직류 및 역류 누출 감지기는 어떻게 작동합니까
테스트 대상에서 나온 기체가 질량 감지기로 공급되는 방식에 따라 두 가지 유형의 헬륨 누출 감지기를 구별할 수 있습니다.
- 직접 유량 누출 감지기
- 역류 누출 감지기
그림 14: 주 유량 누출 감지기 및 역류 누출 감지기의 비교
위의 그림은 두 가지 누출 감지기 유형에 대한 진공 다이어그램을 보여줍니다. 두 경우 모두, 질량 분석기는 고진공 펌프 시스템에 의해 배기됩니다.
직접 유량 누출 감지기
직접 유량 누출 감지기의 경우, 검사할 기체가 콜드 트랩을 통해 질량 분석기에 공급됩니다. 콜드 트랩은 액체 질소(LN2)로 냉각되며 기본적으로 모든 증기 및 기타 오염 물질이 응축되는 극저온 펌프입니다. 과거에 일반적으로 사용되었던 확산 펌프의 경우, LN2 냉각 콜드 트랩은 확산 펌프에서 배출되는 오일 증기로부터 질량 분석기를 효과적으로 보호했습니다.
보조 펌프는 테스트 대상 및 필요한 연결 라인의 사전 배기를 위한 역할을 합니다. 작동 중인 고진공 펌프의 고진공 측을 테스트 대상과 연결할 수 있으려면 보조 펌프는 테스트 대상을 5·10–2mbar 미만의 압력으로 배기해야 합니다. 그래야만 보조 펌프와 콜드 트랩 사이의 밸브를 열 수 있습니다. 고진공 펌프는 테스트 대상, 필수 연결 라인 및 질량 분석기를 2·10–4mbar 미만의 압력으로 배기해서는 안 됩니다. 그런 다음, 질량 분석기가 작동을 시작하여 누출을 감지할 수 있습니다.
테스트 대상의 누출 크기와 사용된 진공 펌프의 펌핑 성능에 따라 펌핑 시간이 매우 길어질 수 있습니다. 매우 큰 누출의 경우, 위에 언급된 압력 값에 전혀 도달하지 못할 수도 있습니다.
역류 누출 감지기
그림 14의 오른쪽 부분은 역류 누출 감지기의 다이어그램을 보여줍니다. 직접 유량 누출 감지기의 다이어그램과 상당한 차이가 있음을 즉시 알 수 있습니다. 여기서 고진공 펌프는 질량 분석기(작은 부피, 매우 작은 누출률)만 배기하고 테스트 대상(일반적으로 큰 부피, 큰 누출률)을 배기하지 않습니다.
역류 누출 감지기의 경우, 검사할 기체의 공급은 러핑 펌프와 고진공 펌프 사이에서 수행된다는 점에 유의해야 합니다. 즉, 러핑 펌프와 보조 펌프는 작동 중인 고진공 펌프의 러핑 측을 테스트 대상에 연결할 수 있는 압력으로 테스트 대상을 가져와야 합니다. 오늘날의 역류 누출 감지기의 경우 이른바 시작 압력은 몇 밀리바에 달합니다. 누출 감지기 입구의 시작 압력에 도달하면 즉시 측정 모드로 전환됩니다.
러핑 펌프와 고진공 펌프 사이의 부분 테스트 기체 압력 pFV, TG는 누출 감지기로 흐르는 테스트 기체 TG(TG = 헬륨 또는 수소)에 의해 증가합니다.
고진공 펌프가 작동 중일 때 펌프의 고진공 측면의 부분 테스트 기체 압력(pHV, TG)은 펌프의 전진공 측보다 훨씬 작습니다(pFV, TG). 따라서 일정한 양의 테스트 기체가 고진공 펌프의 공급 방향과 반대로 전진공 측에서 고진공 펌프의 고진공 측으로 흐릅니다. 이러한 현상이 이러한 종류의 누출 감지기가 역류 누출 감지기라고 불리는 이유입니다.
평형 상태에서는 다음과 같은 테스트 기체 압력이 고진공 측, 즉 고진공 펌프와 질량 분석기 사이에 존재합니다.
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
이 경우, C0, TG는 테스트 기체 유량이 0일 때(고진공 펌프를 통한 테스트 기체의 순 가스 유량이 0) 테스트 기체 TG에 대한 고진공 펌프의 압축 비율을 나타냅니다.
오늘날, 역류 누출 감지기의 고진공 펌프는 항상 복합 단계의 터보 분자 펌프입니다. 이 고진공 펌프 유형은 높은 전진공 일관성(몇 밀리바)을 특징으로 하며, 따라서 밀리바 범위에서 언급한 높은 시작 압력을 허용합니다. 따라서 누출 감지 과정은 오일 확산 펌프가 있는 누출 감지기보다 훨씬 빠르게 수행될 수 있습니다(오일 확산 펌프의 전진공 일관성 ⋍ 5 ·10–1mbar).
터보분자 펌프는 무거운 기체(탄화수소, 오일 증기)에 대해 매우 높은 압축을 제공합니다. 따라서 헬륨과 수소와 같은 가벼운 테스트 기체와 달리 무거운 기체 입자는 기본적으로 질량 분석기에 도달할 수 없습니다. 따라서 터보 분자 펌프는 질량 분석기에 대한 최적의 보호 장치이며 액체 질소 냉각식 콜드 트랩이 불필요해집니다.
부분 유량 작동 시 역류 누출 감지기
테스트 대상을 필요한 시작 압력으로 배기할 수 없거나 테스트 대상의 크기 또는 누출로 인해 시간이 너무 오래 걸리는 경우 누출 감지기 외에 보조 펌프(보조 펌프 시스템)를 사용해야 합니다.
그러면 누출 감지기는 이른바 부분 유량 구성으로 작동합니다. 보조 펌프는 일반적으로 누출 감지기에 통합된 러핑 펌프보다 성능이 높기 때문에 더 많은 양의 테스트 기체가 보조 펌프를 통해 흐르고 소량의 테스트 기체만 러핑 펌프를 통해 흐릅니다.
그러나 러핑 펌프의 입구와 보조 펌프 pFV, TG의 입구에서의 부분 테스트 기체 압력은 동일합니다. 따라서 테스트 대상에서 나오는 총 테스트 기체 유량은 다음과 같습니다.
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
여기에서
- SRP, TG = 테스트 기체의 누출 감지기에 통합된 러핑 펌프의 펌핑 속도(l/s)
- SAP, TG = 테스트 기체에 대한 보조 펌프의 펌프 속도(l/s)
이 값은 누출 감지기가 표시해야 하는 실제 누출률입니다. 그러나 누출 감지기의 전자 시스템은 다음과 같은 값을 표시합니다.
qL, display = pFV, TG · SRP, TG
결과는 다음과 같습니다.
누출 감지기에 표시되는 누출률 qL, display는 실제 누출률 qL 및 부분 유량비 γ의 곱과 같습니다.
qL, display = qL · γ
γ = SRP, TG/(SRP, TG + SAP, TG) (부분 유량비)
부분 유량비는 위에 명시된 관계식을 통해 계산됩니다.
실제로, 실험적으로 부분 유량비를 결정하는 것이 합리적입니다. 이를 위해 누출률 qL을 사용하여 누출 감지기에 직접 검교정 누출을 설치합니다(보조 펌프 없이 작동). 그러면 누출 감지기가 디스플레이에 누출 감지기의 실제 누출률 qL을 표시합니다. 값 qL을 기록해야 합니다. 이제 테스트 대상에 동일한 검교정 누출을 설치하고 보조 펌프를 작동시키며 누출 감지기의 디스플레이에 표시를 기록합니다. 누출 감지기는 이제 qL을 표시합니다. 구하고자 하는 부분 유량비 γ는 qL, display 및 qL의 몫에서 나옵니다.
γ = qL, display / qL (부분 유량비)
그림 15: 부분 유량 원리를 사용한 누출 감지기 사용 예
진공 시스템에 연결
다단계 진공 펌프 세트가 있는 진공 시스템에 누출 감지기를 연결하는 작업은 일반적으로 부분 유량 방법을 통해 수행됩니다. 가장 좋은 연결 위치를 고려할 때 누출 감지기는 일반적으로 연결 플랜지에서 펌핑 속도가 낮은 소형 휴대용 장치라는 점을 명심해야 합니다(일반적으로 SRP, TG ⋍ 2m3/h). 따라서 펌핑 속도가 SAP, TG = 10,000l/s = 36,000m3/h인 확산 펌프에 대한 예상 부분 유량 비율을 바탕으로 어떤 누출율이 실제로 감지될 수 있는지 추정하는 것이 필요합니다.
고진공 및 루츠 펌프가 사용되는 시스템에서 가장 확실한 방법은 로터리 베인 펌프와 루츠 펌프 사이 또는 루츠 펌프와 고진공 펌프 사이에 누출 감지기를 연결하는 것입니다. 압력이 누출 감지기에 대해 허용 가능한 입구 압력보다 클 경우 누출 감지기는 미터링(가변 누출) 밸브를 통해 연결해야 합니다. 당연히 적절한 커넥터 플랜지를 사용할 수 있어야 합니다.
또한 필요한 경우 누출 감지기를 (시스템 가동 시) 빠르게 연결할 수 있고 밸브를 개방한 후 즉시 누출 감지가 시작될 수 있도록 처음부터 밸브를 설치하는 것이 좋습니다. 이 밸브를 실수로 열지 않도록 하기 위해 정상적인 진공 시스템 작동 중에 빈 플랜지로 밀봉해야 합니다.
누출 감지기를 더 큰 진공 시스템에 연결하는 또 다른 방법은 시스템의 대기 측 출구에 스니퍼를 삽입하는 것입니다. 그런 다음 배기 가스의 테스트 기체 농도 증가를 스니핑합니다.
- SLD = SR, He
분기 지점에서 헬륨 누출 감지기에 내장된 러핑 펌프의 펌핑 속도(l/s) - SAP = SAP, He
분기 지점에서 헬륨용 보조 펌프의 펌핑 속도(l/s)
시간 상수
진공 시스템의 시간 상수는 다음에 의해 제공됩니다.
t = Vch / Seff
- Vch = 용기의 부피(l)
- Seff = 용기에서 테스트 기체의 유효 펌핑 속도(l/s)
그림 16: 신호 반응 및 펌핑 속도
위의 그림 16은 두 가지 다른 구성에서 누출 감지기에 부착된 테스트 대상에 누출이 발생한 후 신호 과정을 보여줍니다.
- 테스트 대상(체적 Vch)은 누출 감지기 LD(테스트 기체의 유효 펌핑 속도 = SLD)에 직접 연결됩니다.
- 1 외에도 유효 펌핑 속도 SAP = SLD가 동일한 보조 펌프(= 부분 유량 펌프)가 테스트 대상에 연결됩니다.
두 개의 상응하는 신호 곡선이 그림 16에 표시되어 있습니다.
곡선 1: "데드 타임 "t0 이후 부분 테스트 기체 압력 pTG에 비례하는 신호는 관계 및 시간 t에 따라 증가합니다.
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
일정 시간이 지나면 신호는 최종 값의 일부에 도달합니다.
- t − t0 = 1 τ 최종 값의 63.3%
- t − t0 = 3 τ 최종 값의 95.0%
- t − t0 = 6 τ 최종 값의 99.8%
지수 항이 t - t0 >> τ에 대해 사라지기 때문에 신호의 최종 값은 pTG = qL/Seff에 비례합니다.
최종 값의 95%에 도달하는 데 필요한 시간 범위 t - t0를 응답 시간이라고 합니다. 이는 3 τ로 주어집니다.
이는 곡선 1에 대해 다음과 같은 결과를 제공합니다. 신호의 최종 값은 pTG = qL/Seff = qL/SLD = p1에 비례합니다.
응답 시간 = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/SLD = τ1
다음은 곡선 2에 적용됩니다( = 부분 유동 작동). 신호의 최종 값은 pTG = qL/Seff = qL /(SLD + SAP) = 0.5 · p1에 비례합니다.
응답 시간 = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/(SLD + SAP) = 0.5 · τ1
보조 펌프( = 부분 유량 펌프)를 설치하면 응답 시간이 항상 단축되고 신호의 최종 값은 항상 감소합니다. 위의 예에서 응답 시간은 반으로 줄어들지만 신호의 최종 값도 반으로 줄어듭니다.
응답 시간이 짧으면 신호가 빠르게 변경되고 표시된다는 의미입니다. 이는 누출 감지에 필요한 시간을 크게 줄일 수 있다는 이점을 제공합니다. 신호의 최종 값이 작다는 결과적인 단점은 대부분의 경우 오늘날의 누출 감지기의 매우 높은 감도로 인해 심각한 문제를 일으키지 않습니다.
결론: 부분 유량 작동으로 누출 감지에 소요되는 시간이 줄어듭니다!
개별 시간 상수를 추가하여 서로 그리고 연결된 펌프와 연결된 여러 부피에 대한 전체 시간 상수의 초기 근사치를 예측할 수 있습니다.
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