Come funzionano i rilevatori di perdite a flusso diretto e in controcorrente
A seconda del modo in cui il gas proveniente dall'oggetto di test viene erogato allo spettrometro di massa, è possibile distinguere tra due tipi di rilevatori di perdite di elio:
- Il rilevatore di perdite a flusso diretto
- Il rilevatore di perdite in controcorrente
Fig. 14: Confronto tra la perdita di flusso principale e il rilevatore di perdite in controcorrente
La figura in alto mostra gli schemi del vuoto per i due tipi di rilevatore di perdite. In entrambi i casi, lo spettrometro di massa viene evacuato da un sistema a pompa per alto vuoto.
Rilevatore di perdite a flusso diretto
Nel caso del rilevatore di perdite a flusso diretto, il gas da ispezionare viene erogato allo spettrometro di massa tramite una trappola fredda. La trappola fredda viene raffreddata con azoto liquido (LN2) ed è fondamentalmente una criopompa in cui tutti i vapori e gli altri contaminanti si condensano. Nel caso della pompa a diffusione, solitamente utilizzata in passato, la trappola fredda raffreddata a LN2 rappresentava quindi un'efficace protezione per lo spettrometro di massa contro i vapori di olio scaricati dalla pompa a diffusione.
La pompa ausiliaria serve per la pre-evacuazione dell'oggetto di test e delle linee di collegamento richieste. Per poter collegare il lato alto vuoto della pompa per alto vuoto in funzione con l'oggetto di test, la pompa ausiliaria deve evacuare l'oggetto di test a una pressione inferiore a 5·10–2 mbar. Solo allora è possibile aprire la valvola tra la pompa ausiliaria e la trappola fredda. La pompa per alto vuoto non deve evacuare l'oggetto di test, le linee di collegamento necessarie e lo spettrometro di massa a una pressione inferiore a 2·10–4 mbar. Successivamente, lo spettrometro di massa potrebbe iniziare a funzionare per rilevare eventuali perdite.
A seconda delle dimensioni della perdita nell'oggetto di test e delle prestazioni di pompaggio delle pompe per vuoto utilizzate, i tempi di pompaggio possono essere molto lunghi. In caso di perdite molto grandi, i valori di pressione sopra indicati non possono essere raggiunti.
Rilevatore di perdite in controcorrente
La parte destra della Fig. 14 mostra lo schema del rilevatore di perdite in controcorrente. La sostanziale differenza rispetto allo schema del rilevatore di perdite a flusso diretto è immediatamente evidente. In questo caso, la pompa per alto vuoto evacuerà solo lo spettrometro di massa (volume inferiore, tasso di perdita molto basso) e non l'oggetto di test (volume grande, tasso di perdita elevato in generale).
Si noti che, nel caso del rilevatore di perdite in controcorrente, l'erogazione del gas da ispezionare viene eseguita tra la pompa primaria e la pompa per alto vuoto. Ciò significa che la pompa primaria e la pompa ausiliaria devono portare l'oggetto di test a una pressione a cui il lato rotativo della pompa per alto vuoto in funzione può essere collegato all'oggetto di test. Nel caso dei rilevatori di perdite in controcorrente odierni, questa cosiddetta pressione iniziale è pari a diversi millibar. Se viene raggiunta la pressione di avvio all'ingresso del rilevatore di perdite, passa immediatamente alla modalità di misurazione.
La pressione parziale del gas di test pFV, TG tra la pompa primaria e la pompa per alto vuoto viene aumentata dal gas di prova TG (TG = elio o idrogeno) che scorre nel rilevatore di perdite.
Quando la pompa ad alto vuoto è in funzione, la pressione parziale del gas di test (pHV, TG) sul lato ad alto vuoto della pompa è significativamente inferiore rispetto al lato di prevuoto della pompa (pFV, TG). Pertanto, una certa quantità di gas di test scorre, contro la direzione di mandata della pompa ad alto vuoto, dal lato di prevuoto al lato di alto vuoto della pompa ad alto vuoto. Questo fenomeno è il motivo per cui questo tipo di rilevatore di perdite viene definito "rilevatore di perdite in controcorrente".
In una condizione di equilibrio, la seguente pressione parziale del gas di test sarà presente sul lato ad alto vuoto, ossia tra la pompa per alto vuoto e lo spettrometro di massa:
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
In questo caso, C0, TG si riferisce alla compressione della pompa ad alto vuoto per il TG del gas di test a un flusso di gas di test pari a zero (il flusso di gas netto del gas di test attraverso la pompa a alto vuoto è zero).
Attualmente, la pompa ad alto vuoto nei rilevatori di perdite in controcorrente è sempre una pompa turbomolecolare con stadio composto. Questo tipo di pompa ad alto vuoto presenta un'elevata uniformità di prevuoto (pochi millibar) e quindi consente le pressioni di avvio elevate sopra citate nella gamma millibar. Pertanto, il processo di rilevamento delle perdite può essere eseguito molto più velocemente rispetto a un rilevatore di perdite con pompa a diffusione di olio (consistenza di prevuoto di una pompa a diffusione dell'olio ⋍ 5 ·10–1 mbar).
Le pompe turbomolecolari presentano una compressione molto elevata per i gas pesanti (idrocarburi, vapori d'olio). Pertanto, si applica quanto segue: a differenza dei gas di test leggeri come elio e idrogeno, le particelle di gas pesanti non possono raggiungere lo spettrometro di massa. La pompa turbomolecolare costituisce quindi una protezione ottimale per lo spettrometro di massa e rende obsoleta una trappola fredda raffreddata ad azoto liquido.
Rilevatore di perdite in controcorrente in funzionamento a flusso parziale
Se l'evacuazione dell'oggetto di test alla pressione di avvio richiesta è impossibile o richiede troppo tempo a causa delle dimensioni dell'oggetto di test o della perdita, è necessario utilizzare una pompa ausiliaria (impianto pompa ausiliaria) in aggiunta al rilevatore di perdite.
Il rilevatore di perdite viene quindi azionato in una cosiddetta configurazione a flusso parziale. Poiché la pompa ausiliaria di solito ha prestazioni più elevate rispetto alla pompa primaria integrata nel rilevatore di perdite, la maggiore quantità di gas di test fluisce attraverso la pompa ausiliaria e solo una piccola quantità di gas di test fluisce attraverso la pompa primaria.
Tuttavia, la pressione parziale del gas di test all'ingresso della pompa primaria e all'ingresso della pompa ausiliaria pFV, TG sarà identica. Pertanto, il flusso totale del gas di test dall'oggetto di test è pari a
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
con
- SRP, TG = velocità di pompaggio della pompa primaria integrata nel rilevatore di perdite per il gas di test in l/s
- SAP, TG = velocità di pompaggio della pompa ausiliaria per il gas di test in l/s
Si tratta dell'effettivo tasso di perdita che dovrebbe essere visualizzato dal rilevatore di perdite. Il sistema elettronico del rilevatore di perdite, tuttavia, genera la seguente schermata
qL, display = pFV, TG · SRP, TG
I seguenti risultati sono stati ottenuti da:
Il tasso di perdita qL, display visualizzato dal rilevatore di perdite, è pari al prodotto del tasso di perdita effettivo qL e del rapporto di flusso parziale γ:
qL, display = qL · γ
γ = SRP, TG/(SRP, TG + SAP, TG) (rapporto del flusso parziale)
Il rapporto del flusso parziale è calcolato per mezzo della relazione sopra indicata.
In pratica, spesso è opportuno determinare sperimentalmente il rapporto del flusso parziale. A tale scopo, installare una perdita di calibrazione con il tasso di perdita qL direttamente sul rilevatore di perdite (funzionamento senza pompa ausiliaria). Il rilevatore di perdite indicherà quindi sul display l'effettivo tasso di perdita qL del rilevatore di perdite. Il valore qL deve essere registrato. A questo punto, viene installata la stessa perdita di calibrazione sull'oggetto di test, la pompa ausiliaria è in funzione e registra l'indicazione sul display del rilevatore di perdite. Il rilevatore di perdite ora indica il display qL. Il rapporto del flusso parziale γ ricercato quindi deriva dal quoziente di qL, display e qL:
γ = qL, display / qL (rapporto del flusso parziale)
Fig. 15: Esempio di utilizzo di un rilevatore di perdite con principio di flusso parziale
Collegamento ai sistemi per vuoto
Il collegamento di un rilevatore di perdite ai sistemi per vuoto con set di pompe per vuoto multistadio viene solitamente eseguito mediante il metodo a flusso parziale. Quando si prende in considerazione la posizione migliore per il collegamento, si deve tenere presente che il rilevatore di perdite è di solito un'unità portatile di piccole dimensioni che ha solo una bassa velocità di pompaggio sulla flangia di collegamento (generalmente con SRP, TG ⋍ 2 m3/h). Ciò rende ancora più importante stimare, in base al rapporto di flusso parziale previsto rispetto ad una pompa a diffusione con velocità di pompaggio di SAP, TG = 10.000 l/s = 36.000 m3/h, ad esempio, quali tassi di perdita possono essere effettivamente rilevati.
Nei sistemi con pompa ad alto vuoto e roots, l'opzione più sicura consiste nel collegare il rilevatore di perdite tra la pompa rotativa a palette e la pompa roots o tra la pompa roots e la pompa ad alto vuoto. Se la pressione è superiore alla pressione di ingresso consentita per il rilevatore di perdite, quest'ultimo deve essere collegato tramite una valvola di dosaggio (perdita variabile). Naturalmente, è necessario disporre di una flangia del connettore adatta.
Si consiglia inoltre di installare una valvola a questo punto dall'inizio in modo che, quando necessario, il rilevatore di perdite possa essere collegato rapidamente (con il sistema in funzione) e il rilevamento delle perdite possa iniziare subito dopo l'apertura della valvola. Per evitare che questa valvola venga aperta inavvertitamente, deve essere sigillata con una flangia vuota durante il normale funzionamento del sistema per vuoto.
Un altro metodo per collegare un rilevatore di perdite a sistemi per vuoto più grandi consiste nell'inserire uno sniffer nell'uscita lato atmosfera del sistema. A questo punto, l'aumento della concentrazione dei gas di test nello scarico viene annusato.
- SLD = SR, He
velocità di pompaggio della pompa primaria incorporata nel rilevatore di perdite di elio in l/s nel punto di diramazione - SAP = SAP, He
velocità di pompaggio della pompa ausiliaria per elio in l/s nel punto di diramazione
Costanti di tempo
La costante di tempo per un sistema per vuoto è data da:
t = Vch / Seff
- Vch = volume dei serbatoi in l
- Seff = velocità di pompaggio effettiva per il gas di test nel serbatoio in l/s
Fig. 16: Risposte del segnale e velocità di pompaggio
La Figura 16 mostra l'andamento del segnale dopo la nebulizzazione di una perdita in un oggetto di test collegato a un rilevatore di perdite, per 2 diverse configurazioni:
- L'oggetto di test (volume Vch) è collegato direttamente al rilevatore di perdite LD (velocità di pompaggio effettiva per il gas di test = SLD).
- Oltre a 1, all'oggetto di test è collegata una pompa ausiliaria ( = pompa a flusso parziale) con la stessa velocità di pompaggio effettiva SAP = SLD.
Le due curve di segnale corrispondenti sono mostrate nella fig. 16:
Curva 1: dopo un "tempo morto" t0, il segnale proporzionale alla pressione parziale del gas di test pTG aumenta nel tempo t in base alla relazione
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
Dopo un determinato periodo di tempo, il segnale raggiunge una parte del suo valore finale
- t − t0 = 1 τ 63,3% del valore finale
- t − t0 = 3 τ 95,0% del valore finale
- t − t0 = 6 τ 99,8% del valore finale
Il valore finale del segnale è proporzionale a pTG = qL/Seff poiché il termine esponenziale scomparirà per t - t0 >> τ.
L'intervallo di tempo t - t0 necessario per raggiungere il 95% del valore finale viene definito tempo di risposta. Ciò è dato da 3 τ.
Ciò fornisce il seguente risultato per la curva 1: il valore finale del segnale è proporzionale a pTG = qL/Seff = qL/SLD = p1
Tempo di risposta = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/SLD = τ1
Quanto segue si applica alla curva 2 ( = funzionamento a flusso parziale): il valore finale del segnale è proporzionale a pTG = qL/Seff = qL /(SLD + SAP) = 0,5 · p1
Tempo di risposta = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/(SLD + SAP) = 0,5 · τ1
A causa dell'installazione di una pompa ausiliaria ( = pompa a flusso parziale), il tempo di risposta e il valore finale del segnale saranno sempre ridotti. Nell'esempio precedente, il tempo di risposta viene dimezzato, ma anche il valore finale del segnale.
Un tempo di risposta breve consente di cambiare e visualizzare rapidamente il segnale. Il vantaggio è che in questo modo il tempo richiesto speso per il rilevamento delle perdite può essere notevolmente ridotto. Il conseguente aspetto negativo che il valore finale del segnale sia ridotto, nella maggior parte dei casi, non causa gravi problemi dovuti all'elevata sensibilità dei rilevatori di perdite odierni.
Conclusione: il funzionamento a flusso parziale riduce la spesa di tempo per il rilevamento delle perdite!
Una stima delle costanti di tempo complessive per più volumi collegati uno all'altro e alle pompe associate, può essere eseguita in un'approssimazione iniziale sommando le singole costanti di tempo.
Fondamenti del rilevamento delle perdite
Scarica il nostro e-book "Fondamenti del rilevamento delle perdite" per scoprire gli elementi essenziali e le tecniche di rilevamento delle perdite.
- Prodotti correlati
- Blog correlati
- Conoscenze correlate
Prodotti correlati
