condizioni standard, è necessario prima convertire le condizioni d'uso effettive del test in condizioni standard di elio. Di seguito sono riportati alcuni esempi di tali conversioni:
Fig. 3: Esempi per la conversione dei tassi di perdita in tassi di perdita standard dell'elio
Formule di conversione
Per quanto riguarda la conversione della pressione e del tipo di gas (viscosità, massa molare), occorre notare che diverse formule si applicano al flusso laminare viscoso e molecolare. Il confine tra queste aree è molto difficile da determinare. Come linea guida, è possibile presupporre quanto segue: con tassi di perdita
qL > 10–4 mbar·l/s flusso laminare viscoso
e con tassi di perdita
qL < 10–6 mbar·l/s flusso molecolare
Nella gamma intermedia, il produttore (responsabile in base ai termini della garanzia) deve assumere valori sul lato sicuro.
Gli indici "I" e "II" fanno riferimento a uno o all'altro rapporto di pressione e gli indici "1" e "2" fanno riferimento rispettivamente all'interno e all'esterno del punto di perdita. Per un uso sensibile delle formule, la pressione p1 deve essere sempre quella più alta (p1 > p2).
Tabella 2: Formule per la conversione della pressione e del tipo di gas
p = pressione, q = flusso di gas (tasso di perdita), η = viscosità, M = massa molare
| Flusso | Laminare viscoso | Molecolare |
| Pressione | qI · (p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| Tipo di gas | q GasA · η GasA = q GasB · η GasB | q GasA·(M GasA)1/2 = q GasB·(M GasB)1/2 |
Termini e definizioni
Durante la ricerca di perdite, in genere è necessario distinguere tra due attività: (1) individuazione delle perdite e (2) misurazione del tasso di perdita.
Inoltre, distinguiamo, in base alla direzione del flusso del fluido, tra:
a. metodo del vuoto (noto anche come "perdita dall'esterno all'interno"), in cui la direzione del flusso è verso l'oggetto di test; la pressione all'interno dell'oggetto di test è inferiore alla pressione ambiente e
b. metodo della pressione positiva (spesso definito "perdita dall'interno all'esterno"), dove il flusso avviene dall'interno dell'oggetto di test verso l'esterno; la pressione all'interno dell'oggetto di test è superiore alla pressione ambiente.
Ove possibile, gli oggetti di test devono essere esaminati in una configurazione corrispondente alla loro applicazione successiva, ovvero componenti per applicazioni del vuoto utilizzando il metodo del vuoto e della pressione positiva per le parti che verranno pressurizzate all'interno.
Quando si misurano i tassi di perdita, si distingue tra la registrazione:
a. perdite individuali (misurazione locale), Fig. 4b e 4d sotto,
e registrazione
b. il totale di tutte le perdite nell'oggetto di test (misurazione integrale), Fig. 4a e 4c sotto.
Il tasso di perdita più basso che non è più tollerabile in conformità alle specifiche di accettazione è noto come tasso di perdita di scarto. Il suo calcolo si basa sulla condizione che l'oggetto di test non possa subire danni durante il periodo di utilizzo pianificato a causa di perdite, e questo fino a un certo grado di certezza.
Spesso non è il tasso di perdita dell'oggetto di test in condizioni operative normali che viene determinato, ma piuttosto la velocità di trasferimento di un gas di test in condizioni simili. I valori di misurazione ottenuti devono essere convertiti in modo da corrispondere alla situazione di applicazione effettiva in relazione alle pressioni all'interno e all'esterno dell'oggetto di test e al tipo di gas (o liquido) interessato.
Se è presente un vuoto all'interno dell'oggetto di test (p < 1 mbar) e all'esterno è presente pressione atmosferica, l'elio viene utilizzato come gas di test, facendo riferimento alle condizioni standard dell'elio. Le condizioni standard dell'elio sono sempre presenti durante il rilevamento delle perdite di elio per un sistema per vuoto quando il sistema è collegato a un rilevatore di perdite, se il sistema viene pompato a p meno 1 mbar e se viene spruzzato con elio (tecnica di nebulizzazione) (vedere la Fig. 4b).
Se l'oggetto di test viene evacuato esclusivamente dal rilevatore di perdite, significa che il rilevatore di perdite funziona in modalità a flusso diretto del rilevatore di perdite (LD). Se l'oggetto di test è di per sé un sistema per vuoto completo con la propria pompa per vuoto e se il rilevatore di perdite viene azionato in parallelo alle pompe del sistema, si riferisce alla modalità a flusso parziale del rilevatore di perdite. Uno fa riferimento anche alla modalità a flusso parziale quando una pompa ausiliaria separata viene utilizzata parallelamente al rilevatore di perdite.
Quando si utilizza il metodo della pressione positiva, a volte è poco pratico o addirittura impossibile misurare direttamente il tasso di perdita, mentre questo potrebbe essere rilevato sicuramente utilizzando un contenitore nel quale racchiudere il campione di test. La misurazione può essere effettuata collegando tale contenitore al rilevatore di perdite o mediante accumulo (= aumentando la concentrazione) del gas di test all'interno del contenitore (vedere Fig. 4c). Il test di bombardamento è una versione speciale del test di accumulo.
Nella cosiddetta tecnica sniffer, un'altra variazione della tecnica della pressione positiva, il gas (di test) emesso dalle perdite viene raccolto (estratto) da un apparecchio speciale e inviato al rilevatore di perdite (vedere la Fig. 4d). Questa procedura può essere eseguita utilizzando elio, idrogeno, refrigeranti o SF6 come gas di test.
Opzioni di utilizzo per un rilevatore di perdite per vuoto in base al metodo del vuoto (a, b) e al metodo della pressione positiva (c, d)
Fig. 4: Opzioni di utilizzo per un rilevatore di perdite per vuoto in base al metodo del vuoto (a, b) e al metodo della pressione positiva (c, d)
| Metodo del vuoto = vuoto all'interno del campione | Metodo della pressione positiva = gas di test pressurizzato all'interno del campione |
| a: Test del contenitore (rilevamento di perdite integrale) | c: Test del contenitore (rilevamento di perdite integrale) |
| b: Tecnica di nebulizzazione (rilevamento di perdite locali) | d: Tecnica sniffer (rilevamento di perdite locale) |
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