Comment fonctionnent les détecteurs de fuites à débit direct et à contre-courant
Selon la manière dont le gaz de l'objet de test est fourni au spectromètre de masse, il est possible de faire la différence entre deux types de détecteurs de fuites à l'hélium :
- Le détecteur de fuite à débit direct
- Le détecteur de fuite à contre-courant
Fig. 14 : comparaison entre le détecteur de fuites de débit principal et le détecteur de fuites à contre-courant
La figure ci-dessus montre les schémas de vide pour les deux types de détecteurs de fuites. Dans les deux cas, le spectromètre de masse est évacué par un système de pompe à vide poussé.
Détecteur de fuite à débit direct
Dans le cas du détecteur de fuites à débit direct, le gaz à inspecter est fourni au spectromètre de masse via un piège à froid. Le piège à froid est refroidi avec de l'azote liquide (LN2) et est essentiellement une cryopompe dans laquelle toutes les vapeurs et autres contaminants se condensent. Dans le cas de la pompe à diffusion, qui était généralement utilisée par le passé, le piège à froid refroidi par LN2 était une protection efficace pour le spectromètre de masse contre les vapeurs d'huile rejetées par la pompe à diffusion.
La pompe auxiliaire sert à la pré-évacuation de l'objet testé et des conduites de raccordement requises. Pour pouvoir connecter le côté du vide poussé de la pompe à vide poussé à l'objet testé, la pompe auxiliaire doit évacuer l'objet testé à une pression inférieure à 5·10–2 mbar. Ce n'est qu'à ce moment-là qu'il est possible d'ouvrir la vanne entre la pompe auxiliaire et le piège à froid. La pompe à vide poussé ne doit pas évacuer l'objet testé, les conduites de raccordement requises et le spectromètre de masse à une pression inférieure à 2·10–4 mbar. Ensuite, le spectromètre de masse peut commencer à fonctionner afin de détecter les fuites.
En fonction de la taille de la fuite dans l'objet testé et des performances de pompage des pompes à vide utilisées, les temps de pompage peuvent être très longs. En cas de fuite très importante, les valeurs de pression susmentionnées peuvent ne pas être atteintes du tout.
Détecteur de fuite à contre-courant
La partie droite de la Fig. 14 présente un schéma du détecteur de fuites à contre-courant. L'un reconnaît immédiatement la différence importante par rapport au schéma du détecteur de fuites à débit direct : ici, la pompe à vide poussé évacue uniquement le spectromètre de masse (volume plus petit, taux de fuite très faible) et non l'objet testé (volume important, taux de fuite élevé en général).
Il convient de noter que, dans le cas du détecteur de fuites à contre-courant, l'alimentation en gaz à inspecter est effectuée entre la pompe primaire et la pompe à vide poussé. Cela signifie que la pompe primaire et la pompe auxiliaire doivent amener l'objet testé à une pression à laquelle le côté primaire de la pompe à vide poussé peut être connecté à l'objet testé. Dans le cas des détecteurs de fuites à contre-courant actuels, cette pression de démarrage s'élève à plusieurs millibars. Si la pression de démarrage à l'entrée du détecteur de fuites est atteinte, il passe immédiatement en mode de mesure.
La pression partielle du gaz de test pFV, TG entre la pompe primaire et la pompe à vide poussé est augmentée par le gaz de test TG (TG = hélium ou hydrogène) qui s'introduit dans le détecteur de fuites.
Lorsque la pompe à vide poussé est en marche, la pression partielle du gaz de test (pHV, TG) du côté à vide poussé de la pompe est nettement inférieure à celle du côté avant vide de la pompe (pFV, TG). Par conséquent, une certaine quantité du gaz de test s'écoule, dans le sens inverse de l'alimentation de la pompe à vide poussé, du côté pré-vide au côté haute dépression de la pompe à vide poussé. Ce phénomène est la raison pour laquelle ce type de détecteur de fuites est appelé dispositif de détection de fuites à contre-courant.
À l'équilibre, la pression de gaz de test partielle suivante sera présente du côté du vide poussé, c'est-à-dire entre la pompe à vide poussé et le spectromètre de masse :
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
Dans ce cas, C0, TG fait référence à la compression de la pompe à vide poussé pour le gaz de test TG à un débit de gaz de test de zéro (le débit de gaz net du gaz de test à travers la pompe à vide poussé est de zéro).
De nos jours, la pompe à vide poussé des détecteurs de fuites à contre-courant est toujours une pompe turbomoléculaire à étage composé. Ce type de pompe à vide poussé offre une grande homogénéité avant vide (quelques millibars) et permet donc d'atteindre les pressions de démarrage élevées susmentionnées dans la plage millibars. Par conséquent, le processus de détection de fuites peut être effectué beaucoup plus rapidement qu'avec un détecteur de fuites équipé d'une pompe à diffusion lubrifiée (homogénéité avant vide d'une pompe à diffusion lubrifiée ⋍ 5 ·10–1 mbar).
Les pompes turbomoléculaires offrent une compression très élevée pour les gaz lourds (hydrocarbures, vapeurs d'huile). Par conséquent, il en découle que, contrairement aux gaz de test légers tels que l'hélium et l'hydrogène, les particules de gaz lourds ne peuvent pratiquement pas atteindre le spectromètre de masse. La pompe turbomoléculaire constitue ainsi une protection optimale pour le spectromètre de masse et rend superflu l'utilisation d'un piège à froid refroidi à l'azote liquide.
Détecteur de fuites à contre-courant en fonctionnement à flux partiel
Si l'évacuation de l'objet testé à la pression de démarrage requise est impossible ou prend trop de temps en raison de la taille de l'objet testé ou de la fuite, une pompe auxiliaire (système de pompe auxiliaire) doit être utilisée en plus du détecteur de fuites.
Le détecteur de fuites fonctionne alors dans une configuration dite à flux partiel. Comme la pompe auxiliaire offre généralement des performances supérieures à celles de la pompe primaire intégrée au détecteur de fuites, la plus grande quantité de gaz de test circule dans la pompe auxiliaire et seule une petite quantité de gaz de test circule dans la pompe primaire.
Cependant, la pression partielle du gaz de test à l'entrée de la pompe primaire et à l'entrée de la pompe auxiliaire pFV, TG sera identique. Par conséquent, le débit total de gaz de test provenant de l'objet testé s'élève à
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
avec
- SRP, TG = vitesse de pompage de la pompe primaire intégrée au détecteur de fuites pour le gaz de test en l/s
- SAP, TG = vitesse de pompage de la pompe auxiliaire pour le gaz de test en l/s
Il s'agit du taux de fuite réel que le détecteur de fuites est censé afficher. Le système électronique du détecteur de fuite génère toutefois l'affichage suivant
qL, affichage = pFV, TG · SRP, TG
Les résultats suivants proviennent de :
Le taux de fuite qL, affichage affiché par le détecteur de fuites, est égal au produit du débit de fuite réel L et du rapport de débit partiel γ :
qL, affichage = qL · γ
γ = SRP, TG/(SRP, TG + SAP, TG) (rapport de débit partiel)
Le rapport de débit partiel est calculé au moyen de la relation mentionnée ci-dessus.
Dans la pratique, il est souvent logique de déterminer le rapport de débit partiel de manière expérimentale. Pour ce faire, installer une fuite d'étalonnage avec le taux de fuite qL directement au détecteur de fuites (fonctionnement sans pompe auxiliaire). Le détecteur de fuites affichera ensuite le taux de fuite réel qL du détecteur de fuites sur son écran. La valeur qL doit être enregistrée. Ensuite, on installe la même fuite d'étalonnage sur l'objet testé, on met en fonctionnement la pompe auxiliaire, et on note l'indication affichée sur le détecteur de fuites. Le détecteur de fuites affiche désormais qL. Le rapport de flux partiel γ recherché se calcule alors par le quotient de qL, affichage et qL :
γ = qL, affichage / qL (rapport de débit partiel)
Fig. 15 : exemple d'utilisation d'un détecteur de fuites avec principe de débit partiel
Raccordement aux systèmes de vide
La connexion d'un détecteur de fuites à des systèmes de vide avec des ensembles de pompes à vide à plusieurs étages s'effectue généralement au moyen de la méthode à débit partiel. Lorsque vous réfléchissez à l'endroit où effectuer le raccordement le mieux possible, gardez à l'esprit que le détecteur de fuites est généralement une petite unité portable qui n'a qu'une faible vitesse de pompage au niveau de la bride de connexion (généralement avec SRP, TG ⋍ 2 m3/h). Il est donc plus important d'estimer, en fonction du rapport de débit partiel attendu par rapport à une pompe à diffusion avec une vitesse de pompage de SAP, TG = 10 000 l/s = 36 000 m3/h, par exemple, quels taux de fuite peuvent être détectés.
Dans les systèmes à vide poussé et pompes Roots, l'option la plus sûre consiste à connecter le détecteur de fuites entre la pompe à palettes rotatives et la pompe Roots ou entre la pompe Roots et la pompe à vide poussé. Si la pression est supérieure à la pression d'entrée autorisée pour le détecteur de fuites, ce dernier doit être relié par une vanne de dosage (fuite variable). Il faut naturellement disposer d'une bride de connecteur adaptée.
Il est également conseillé d'installer une vanne dès le début afin que, si nécessaire, le détecteur de fuites puisse être rapidement connecté (avec le système en marche) et que la détection de fuites puisse commencer immédiatement après l'ouverture de la vanne. Pour éviter que cette vanne ne soit ouverte par inadvertance, elle doit être scellée par une bride d'obturation pendant le fonctionnement normal du système de vide.
Une autre méthode pour raccorder un détecteur de fuites à de grands systèmes de vide consiste à insérer un renifleur dans la sortie côté atmosphère du système. On détecte alors l'augmentation de la concentration du gaz de test dans l'échappement.
- SLD = SR, He
vitesse de pompage de la pompe primaire intégrée au détecteur de fuites pour l'hélium en l/s au point de branchement - SAP = SAP, He
la vitesse de pompage de la pompe auxiliaire pour l'hélium est exprimée en litres par seconde (l/s) et doit être mesurée au point de branchement.
Constantes de temps
La constante de temps d'un système de vide est définie par :
t = Vch / Seff
- Vch = volume des réservoirs en l
- Seff = vitesse de pompage effective du gaz de test au niveau du réservoir en l/s
Fig. 16 : réponses du signal et vitesse de pompage
La figure 16 ci-dessus représente l'évolution du signal suite à la pulvérisation d'une fuite dans un objet testé fixé à un détecteur de fuites, pour 2 configurations différentes :
- L'objet de test (volume Vch), qui est directement connecté au détecteur de fuites LD (vitesse de pompage effective pour le gaz de test = SLD).
- En plus de 1, une pompe auxiliaire (= pompe à débit partiel) avec la même vitesse de pompage effective SAP = SLD est connectée à l'objet de test.
Les deux courbes de signal correspondantes sont illustrées sur la Fig. 16 :
Courbe 1 : après un « temps mort » t0, le signal proportionnel à la pression partielle du gaz d'essai pTG augmente au fil du temps t en fonction de la relation
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
Après un certain temps, le signal atteint une partie de sa valeur finale
- t − t0 = 1 τ 63,3 % de la valeur finale
- t − t0 = 3 τ 95,0 % de la valeur finale
- t − t0 = 6 τ 99,8 % de la valeur finale
La valeur finale du signal est proportionnelle à pTG = qL/Seff car le terme exponentiel disparaît pour t - t0 >> τ.
La plage de temps t - t0 nécessaire pour atteindre 95 % de la valeur finale est appelée temps de réponse. Ceci est donné par 3 τ.
Cela donne le résultat suivant pour la courbe 1 : la valeur finale du signal est proportionnelle à pTG = qL/Seff = qL/SLD = p1
Temps de réponse = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/SLD = τ1
L'expression suivante s'applique à la courbe 2 (= fonctionnement en flux partiel) : la valeur ultime du signal est proportionnelle à pTG = qL/Seff = qL /(SLD + SAP) = 0,5 · p1
Temps de réponse = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/(SLD + SAP) = 0,5 · τ1
En raison de l'installation d'une pompe auxiliaire (= pompe à débit partiel), le temps de réponse est toujours raccourci et la valeur finale du signal est toujours diminuée. Dans l'exemple ci-dessus, le temps de réponse est divisé par deux, mais la valeur finale du signal est également divisée par deux.
Un temps de réponse court signifie un changement et un affichage rapides du signal. Cela permet de réduire considérablement le temps nécessaire à la détection des fuites. Le principal inconvénient qui en résulte est que la valeur finale du signal est plus petite. Cependant, dans la plupart des cas, cela ne cause pas de problèmes majeurs car les détecteurs de fuites d'aujourd'hui sont très sensibles.
Conclusion : le fonctionnement à flux partiel réduit le temps consacré à la détection des fuites !
Il est possible d'effectuer une estimation des constantes de temps globales pour plusieurs volumes reliés entre eux et aux pompes associées dans une approximation initiale en additionnant les constantes de temps individuelles.
Principes fondamentaux de la détection de fuites
Téléchargez notre e-book « Principes fondamentaux de la détection de fuites » pour découvrir les principes et les techniques de détection des fuites.
- Produits associés
- Blogs connexes
- Connaissances connexes
Connaissances connexes
