Como funcionam os detetores de vazamento de fluxo direto e de contrafluxo
Dependendo da maneira como o gás do objeto de teste é fornecido ao espectrômetro de massa, é possível diferenciar entre dois tipos de detectores de vazamento de hélio:
- O detector de vazamento de fluxo direto
- O detetor de vazamento de contrafluxo
Fig. 14: Comparação entre o detector de vazamento do fluxo principal e de vazamento de contrafluxo
A figura acima mostra os diagramas de vácuo para os dois tipos de detector de vazamento. Em ambos os casos, o espectrômetro de massa é evacuado por um sistema de bomba de alto vácuo.
Detector de vazamento de fluxo direto
No caso do detector de vazamento de fluxo direto, o gás a ser inspecionado é fornecido ao espectrômetro de massa por meio de uma armadilha a frio. A armadilha a frio é resfriada com nitrogênio líquido (LN2) e é basicamente uma bomba criogênica na qual todos os vapores e outros contaminantes se condensam. No caso da bomba de difusão, que era normalmente usada no passado, a armadilha a frio resfriada com LN2 era, portanto, uma proteção eficaz para o espectrômetro de massa contra os vapores de óleo descarregados da bomba de difusão.
A bomba auxiliar serve para a pré-evacuação do objeto de teste e das linhas de conexão necessárias. Para que seja possível conectar o lado de alto vácuo da bomba de alto vácuo em funcionamento ao objeto de teste, a bomba auxiliar deve evacuar o objeto de teste a uma pressão inferior a 5·10–2 mbar. Só então será possível abrir a válvula entre a bomba auxiliar e a armadilha a frio. A bomba de alto vácuo não deve evacuar o objeto de teste, as linhas de conexão necessárias e o espectrômetro de massa a uma pressão abaixo de 2·10–4 mbar. Depois disso, o espectrômetro de massa pode começar a funcionar para detectar vazamentos.
Dependendo do tamanho do vazamento no objeto de teste e do desempenho de bombeamento das bombas de vácuo usadas, os tempos de bombeamento podem ser muito longos. No caso de um vazamento muito grande, os valores de pressão mencionados acima podem nem mesmo ser atingidos.
Detetor de vazamento de contrafluxo
A parte direita da Fig. 14 mostra o diagrama do detector de vazamento de contrafluxo. Reconhece-se imediatamente a diferença substancial em relação ao diagrama do detector de vazamento de fluxo direto: aqui, a bomba de alto vácuo evacua apenas o espectrômetro de massa (volume menor, taxa de vazamento muito pequena) e não o objeto de teste (volume grande, taxa de vazamento grande em geral).
Deve-se observar que, no caso do detector de vazamento de contrafluxo, o fornecimento do gás a ser inspecionado é realizado entre a bomba de vácuo mecânica e a bomba de alto vácuo. Isso significa que a bomba de vácuo mecânica e a bomba auxiliar devem levar o objeto de teste a uma pressão na qual o lado de desbaste da bomba de alto vácuo em funcionamento possa ser conectado ao objeto de teste. No caso dos detectores de vazamento de contrafluxo atuais, essa chamada pressão inicial chega a vários milibares. Se a pressão inicial na entrada do detector de vazamento for atingida, ele passa imediatamente para o modo de medição.
A pressão parcial do gás de teste pFV, TG entre a bomba de vácuo mecânica e a bomba de alto vácuo é aumentada pelo gás de teste TG (TG = hélio ou hidrogênio) que flui para o detector de vazamento.
Quando a bomba de alto vácuo está funcionando, a pressão parcial do gás de teste (pHV, TG) no lado de alto vácuo da bomba é significativamente menor do que no lado de pré-vácuo da bomba (pFV, TG). Portanto, uma certa quantidade do gás de teste flui - contra a direção de fornecimento da bomba de alto vácuo - do lado de pré-vácuo para o lado de alto vácuo da bomba de alto vácuo. Esse fenômeno é a razão pelo qual esse tipo de detector de vazamento é chamado de detector de vazamento de contrafluxo".
Em equilíbrio, a seguinte pressão parcial do gás de teste estará presente no lado de alto vácuo, ou seja, entre a bomba de alto vácuo e o espectrômetro de massa:
pHV, TG = pFV, TG/C0, TG
Neste caso, C0, TG refere-se à compressão da bomba de alto vácuo para o gás de teste TG a um fluxo de gás de teste igual a zero (o fluxo de gás líquido do gás de teste através da bomba de alto vácuo é zero).
Atualmente, a bomba de alto vácuo em detectores de vazamento de contrafluxo é sempre uma bomba turbomolecular com estágio composto. Esse tipo de bomba de alto vácuo apresenta uma elevada consistência de pré-vácuo (poucos milibares) e, portanto, permite as altas pressões iniciais acima mencionadas na faixa de milibares. Portanto, o processo de detecção de vazamento pode ser realizado muito mais rapidamente do que com um detector de vazamento com bomba de difusão de óleo (consistência de pré-vácuo de uma bomba de difusão de óleo ⋍ 5 ·10–1 mbar).
As bombas turbomoleculares apresentam uma compressão muito alta para gases pesados (hidrocarbonetos, vapores de óleo). Portanto, o seguinte se aplica: em contraste com gases de teste leves, como hélio e hidrogênio, partículas de gás pesadas basicamente não conseguem atingir o espectrômetro de massa. A bomba turbomolecular é, portanto, uma proteção ideal para o espectrômetro de massa e torna obsoleta uma armadilha a frio resfriada a nitrogênio líquido.
Detetor de vazamento de contrafluxo em operação de fluxo parcial
Se a evacuação do objeto de teste para a pressão inicial necessária for impossível ou demorar muito devido ao tamanho do objeto de teste ou ao vazamento, uma bomba auxiliar (sistema de bomba auxiliar) deve ser usada além do detector de vazamento.
O detector de vazamento será então operado em uma configuração chamada de fluxo parcial. Como a bomba auxiliar geralmente tem um desempenho maior do que a bomba de vácuo mecânica integrada ao detector de vazamento, a maior quantidade do gás de teste fluirá pela bomba auxiliar e apenas uma pequena quantidade do gás de teste fluirá pela bomba de vácuo mecânica.
No entanto, a pressão parcial do gás de teste na entrada da bomba de vácuo mecânica e na entrada da bomba auxiliar pFV, TG será idêntica. Portanto, o fluxo total do gás de teste do objeto de teste equivale a
qL = pFV, TG · (SRP, TG + SAP, TG)
com
- SRP, TG = velocidade de bombeamento da bomba de vácuo integrada no detector de vazamento para o gás de teste em l/s
- SAP, TG = velocidade de bombeamento da bomba auxiliar para o gás de teste em l/s
Essa é a taxa de vazamento real que o detector de vazamento deve exibir. O sistema eletrônico do detector de vazamento, no entanto, gera a seguinte exibição
qL, visor = pFV, TG · SRP, TG
O resultado é o seguinte:
A taxa de vazamento qL, visor que é exibida pelo detector de vazamento, é igual ao produto da taxa de vazamento real qL e da taxa de fluxo parcial γ:
qL, visor = qL · γ
γ = SRP, TG/(SRP, TG + SAP, TG) (relação de fluxo parcial)
A relação de fluxo parcial é calculada por meio da relação mencionada acima.
Na prática, muitas vezes faz sentido determinar a razão de fluxo parcial experimentalmente. Para isso, instala-se um vazamento de calibração com a taxa de vazamento qL diretamente no detector de vazamento (operação sem bomba auxiliar). O detector de vazamento indicará a taxa de vazamento real qL do detector de vazamento no visor. O valor qL deve ser registrado. Agora, um instala-se o mesmo vazamento de calibração no objeto de teste, coloca-se a bomba auxiliar em operação e registra-se a indicação no visor do detector de vazamento. O detector de vazamento agora indica qL, visor. A relação de fluxo parcial y que está sendo procurada resultará do quociente de qL, visor e qL:
γ = qL, visor / qL (relação de fluxo parcial)
Fig. 15: Exemplo de uso de um detector de vazamento com princípio de fluxo parcial
Conexão a sistemas de vácuo
A conexão de um detector de vazamento a sistemas de vácuo com conjuntos de bombas de vácuo de múltiplos estágios geralmente é realizada por meio do método de fluxo parcial. Ao considerar a melhor forma de fazer a conexão, é preciso ter em mente que o detector de vazamento é geralmente uma unidade pequena e portátil que tem apenas uma baixa velocidade de bombeamento no flange de conexão (normalmente com SRP, TG ⋍ 2 m3/h). Isso torna ainda mais importante estimar - com base na relação de fluxo parcial esperada em relação à uma bomba de difusão com velocidade de bombeamento de SAP, TG = 10.000 l/s = 36.000 m3/h, por exemplo - quais taxas de vazamento podem ser detectadas.
Em sistemas com bombas de alto vácuo e tipo roots, a opção mais segura é conectar o detector de vazamentos entre a bomba de palheta rotativa e a bomba tipo roots ou entre a bomba tipo roots e a bomba de alto vácuo. Se a pressão for maior que a pressão de entrada permitida para o detector de vazamento, então o detector de vazamento deverá ser conectado por meio de uma válvula de medição (vazamento variável). Naturalmente, será necessário ter um flange de conexão adequado disponível.
Também é aconselhável instalar uma válvula nesse ponto desde o início para que, quando necessário, o detector de vazamento possa ser conectado rapidamente (com o sistema em funcionamento) e a detecção de vazamento possa começar imediatamente após a abertura da válvula. Para evitar que essa válvula seja aberta inadvertidamente, ela deve ser selada com um flange vazio durante a operação normal do sistema de vácuo.
Outro método para conectar um detector de vazamento a sistemas de vácuo maiores é inserir um sniffer na saída do lado da atmosfera do sistema. Em seguida, detecta-se um aumento da concentração de gás de teste no escape.
- SLD = SR, He
velocidade de bombeamento da bomba de vácuo mecânica integrada ao detector de vazamento de hélio em l/s no ponto de ramificação - SAP = SAP, He
velocidade de bombeamento da bomba auxiliar para hélio em l/s no ponto de ramificação
Constantes de tempo
A constante de tempo para um sistema de vácuo é definida por:
t = Vch / Seff
- Vch = Volume dos reservatórios em l
- Seff = Velocidade efetiva de bombeamento para o gás de teste no recipiente em l/s
Fig. 16: Respostas de sinal e velocidade de bombeamento
A Figura 16 acima mostra o curso do sinal após a pulverização de um vazamento em um objeto de teste conectada a um detector de vazamento, para duas configurações diferentes:
- O objeto de teste (volume Vch) está diretamente conectado ao detector de vazamento LD (velocidade efetiva de bombeamento para o gás de teste = SLD).
- Além de 1, uma bomba auxiliar ( = bomba de fluxo parcial) com a mesma velocidade de bombeamento efetiva SAP = SLD é conectada ao objeto de teste.
As duas curvas de sinal correspondentes são mostradas na fig. 16:
Curva 1: Após um "tempo de paralisação" t0 o sinal proporcional à pressão parcial do gás de teste pTG aumenta ao longo do tempo t de acordo com a relação
pTG = (qL/Seff) · { 1 − exp[ − (t − t0)/τ
Após um certo período de tempo, o sinal atinge uma parte do seu valor final
- t − t0 = 1 τ 63.3 % do valor final
- t − t0 = 3 τ 95.0 % do valor final
- t − t0 = 6 τ 99.8 % do valor final
O valor final do sinal é proporcional a pTG = qL/Seff , pois o termo exponencial desaparecerá para t - t0 >> τ.
O intervalo de tempo t - t0 que é necessário para atingir 95% do valor final é chamado de tempo de resposta. Isso é dado por 3 τ.
Isso fornece o seguinte resultado para a curva 1: o valor final do sinal é proporcional a pTG = qL/Seff = qL/SLD = p1
Tempo de resposta = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/SLD = τ1
O seguinte se aplica à curva 2 ( = operação de fluxo parcial): O valor final do sinal é proporcional a pTG = qL/Seff = qL /(SLD + SAP) = 0.5 · p1
Tempo de resposta = 3 τ = 3 Vch/Seff = 3 Vch/(SLD + SAP) = 0.5 · τ1
Devido à instalação de uma bomba auxiliar ( = bomba de fluxo parcial), o tempo de resposta será sempre encurtado e o valor final do sinal sempre será reduzido. No exemplo acima, o tempo de resposta é reduzido pela metade, mas o valor final do sinal também é reduzido pela metade.
Um tempo de resposta curto significa uma rápida mudança e exibição do sinal. Isso fornece a vantagem de que o gasto de tempo necessário para a detecção de vazamento pode ser significativamente reduzido. A consequente desvantagem de que o valor final do sinal é menor não resulta, na maioria dos casos, em problemas graves devido à altíssima sensibilidade dos detectores de vazamento atuais.
Conclusão: a operação de fluxo parcial reduz o gasto de tempo para a detecção de vazamentos!
Uma estimativa das constantes de tempo gerais para vários volumes conectados um aos outros e às bombas associadas pode ser feita em uma aproximação inicial adicionando as constantes de tempo individuais.
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