¿Cómo funcionan los detectores de fugas de flujo directo y de contraflujo?
En función de la forma en la que el gas del objeto de prueba se suministre al espectrómetro de masas, podemos diferenciar entre dos tipos de detectores de fugas:
- Detector de fugas de flujo directo
- Detector de fugas de contraflujo
Fig. 14: Comparación entre un detector de fugas de flujo principal y un detector de fugas de contraflujo
En la figura anterior se muestran los diagramas de vacío de los dos tipos de detectores de fugas. En ambos casos, el espectrómetro de masas se evacua mediante un sistema de bomba de alto vacío.
Detector de fugas de flujo directo
En el caso del detector de fugas de flujo directo, el gas que se va a inspeccionar se suministra al espectrómetro de masas a través de una trampa fría. La trampa fría se enfría con nitrógeno líquido (LN2) y es básicamente una bomba criogénica en la que se condensan todos los vapores y otros contaminantes. En el caso de la bomba de difusión, que se utilizaba habitualmente en el pasado, la trampa fría refrigerada con LN2 era, por tanto, una protección eficaz para el espectrómetro de masas contra los vapores de aceite descargados desde la bomba de difusión.
La bomba auxiliar sirve para la evacuación previa del objeto de prueba y las líneas de conexión necesarias. Para poder conectar el lado de alto vacío de la bomba de alto vacío en funcionamiento con el objeto de prueba, la bomba auxiliar debe evacuar el objeto de prueba a una presión inferior a 5·10–2 mbar. Solo entonces es posible abrir la válvula entre la bomba auxiliar y la trampa fría. La bomba de alto vacío no debe evacuar el objeto de prueba, las líneas de conexión necesarias ni el espectrómetro de masas a una presión inferior a 2·10–4 mbar. A continuación, el espectrómetro de masas puede empezar a funcionar para detectar las fugas.
Dependiendo del tamaño de la fuga del objeto de prueba y del rendimiento de bombeo de las bombas de vacío utilizadas, los tiempos de bombeo pueden ser muy largos. En caso de una fuga muy grande, es posible que ni siquiera se alcancen los valores de presión mencionados anteriormente.
Detector de fugas de contraflujo
En la parte derecha de la Fig. 14 se muestra el diagrama del detector de fugas de contraflujo, donde se puede observar inmediatamente la diferencia sustancial con el diagrama del detector de fugas de flujo directo: aquí, la bomba de alto vacío solo evacua el espectrómetro de masas (volumen más pequeño, tasa de fugas muy pequeña) y no el objeto de prueba (volumen grande, tasa de fugas grande en general).
Debe tenerse en cuenta que, en el caso del detector de fugas de contraflujo, el suministro de gas que se va a inspeccionar se realiza entre la bomba de vacío preliminar y la bomba de alto vacío. Esto significa que la bomba de vacío preliminar y la bomba auxiliar deben llevar el objeto de prueba hasta una presión en la que el lado de vacío preliminar de la bomba de alto vacío en funcionamiento se pueda conectar al objeto de prueba. En el caso de los detectores de fugas de contraflujo actuales, esta presión inicial es de varios milibares. Si se alcanza la presión inicial en la entrada del detector de fugas, cambia inmediatamente al modo de medición.
La presión parcial del gas de prueba pFV, TG entre la bomba de vacío preliminar y la bomba de alto vacío se incrementa mediante el TG del gas de prueba (TG = helio o hidrógeno) que pasa al detector de fugas.
Cuando la bomba de alto vacío está en funcionamiento, la presión parcial del gas de prueba (pHV, TG) del lado de alto vacío de la bomba es significativamente menor que la del lado de vacío previo de la bomba (pFV, TG). Por lo tanto, una cierta cantidad del gas de prueba fluye, en dirección contraria a la del suministro de la bomba de alto vacío, desde el lado de vacío previo hasta el lado de alto vacío de la bomba de alto vacío. Este fenómeno es la razón por la que este tipo de detector de fugas se denomina detector de fugas de contraflujo.
En equilibrio, la siguiente presión parcial del gas de prueba estará presente en el lado de alto vacío, es decir, entre la bomba de alto vacío y el espectrómetro de masas:
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
En este caso, C0, TG se refiere a la compresión de la bomba de alto vacío del gas de prueba TG a un flujo de gas de prueba de cero (el flujo neto de gas del gas de prueba a través de la bomba de alto vacío es cero).
Hoy en día, la bomba de alto vacío de los detectores de fugas de contraflujo es siempre una bomba turbomolecular con etapa compuesta. Este tipo de bomba de alto vacío ofrece una alta consistencia de vacío previo (pocos milibares) y, por lo tanto, permite las altas presiones de arranque mencionadas anteriormente en el rango de los milibares. De este modo, el proceso de detección de fugas se puede realizar mucho más rápido que con un detector de fugas con bomba de difusión de aceite (consistencia de vacío previo de una bomba de difusión de aceite ⋍ 5 ·10–1 mbar).
Las bombas turbomoleculares ofrecen una compresión muy alta de gases pesados (hidrocarburos, vapores de aceite). Por lo tanto, se aplica lo siguiente: a diferencia de los gases de prueba ligeros, como el helio y el hidrógeno, las partículas de gases pesados no pueden llegar al espectrómetro de masas. Por lo tanto, la bomba turbomolecular es una protección óptima para el espectrómetro de masas y hace que las trampas frías refrigeradas con nitrógeno líquido queden obsoletas.
Detector de fugas de contraflujo en funcionamiento a flujo parcial
Si no es posible evacuar el objeto de prueba a la presión de inicio requerida o si tarda demasiado debido al tamaño del objeto de prueba o a la fuga, se debe utilizar una bomba auxiliar (sistema de bomba auxiliar) además del detector de fugas.
El detector de fugas se pondrá en funcionamiento en la denominada configuración de flujo parcial. Dado que la bomba auxiliar suele tener un rendimiento superior al de la bomba de vacío preliminar integrada en el detector de fugas, la mayor parte del gas de prueba pasará por la bomba auxiliar y solo una pequeña cantidad del gas de prueba lo hará por la bomba de vacío preliminar.
Sin embargo, la presión parcial del gas de prueba en la entrada de la bomba de vacío preliminar y en la entrada de la bomba auxiliar pFV, TG será idéntica. Por lo tanto, el flujo total de gas de prueba del objeto de prueba ascenderá a
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
con
- SRP, TG = velocidad de bombeo de la bomba de vacío preliminar integrada en el detector de fugas del gas de prueba en l/s
- SAP, TG = velocidad de bombeo de la bomba auxiliar para el gas de prueba en l/s
Esta es la tasa de fugas real que se supone que debe indicar el detector de fugas. Sin embargo, el sistema electrónico del detector de fugas genera la siguiente indicación
qL, indicación = pFV, TG · SRP, TG
Lo siguiente es el resultado de:
La tasa de fuga qL, indicación que se muestra en el detector de fugas equivale al producto de la tasa de fugas real qL y a la relación de flujo parcial γ:
qL, indicación = qL · γ
γ = SRP, TG/(SRP, TG + SAP, TG) (relación de flujo parcial)
La relación de flujo parcial se calcula mediante la relación indicada anteriormente.
En la práctica, a menudo tiene sentido determinar experimentalmente la relación de flujo parcial. Para ello, se instala una fuga de calibración con la tasa de fugas qL directamente en el detector de fugas (funcionamiento sin bomba auxiliar). A continuación, el detector de fugas indicará la tasa de fugas qL real del detector de fugas en la pantalla. Se debe anotar el valor qL. Después, se instala la misma fuga de calibración en el objeto de prueba, se pone en funcionamiento la bomba auxiliar y se anota la indicación de la pantalla del detector de fugas. El detector de fugas ahora muestra qL, indicación. La relación de flujo parcial γ que estamos buscando será el resultado del cociente de qL, indicación y qL:
γ = qL, indicación / qL (relación de flujo parcial)
Fig. 15: Ejemplo de uso de un detector de fugas con el principio de flujo parcial
Conexión con sistemas de vacío
La conexión de un detector de fugas a sistemas de vacío con conjuntos de bombas de vacío multietápicas se realiza normalmente mediante el método de flujo parcial. Al considerar dónde es el mejor lugar en el que hacer la conexión, debe tenerse en cuenta que el detector de fugas suele ser una unidad pequeña y portátil que tiene una velocidad de bombeo baja en la brida de conexión (normalmente con SRP, TG ⋍ 2 m3/h). Esto hace que sea incluso más importante calcular —en función de la relación de flujo parcial que cabe esperar frente a una bomba de difusión con una velocidad de bombeo de SAP, TG = 10 000 l/s = 36 000 m3/h, por ejemplo— qué tasas de fuga pueden detectarse.
En sistemas con bombas de alto vacío y de lóbulos, la opción más segura es conectar el detector de fugas entre la bomba de paletas rotativas y la bomba de lóbulos, o entre la bomba de lóbulos y la bomba de alto vacío. Si la presión es superior a la presión de entrada permitida para el detector de fugas, el detector de fugas deberá conectarse mediante una válvula dosificadora (fuga variable). Naturalmente, es necesario disponer de una brida de conexión adecuada.
En este punto, también se recomienda instalar una válvula desde el principio para que, cuando sea necesario, se pueda conectar rápidamente el detector de fugas (con el sistema en marcha) y la detección de fugas pueda comenzar inmediatamente después de abrir la válvula. Para evitar que esta válvula se abra accidentalmente, debe sellarse con una brida ciega durante el funcionamiento normal del sistema de vacío.
Otro método para conectar un detector de fugas a sistemas de vacío más grandes es insertar un "sniffer" en la salida del lado de la atmósfera del sistema. Después, el aumento de la concentración de gases de prueba en el escape se examina con el "sniffer".
- SLD = SR, He
velocidad de bombeo de la bomba de vacío preliminar integrada en el detector de fugas de helio en l/s en el punto de bifurcación - SAP = SAP, HE
velocidad de bombeo de la bomba auxiliar de helio en l/s en el punto de bifurcación
Constantes temporales
La constante temporal de un sistema de vacío se determina mediante la siguiente fórmula:
t = Vch / Seff
- Vch = volumen de los depósitos en litros
- Seff = velocidad de bombeo efectiva para el gas de prueba en el depósito, en l/s.
Fig. 16: Respuestas de señal y velocidad de bombeo
En la Figura 16 anterior se muestra el recorrido de la señal después de haber pulverizado una fuga de un objeto de prueba conectado a un detector de fugas, con 2 configuraciones distintas:
- El objeto de prueba (volumen Vch) está conectado directamente al detector de fugas LD (velocidad de bombeo efectiva del gas de prueba = SLD).
- Además de 1, se ha conectado una bomba auxiliar ( = bomba de caudal parcial) con la misma velocidad de bombeo efectiva SAP = SLD al objeto de prueba.
Las dos curvas de señal correspondientes se muestran en la Fig. 16:
Curva 1: después de un "tiempo muerto“ t0, la señal proporcional a la presión parcial del gas de prueba pTG aumenta con el tiempo t según la relación
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
Después de un cierto tiempo, la señal alcanza una parte de su valor final
- t − t0 = 1 τ 63,3 % del valor final
- t − t0 = 3 τ 95,0 % del valor final
- t − t0 = 6 τ 99,8 % del valor final
El valor final de la señal es proporcional a pTG = qL/Seff, ya que el término exponencial desaparece en t - t0 >> τ.
El intervalo de tiempo t - t0 necesario para alcanzar el 95 % del valor final se denomina tiempo de respuesta. Se obtiene mediante 3 τ.
Con ello, se obtiene el siguiente resultado en la curva 1: el valor final de la señal es proporcional a pTG = qL/Seff = qL/SLD = p1
Tiempo de respuesta = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/SLD = τ1
Lo siguiente se aplica a la curva 2 ( = funcionamiento con flujo parcial): el valor final de la señal es proporcional a pTG = qL/Seff = qL /(SLD + SAP) = 0,5 · p1
Tiempo de respuesta = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/(SLD + SAP) = 0,5 · τ1
Debido a la instalación de una bomba auxiliar ( = bomba de caudal parcial), el tiempo de respuesta siempre será menor y el valor final de la señal siempre disminuirá. En el ejemplo anterior, el tiempo de respuesta se reduce a la mitad, pero el valor final de la señal también se ha reducido a la mitad.
Un tiempo de respuesta corto significa un cambio y una visualización rápidos de la señal. Esto aporta la ventaja de que el tiempo necesario para la detección de fugas se puede reducir significativamente. El inconveniente resultante de que el valor final de la señal sea menor no provoca, en la mayoría de los casos, problemas graves debido a la alta sensibilidad de los detectores de fugas actuales.
Conclusión: el funcionamiento con caudal parcial reduce el tiempo necesario para la detección de fugas.
Es posible calcular de forma estimada las constantes temporales totales de varios volúmenes conectados uno detrás de otro y a las bombas pertinentes en una aproximación inicial sumando las distintas constantes temporales.
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